کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می‌کند؟

MacTavish · 8/1/20

بیگ بنگ: کامپیوترهای کوانتومی با انجام تعداد غیرقابل تصوری عملیات در کوتاه‌ترین زمان ممکن، الهام‌بخش تخیل ما هستند. وظیفه اصلی‌شان اِفشای معادله‌های پیچیده است. اما چگونگی انجام این کار به این سادگی که تصور می‌کنید نیست.

به گزارش بیگ بنگ، اکنون شاهد دستاوردی بزرگ در توسعه کامپیوترهای کوانتومی هستیم. تیم تحقیقات «جان مارتینیس» از دانشگاه کالیفرنیا در سانتاباربارا گزارش کردند که به قدرت غیرقابل تصور محاسباتی در کامپیوترهای کوانتومی دست یافته‌اند که بر بزرگترین ابرکامپیوترهای جهان برتری دارد. این محققان که مورد حمایت شرکت گوگل نیز قرار داشتند، روز ۲۳ اکتبر نتایج تحقیقات خود را در مجله معتبر Nature منتشر ساختند.

این کامپیوتر کوانتومی یک کار ِ محاسبات ریاضی را در ۲۰۰ ثانیه انجام داد؛ یک ابرکامپیوتر عادی نیز برای انجام همین کار به ۱۰۰۰۰ سال زمان نیاز دارد. IBM در رویکردی متناقض بیان کرد که ابرکامپیوترش «Summit» که سریع‌ترین کامپیوتر دنیا در حال حاضر محسوب می‌شود، همین کار را میتواند در ۲.۵ روز انجام بدهد. در هر حال، کامپیوترهای کوانتومی سریع‌تر عمل کرده است. خب فایده این سرعتِ بالا برای ما چیست؟ و خودِ کامپیوترهای کوانتومی چیست؟ در مقاله زیر میخواهیم به برخی از نکات مهم درباره این فناوری پیچیده بپردازیم:

بیت و کیوبیت

دنیای محاسبات امروزمان به زبان دیجیتال است. یعنی از اعداد دوتایی(صفر و یک) یا «بیت» تشکیل شده است. در عمل، این بیت‌ها میتوانند مقدار صفر یا یک را داشته باشند که وضعیت‌های بار الکترونیکی را در ترانزیستورها و تراشه‌ها نشان میدهد. در دنیای فیزیک کوانتومی، قضیه پیچیده‌تر می‌شود و «کیوبیت» یا بیت کوانتومی به کار می رود. کیوبیت‌ها نه تنها می‌توانند وضعیت صفر و یک را بطور همزمان داشته باشند، بلکه می‌توانند همۀ وضعیت‌ها را بصورت یک در میان، تجربه کنند.

برای اینکه این ایده را به شکل بهتری در ذهن تصور کنید، یک سکه را در نظر بگیرید. با یک بیت دیجیتال، سکه یا شیر می آید یا خط؛ پس بحثِ صفر و یک اینجا مطرح است. اما برای یک کیوبیت، سکه‌ای را تصور کنید که روی میزی در حال چرخش است. هنوز نیفتاده است، پس فعلا نمیتوانید تصمیم بگیرید که شیر خواهد آمد یا خط.

«اروین شرودینگر» این پارادوکس را در سال ۱۹۳۵ میلادی با استفاده از مثالِ گربه‌ای که درون جعبه قرار دارد، توضیح داد. یک ماده رادیواکتیو و مقداری سم نیز درون جعبه قرار دارد. در نقطه‌ای معین در زمان، نمی‌توان گفت گربه زنده است یا مُرده. متعاقبا، میتواند هر دو حالت را بطور همزمان داشته باشد. تنها زمانیکه جعبه باز شود، می‌توان با قاطعیت گفت که گربه زنده است یا جان باخته است. در فیزیک، این مسئله در طول اندازه‌گیری به وقوع می‌پیوندد؛ سپس وضعیت کوانتومی به پایان می‌رسد. این دو اگر در جعبه‌های مختلفی قرار بگیرند، به سامانه‌های کوانتومی درهم تنیده تبدیل می‌شوند.

درهم تنیدگی کوانتومی

امکانِ درک این پدیده با منطق فیزیک قراردادی وجود ندارد. «آلبرت اینشتین» آن را «اثر شبح‌وار» توصیف کرد. دو سامانه کوانتومی (مثل کیوبیت‌ها) با وضعیت‌شان همبستگی دارند(وضعیت یکسانی دارند)، اما تا زمانیکه وضعیت‌شان تعیین نشده باشد. در مدل سکه، شبیه این است که دو سکه بطور همزمان می‌چرخند. مهم نیست آنها چه فاصله‌ای از همدیگر دارند، هر دو وضعیت یکسانی دارند. لحظه‌ای که سکه به یک طرف می افتد و وضعیت آن مشخص و ثابت می‌شود، درهم تنیدگی کوانتومی از هم فرومیپاشد. این به گربه شرودینگر شباهت دارد. اگر دو جعبه گربه داشتید، درهم تنیدگی کوانتومی میان آنها برقرار می‌بود، اما تا زمانیکه جعبه‌ها بسته باشند.

