محاسبات کوانتومی

/
/
/
0 مشاهده

محاسبات کوانتومی
آیا یک ذره فیزیکی واقعاً می¬تواند PC ما را سریعتر کند یا این بحث فقط یک رویای علمی است؟
محاسبات کوانتومی چیست؟
سوال خوبی است و پاسخ جالبی دارد. به طور خلاصه، محاسبات طبیعی (normal computing) از یک سیستم دودویی از بیت¬ها استفاده می¬کند که مقادیر ۱ یا ۰ را می¬گیرند، درحالی که محاسبات کوانتومی از بیت¬های کوانتومی (qubits) استفاده می¬کند که می¬تواند در یک لحظه هردو مقدار ۱ و ۰ را بگیرد. این موضوعی بود که در اوایل دهه هشتاد توسط فیزیکدانی به نام Richard Feynman مطرح شد و در سال¬های اخیر در مورد آن بحث¬های زیادی شده است و روی کار آمده است، به طوری که مجله Wired این پدیده را به نام “انقلاب بزرگ بعدی تمدن” معرفی کرد.
چگونه امکان دارد در یک لحظه هردومقدار ۱ و ۰ در این سیستم استفاده شود؟
درواقع این بحث کمی پیچیده است زیرا در این سیستم از نظریه کوانتوم و ایده¬ی “برهم نهی” استفاده شده است. در ساده¬ترین بیان، فیزیک کوانتوم می¬گوید که این امکان برای هر ذره فیزیکی وجود دارد که در یک لحظه دارای دو ویژگی باشد. پس این ذره ممکن است یک ذره یا یک موج، یا در یک حالت عجیب ترکیبی از موج و ذره باهم در یک لحظه باشد. همان¬طور که شما هم تصور می¬کنید این مفهوم به طرز خارق¬العاده¬ای پیچیده است، که در واقعیت مکانیک کوانتوم به طور عمیقی جستجو می¬کند، اما قطعاً دارای این توانایی برای تغییر شکل زندگی ما می¬باشد.
محاسبات کوانتومی چگونه کار می¬کند؟
در یک کامپیوتر استاندارد، باید همع امکان¬ها برای رخ دادن صفرها و یک¬ها در خلال یک محاسبه چک شوند. اما از آنجا که بیت¬های کوانتومی (qubits) از خانواده ذرات زیراتمی (مانند فوتون¬ها، الکترون¬ها و یون¬ها) هستند و دارای این قابلیت می¬باشند که می¬توانند دو معادله را در یک لحظه برقرار کنند، پس این این بیت¬ها در محاسبات کامپیوتری سرعت بالایی خواهند داشت و می¬توانند به سرعت جواب¬های اشتباه را تشخیص داده و آنها را کنار بگذارند. زمانی که این qubit ها را در محفظه¬ای محدود کنیم می¬توانند با هم تعامل داشته باشند و تعداد زیادی از مقادیر را به صورت همزمان به ما ارائه کنند. قرار دادن تعداد زیادی از این qubit ها در کنار هم به این روش، به کامپیوتر ما قدرت شگفت¬انگیزی را برای پردازش می¬دهد تا این کامپیوتر بتواند تریلیون¬ها محاسبات را در هر ثانیه برای ما انجام دهد.
چرا محاسبات کوانتومی مهم است؟
کامپیوترهای معمولی که از سیستم دودویی استفاده می¬کنند، وابسته به یک سری سوئیچ¬های برقی به نام ترانزیستورها هستند و باید بدانیم که برخی از ریزپردازنده¬های پیشرفته بیش از ۵ میلیون ترانزیستور را در خود دارند، پس با این اوصاف در مقدار کوچک کردن این ریزپردازنده¬ها محدودیت وجود دارد. برای این که قادر باشیم مسائل سخت و پیچیده محاسباتی را حل کنیم، نیاز به ترانزیستورهای بیشتری خواهیم داشت، در غیراین صورت اگر بخواهیم به ترانزیستورها اضافه نکنیم به جایی خواهیم رسید که نتوانیم بر مشکلات به وجود آمده در این محاسبات چیره شویم و به نوعی به یک بن¬بست محاسباتی برخورد خواهیم کرد. به همین دلیل است که جستجو برای یک روش جدید و کارآمد برای انجام اینگونه محاسبات، به امری بسیار مهم بدل شده است.
بیت¬های کوانتومی (qubit) چگونه تولید می¬شوند؟
یکی از چالش¬های موجود در محاسبات کوانتومی، مربوط به qubitهایی است که باید محاصره و دست¬کاری شوند. معمولاً این کار با بهره¬برداری از نقض¬های ساختاری اتمی در الماس¬ها انجام می¬شود، اما آقای David Schuster، استادیار گروه فیزیک در دانشگاه شیکاگو، یک روش پیدا کرده است که با استفاده از الکترون¬های موجود در رشته¬های تنگستن یک لامپ روشنایی کوچک، این کار را انجام می¬دهد.
آیا تابحال کامپیوترهای کوانتومی تابحال ساخته شده¬اند؟
