رایانش کوانتومی: تفاوت میان نسخه‌ها

'''رایانهٔ کوانتومی''' {{به انگلیسی|Quantum computing}} ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین [[مکانیک کوانتوم]] مانند [[برهم نهی کوانتومی|برهم نهی]] (Superposition) و [[درهم‌تنیدگی کوانتومی|درهم تنیدگی]] (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده می‌کند.

کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی با کامپیوترهایرایانه‌های فعلی که با [[ترانزیستور]]ها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، [[ماشین تورینگ]] کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتررایانه کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود.

اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آن‌ها عملیات [[محاسبات کوانتومی]] روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده‌است. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و [[تحلیل رمز]]، Cryptanalysis) حمایت می‌کنند.

اگر کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال [[الگوریتم شور|الگوریتم شُور]]، Shor's Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهایرایانه‌های کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترهارایانه‌ها [[تز چرچ-تورینگ|نظریه چرچ-تورینگ]] را رد نمی‌کنند. کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.

در نانوتکنولوژی به آن‌ها بیت‌های کوانتومی یا [[کیوبیت]] گفته می‌شود. اندازه آن‌ها در حد چند نانومتر است و از انواع مواد همچون [[سلنید کادمیوم]] -که رنگ‌های مختلفی را تولید می‌کند- ساخته می‌شوند. کاربردهای بالقوه آن‌ها در مخابرات و اپتیک است. نانوذرات فلورسنت -که تا پیش از تابش ماوراءبنفش نامرئی هستند- ساختار نانوبلوری قادر به تغییر رنگ از دیگر تعاریف آنهاست. نقاط کوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارد؛ لذا استفاده از آن‌ها در ساخت کامپیوترهایرایانه‌های نانومقیاس بهره‌گیرنده از نور برای [[پردازش اطلاعات]] مناسب است.

== اصول گزیده‌ای از کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی ==

آنچه امروزه آن را [[علوم رایانه|دانش کامپیوتررایانه]] یا [[الکترونیک دیجیتال]] می‌نامیم مرهون و مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) است. وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آن را ماشین تورینگ می‌نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح آن است. وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عددنویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین‌های مکانیکی مرسوم بود، انقلابی عظیم را در این زمینه به وجود آورد. پس از نظریه طلایی تورینگ، دیری نپایید که «جان فون نویمان» یکی دیگر از نظریه پردازان بزرگ قرن بیستم موفق شد ماشین محاسبه‌گری را بر پایه طرح تورینگ و با استفاده از قطعات و مدارات الکترونیکی ابتدایی بسازد. به این ترتیب دانش کامپیوتررایانه به تدریج از ریاضیات جدا شد و امروزه خود زمینه‌ای مستقل و در تعامل با سایر علوم به‌شمار می‌رود. گیتهای پیشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخیره و بازیابی بسیار حجیم و کوچک، افزایش تعداد عمل در واحد زمان و غیره از مهم‌ترین این پیشرفت‌ها در بخش سخت‌افزاری محسوب می‌شوند. در ۱۹۶۵ «گوردون مور» اظهار کرد که توان کامپیوترهارایانه‌ها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام این سال‌ها، تلاش عمده در جهت افزایش قدرت و سرعت عملیاتی در کنار کوچک‌سازی زیر ساختها و اجزای بنیادی بوده‌است. نظریه مور در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ میلادی تقریباً درست بود. اما از ابتدای دهه ۸۰ میلادی و با سرعت گرفتن این پیشرفت‌ها، شبهات و پرسش‌هایی در محافل علمی مطرح شد که این کوچک سازی‌ها تا کجا می‌توانند ادامه پیدا کنند؟ کوچک کردن ترازیستورها و مجتمع کردن آن‌ها در فضای کمتر نمی‌تواند تا ابد ادامه داشته باشد زیرا در حدود ابعاد نانومتری اثرات کوانتومی از قبیل تونل زنی الکترونی بروز می‌کنند. گرچه همیشه تکنولوژی چندین گام بزرگ از نظریه عقب است، بسیاری از دانشمندان در زمینه‌های مختلف به فکر رفع این مشکل تا زمان رشد فناوری به حد مورد نظر افتادند. به این ترتیب بود که برای نخستین بار در سال ۱۹۸۲ «[[ریچارد فاینمن]]» معلم بزرگ فیزیک و برنده [[جایزه نوبل]]، پیشنهاد کرد که باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم کرد که بسیار متفاوت از قبلی است و نه تنها مشکلات گذشته و محدودیت‌های موجود را بر طرف می‌سازد، بلکه افق‌های جدیدی را نیز به این مجموعه اضافه می‌کند. این پیشنهاد تا اوایل دهه ۹۰ میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در ۱۹۹۴ «پیتر شور» از آزمایشگاه AT&T در آمریکا نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت. به این ترتیب ارتباط نوینی بین [[نظریه اطلاعات]] و مکانیک کوانتومی شروع به شکل‌گیری کرد که امروز آن را محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانومتری (nano computing) می‌نامیم. در واقع هدف محاسبات کوانتومی یافتن روش‌هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده محاسبات (مانند گیت‌ها و ترانزیستورها) به گونه ایست که بتوانند تحت اثرات کوانتومی، که در محدوده ابعاد نانومتری و کوچکتر بروز می‌کنند، کار کنند.