افزایش تصادفی قدرت محاسباتی

چون کیوبیت‌ها می‌توانند بطور همزمان وضعیت‌های متعددی داشته باشند، همچنین می‌توانند عملیات محاسبات ریاضیِ بیشتری در مقایسه با بیت‌های عادی انجام بدهند. از دیدگاه نظری، قدرت محاسبات کامپیوترهای کوانتومی بصورت تصاعدی با تعداد کیوبیت‌ها رو به افزایش می‌گذارد. چون بر شیب منحنی افزوده می‌شود، باید افزایش تعداد کیوبیت‌ها به میزان اندک کفایت کند تا قدرت محاسباتی بسیار سریع حاصل آید. از منظر عملی، شرایط متفاوت به نظر می‌رسد. کل ماجرا تنها زمانی کارساز واقع می‌شود که همه شرایط مهیا شده باشند. میزان خطا باید به حداقل برسد.

درهم تنیدگی کوانتومی میان کیوبیت‌ها باید به درستی عمل نماید. حتی کوچکترین سوء عملکرد میتواند منجر به فروپاشی و ناکارآمدی قدرت محاسبات شود. چالشی که پیش روی طراحان کامپیوتر کوانتومی قرار دارد، نه تنها این است که کیوبیت‌های بیشتری در تراشه‌ها تعبیه کنند، بلکه دقت را نیز حفظ نمایند. گوگل فرایندِ تصحیح خطای خود را برای این منظور طراحی کرده است و به دقت ۹۹.۹۹ درصد هم می‌رسد.

کامپیوترهای کوانتومی چه شکل و شمایلی دارد؟

در نگاه اول، کامپیوترهای کوانتومی به چلچراغ‌های غول‌پیکری شباهت دارند که از سیم‌ها و لوله‌های مسی ساخته شده‌اند؛ کارشناسان هم ساختار آن را به چلچراغ تشبیه می‌کنند. هسته‌ی آن دارای تراشه ابررسانایی است که کیوبیت‌ها روی آن بصورت یک الگوی تخته شطرنج چیده شده‌اند. کامپیوتر کوانتومی گوگل ۵۴ کیوبیت دارد، اگرچه یکی از آنها کار نکرد. کیوبیت‌های روی تراشه، خازن‌های کوچکی از جنس نیوبیوم هستند؛ نیوبیوم یک عنصر شیمیایی می‌باشد که به سختیِ تیتانیوم است. مشابهِ سکه‌های در حالِ چرخش، تغییرات آنها مجبور به نوسان هستند.

به عبارت دیگر، هیچ وضعیت ثابتی ندارند. جفت‌گرهای قابل تنظیم کوچکی میان آنها وجود دارد. اینها از آنتن‌های بسیار کوچکی تشکیل یافته‌اند که به ریزموج‌ها واکنش نشان می‌دهند. میتوان گفت که تراشه ابررسانا در یک میدان ریزموج الکترومغناطیسی واقع شده است. این تراشه میتواند در دمای نزدیک به صفر مطلق همچنان به فعالیت خود ادامه بدهد. برای مثال، در کامپیوترهای کوانتومی IBM، دما معادل ۰.۰۱۵ درجه کلوین است. چنین دماهای پایینی فقط با غرق کردنِ کامپیوترهای کوانتومی در محفظه‌ای از هلیوم مایع حاصل می آید.

آیا کامپیوترهای کوانتومی از لینوکس پشتیبانی می‌کنند؟

نخیر. نرم افزارِ کامپیوترهای کوانتومی به هیچ وجه قابل مقایسه با کامپیوترهای دودوئی دیجیتال نیست. کارشناسان گوگل برای آزمایش عملکرد کامپیوتر کوانتومی‌شان یک عملیات نمونه‌برداری عدد تصادفی ریاضیِ پیچیده طراحی کردند که نیازمند ظرفیت‌های محاسباتی بزرگ و پیچیده می‌باشد. کامپیوترهای کلاسیک اصلا توان انجام چنین عملیاتی را ندارند. آینده‌نگرها ابراز امیدواری کردند کامپیوترهای کوانتومی روزی می‌توانند به دشوارترین رموز رسوخ کنند. همچنین میتوانند شبیه‌سازی‌های بسیار بهتری انجام دهند، به هسته مرکزی سامانه‌های کنترل ترافیک تبدیل شوند و کاربردهای داده‌ای دیگری داشته باشند. اما این کار هنوز از مرحلۀ تخیل خارج نشده است.

تا به الان، نمیتوان پیش‌بینی کرد که کامپیوترهای کوانتومی آیا کارهای مفیدتری را که در حال حاضر ابرکامپیوترها انجام میدهند، به شکل بهتری انجام خواهند یا خیر. اکنون تحقیقات به جایی رسیده که نشان میدهند این اصل چگونه کار می‌کند. محققان اعلام کردند هنوز راهی طولانی در پیش است و هنوز ثابت نشده که آیا کامپیوترهای کوانتومی میتوانند برای ساعت‌ها، روزها یا حتی سال‌ها بطور پایدار و باثبات به کارهای عملیاتی‌شان ادامه بدهند یا خیر. افزون بر این، کامپیوترهای کوانتومی دارای منطق برنامه‌نویسی کاملا متفاوتی با کامپیوترهای عادی هستند. برنامه‌نویسان البته مشغول نوشتن برنامه‌هایی مختص این نوع کامپیوترها هستند، ولی این کار بسیار پیچیده و زمانبر است.