بله، کامپیوتر کوانتومی فوق¬ پیشرفته D-Wave (www.dwavesys.com) مقدار ۱۰۰۰ عدد qubit را در بردارد، اما توسعه دادن این کامپیوتر اصلاً کار آسانی نبوده است و همچنین استفاده از آن طاقت¬فرسا است زیرا پردازنده آن را باید تا میزان -۲۷۳ درجه سلسیوس خنک کنیم، و به علاوه محققان باید شرایطی را برای برهم¬نهی کوانتومی برای آن به وجود آورند. برای تولید صفر و یک های مورد نیازی که ما را به حالت¬های نامتنهانی ممکن راهنمایی خواهند کرد، نیاز به استفاده از الگوریتم خاصی است. گفتن این جمله کافی است که: ما در ایام ابتدایی توسعه محاسبه کوانتومی قرار داریم.
پس کامپیوترهای کوانتومی تا کریسمس امسال به فروش نمی¬رسند؟
درواقع برای خرید این کامپیوتر باید در حدود ۱۰ میلیون دلار (معادل ۶٫۸ میلیون یورو) پرداخت کنید و با این حال همه چیز در حد تئوری خواهد بود. برای مثال، کامپیوتر D-Wave Two که دارای یک پردازنده¬ی ۵۱۲-qubit است برای استفاده¬های عمومی طراحی نشده است، پس تا اطلاع ثانوی شما قادر به انجام بازی بر روی آن نخواهید بود.
در سال ۲۰۱۵ مجله Time تصویر D-Wave را بر روی جلدش قرار داده بود، و عنوان “ماشین نامتنهایی” را به آن اختصاص داده بود و نوشته بود: “این دستگاه، حل کردن برخی از مشکل¬ترین و پیچیده¬ترین مسائل محاسباتی بشریت را تضمین می¬کند…و در واقع هیچ کس نمی¬داند که این دستگاه به چه صورتی کار می¬کند”.
آیا کسی نحوه کار کردن آن را می¬داند؟
کاملاً نه. این همان قسمتی از داستان است که مغز هرکسی را درگیر خود می¬کند. هنوز تردیدهای زیادی در مورد محاسبات کوانتومی و همچنین عدم قطعیت در مورد این که آیا اصلاً D-Wave یک ماشین کوانتومی است یا خیر، وجود دارد. اما جدیدترین شکل¬ها و توسعه¬های موجود از این دستگاه امیدوارکننده است، و سرعت¬های بالا و در حال افزایشی را به انسان می¬دهد. گفته می¬شود که یک کامپیوتر کوانتومی با پردازنده ۳۰۰-qubit می¬تواند قدرتی بیش از همه اتم¬های موجود در منظومه شمسی، داشته باشد.
محاسبات کوانتومی چقدر سریع¬تر است؟
طبق پژوهش انجام شده توسط گوگل (bit.ly/google399)، یک ماشین کوانتومی قادر است یک مجموعه از مسائل را با سرعتی ۱۰۰ میلیون برابر سریعتر از یک PC که دارای پردازنده تک هسته¬ای است، حل کند. این نتایج براساس انجام تست¬هایی با استفاده از کامپیوتر D-Wave 2X، که یک غول جستجو و متعلق به ناسا است، به دست آمده¬اند. این نتایج در Ames Research Center in Mountain View، در کالیفرنیا نگه-داری می¬شود، و دارای یک پردازنده¬ی تکی که از حلقه¬هایی از جنس سیم niobium ساخته شده است، و دارای طول ۱۰ پا است و مزیت آن این است که به سرعت خنک می¬شود.
آیا محاسبات کوانتومی در حافظه ابری استفاده خواهد شد؟
شاید بله. D-Wave می¬گوید که فراهم کردن دسترسی به کامپیوترهای کوانتومی از طریق سیستم¬های ابری نیازمند دستورالعمل¬ها و رویکردهای زیادی است. مسلماً، محققان IBM Research یک پردازنده کوانتومی را ساخته¬اند که شما می¬توانید به صورت آنلاین به آن دسترسی داشته باشید. سیستم IBM Quantum Experience (www.research.ibm.com/quantum) به شما اجازه می¬دهد که آزمایشات و الگوریتم¬های خود را اجرا کنید، با qubitهای تکی کار کنید و از آموزش¬های مفید در مورد آنها بهره¬مند شوید. این سیستم از پنج qubit فوق¬هادی ساخته شده است و گفته شده است که بسیار سریعتر از یک کامپیوتر معمولی است.
آیا غول¬های فناوری توجه ویژه¬ای به این فناوری دارند؟
کمپانی مایکروسافت از دو سال پیش شروع به انجام پژوهش در مورد محاسبات کوانتومی کرده است، و در تلاش است تا این فناوری را به واقعیت تبدیل کند تا بتواند به وسیله آن، سریعترین و قدرتمندترین پردازنده¬هایی را که تا کنون بشریت به خود دیده است، تولید کند. محققان در این کمپانی شروع به جستجو برای ذراتی به نام “آنیون” هستند با این امید که بتوانند از این ذرات در تولید qubit ها استفاده کنند (اگرچه هیچ کس با قطعیت نمی¬تواند بگوید که “آنیون¬ها” وجود دارند). از آن زمان، دانشمندان و مهندسان سعی در توسعه نرم¬افزار کوانتومی داشته¬اند، که نتایج این تلاش به نرم¬افزار Microsoft Quantum Challenge منجر شد، این نرم¬افزار شبیه¬ساز نمونه¬ای برای دانشجویان شد تا بتوانند حداقل به این فناوری پیچیده آشنا شوند.

Leave a Comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

It is main inner container footer text