کامپیوتر های کوانتومی

محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی به بهره برداری از ویژگی های مشترک حالت های کوانتومی، مانند در هم تنیدگی و بر هم نهی کوانتومی، برای انجام محاسبات گفته می شود. دستگاه هایی که محاسبات کوانتومی را انجام می دهند، به عنوان کوانتوم کامپیوتر ها شناخته می شوند. این باور وجود دارد که کامپیوتر های کوانتومی می توانند مسائل ریاضی زمان بر مانند فاکتورگیری که کامپیوتر های کلاسیک مدت زمان زیادی برای حلشان نیاز دارند را در زمان بسیار کمتری حل کنند.

کامپیوتر های کوانتومی

تعریف

کامپیوتر هایی هستند که از محاسبات کوانتومی برای پردازش استفاده می کنند.

نحوه کار

کامپیوتر های کوانتومی محاسبات را بر اساس احتمال وضعیت یک شی قبل از اندازه گیری آن، است(به جای فقط 0 یا 1) که به این معنی است که آنها توانایی پردازش اطلاعات به صورت تصاعدی بیشتری را نسبت به کامپیوتر های کلاسیک انجام دهند.

کامپیوتر های کلاسیک اعمال منطقی را با استفاده از حالت های دقیق یک وضعیت فیزیکی انجام می دهند. این حالت ها معمولا باینری هستند به این معنی که اعمال آنها بر اساس یکی از دو حالت است. یک وضعیت تکی مانند روشن یا خاموش، بالا یا پایین، 1 یا 0، به عنوان “بیت” شناخته می شود.

کامپیوتر های کوانتومی، این اعمال به جای بیت، از وضعیت کوانتومی یک شی استفاده می کنند که به آن کیوبیت گفته می شود. این وضعیت ها، ویژگی های مشخص نشده ی یک شی قبل از شناسایی شدن هستند، مانند چرخش یک الکترون یا قطبی شدن یک فوتون.

به جای داشتن یک حالت مشخص، وضعیت های کوانتومی اندازه گیری نشده، در یک برهم نهی مخلوط اتفاق می افتند، تقریبا مانند وضعیت یک سکه در حال چرخش در هوا قبل از اینکه در دستتان فرود بیاید.

این برهم نهی ها می توانند با درهم نهی های شی های دیگر، در هم بپیچند، به این معنی که وضعیت پایانی آنها از لحاظ ریاضی مرتبط خواهد بود.

ریاضیات پیچیده ی مربوط به وضعیت های نامشخص سکه های در حال چرخش، می توانند به الگوریتم های ویژه ای داده شوند تا این دسته مسائل را در سریع ترین حالت ممکن حل کنند. مسائلی که کامپیوتر های معمولی، اگر اصلا بتوانند آنها را حل کنند، زمان زیادی برای حل آنها نیاز دارند.

این الگوریتم ها میتوانند در زمینه های حل مسائل پیچیده ی ریاضی، تولید رمز های سخت که قابل شکستن نیستند یا پیشبینی کردن دقیق برخورد ذرات در یک واکنش شیمیایی و… قابل استفاده باشند.

ساختار

سخت افزار یک کامپیوتر کوانتومی از چهار لایه ی فرضی تشکیل می شود: “لایه داده کوانتومی(Quantum data plane)” که در آن کیوبیت ها ساکن اند، “لایه کنترل و اندازه گیری” که مسئولیت انجام عملیات ها و اندازه گیری ها روی کیوبیت ها را بر عهده دارد، “لایه کنترل پردازش” که ترتیب انجام عملیات ها و اندازه گیری ها که الگوریتم نیاز دارد را مشخص می کند و “پردازنده ی میزبان“، یک کامپیوتر کلاسیک که دسترسی به شبکه ها، آرایه های ذخیره سازی بزرگ، و رابط های کاربری را فراهم می کند.

تاریخچه محاسبات کوانتومی

مبحث محاسبات کوانتومی در سال 1980 میلادی، با طرح یک مدل کوانتوم مکانیکی از ماشین تورینگ توسط پال بنیُف(Paul Benioff) آغاز شد. بعد از او ریچارد فینمن(Richard Feynman) و یوری مانین (Yuri Manin) پیشنهاد کردند که یک کامپیوتر کوانتومی توانایی شبیه سازی چیز هایی را دارد که یک کامپیوتر کلاسیک در مدت زمان امکان پذیر نمیتواند انجام دهد.

بر خلاف پیشرفت ها در زمینه ی آزمایش های محاسبات کوانتومی که در تا اواخر دهه ی 1990 در حال رخ دادن بود، بیشتر محققان بر این باور بودند که محاسبات کوانتومی که توانایی تحمل خطا را داشته باشند و بتوانند مسائلی را حل کنند هنوز رویایی دور است.

در سال 1998، ایزاک چوانگ، نیل گرشنفلد و مارک کوبینِک اولین کامپیوتر کوانتومی با 2 کیوبیت را ساختند که می توانست داده بگیرد و در خروجی، راه حل بدهد.

در اواخر سال 2019 میلادی، Google AI با همکاری ناسا، ادعا کردند که با استفاده از کامپیوتر کوانتومی با 54 کیوبیت به نام Sycamore، محاسبات کوانتومی ای را انجام داده اند که هیچ کامپیوتر کلاسیکی در مدت زمان موجود امکان حل آن را ندارد.

در سال 2020 محققان چینی ادعا کردند که با استفاده از کامپیوتر کوانتومی ای به نام جیوژانگ دارای 76 کیوبیت، به برتری کوانتومی رسیده اند که محاسباتی را در سرعتی در حد 100 میلیارد برابر سرعت کامپیوتر های کلاسیک انجام داده است.

کامپیوتر های کوانتومی

کامپیوتر های کوانتومی

کامپیوتر های کوانتومی

کامپیوتر های کوانتومی