کامپیوتررایانه تنها بخشی از دنیایی است که ما آن را دنیای دیجیتالی می‌نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می‌شود. اما کمتر از یک دهه است که روش بهتر و قدرتمندتر دیگری برای پردازش اطلاعات پیش رویمان قرار گرفته که بر اساس مکانیک کوانتومی می‌باشد. این روش جدید با ویژگی‌هایی همراه است که آن را از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می‌سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترهارایانه‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین‌کننده‌ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلس بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود؛ بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می‌کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می‌سازد. این پدید ه‌ها عبارتند از: برهم نهی(superposition)، تداخل (interference), Entanglement، عدم موجبیت (non determinism)، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability). برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.

در [[فیزیک کلاسیک]] برای نگهداری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می‌شود. در سیستم‌های کلاسیکی اولیه (کامپیوترهایرایانه‌های مکانیکی) از موقعیت مکانی دندانه‌های چند [[چرخ دنده]] برای نمایش اطلاعات استفاده می‌شد. از زمانی‌که حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم‌های دو حالتی انتخاب‌های ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک [[مدار الکتریکی]] است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد.

بین کامپیوترهایرایانه‌های کلاسیک و کامپیوترهایرایانه‌های کوانتومی نسل آینده تفاوت اساسی وجود دارد. یک کامپیوتررایانه کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک دستورات از پیش تعیین شده‌ای را اجرا می‌کند، اما یک کامپیوتررایانه کوانتومی دستگاهی است که یک پدیدهٔ فیزیکی را بر اساس مکانیک کوانتومی به صورت منحصربه‌فردی درمی‌آورد

تا به صورت اساسی یک حالت جدید از پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در یک کامپیوتررایانه معمولی اطلاعات به صورت یک سری بیت کد کذاری می‌شوند و این بیت‌ها از طریق گیتهای منطقی بولین که سری هستند برای نتیجهٔ نهایی دستکاری می‌شوند به‌طور مشابه یک کامپیوتررایانه کوانتومی، کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی را با اجرای یک از گیت‌های کوانتومی دستکاری می‌کند و هر واحد انتقال بر روی یک تک کوبیت یا یک جفت کوبیت عمل می‌کند. با به کار بردن این کمیت‌های متوالی یک کامپیوتررایانه کوانتومی می‌تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه‌ای از کوبیت‌ها در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند.

در سال ۲۰۱۱ شرکت کامپیوتریرایانه‌ای [[D-Wave Systems]] اولین رایانهٔ کوانتومی قابل عرضه در بازار را معرفی کرد. این کامپیوتررایانه D-Wave One نام دارد و از یک پردازنده ۱۲۸ [[کیوبیت|کیوبیتی]] بهره می‌گیرد. در سال ۲۰۱۳ هم رایانهٔ کوانتومی [[D-Wave Two]] از همین شرکت عرضه شد. تعدادی از محققین، در مورد این دو کامپیوتررایانه ابراز شک و تردید کردند.

یک رایانه کوانتومی که دارای تعدادی بیت کوانتومی است، اساساً با کامپیوتررایانه کلاسیک که دارای همان تعداد بیت است متفاوت است. برای مثال برای نشان دادن حالت سیستم n بیت کوانتومی روی کامپیوتررایانه کلاسیک، احتیاج به ذخیره n ضریب مختلط است. اگرچه به نظر می‌رسد که بیت کوانتومی می‌تواند اطلاعات را به‌طور نمایی بیشتر از همتایان کلاسیک خود نگه دارد؛ نباید از این حقیقت بیتهای کوانتومی که فقط احتمال انطباق در همه حالت هایشان هستند، چشم پوشی کنیم. به این معنی که وقتی حالت نهایی بیت کوانتومی اندازه‌گیری شود، آن‌ها فقط در یکی از تنظیمات ممکن که قبلاً اندازه‌گیری شده‌اند یافت می‌شوند. علاوه بر این اگر فکر کنیم که بیتهای کوانتومی فقط در یک حالت ممکن قبل از اندازه‌گیری وجود داشته اند، نادرست است. چرا که این حقیقت وجود دارد که آن‌ها در حالت‌های منطبق قبل از اینکه اندازه‌گیری شوند روی نتایج احتمالی محاسبات تأثیر مستقیم دارند.

برای مثال کامپیوتررایانه کلاسیک اولیه را در نظر بگیرید که با حافظه ۳ بیت کار می‌کند. کامپیوتررایانه در هر زمان، یک [[توزیع احتمال]] با ۸ حالت مختلف دارد. اگر یک کامپیوتررایانه مطمئن باشد، پس قطعاً حالتی وجود دارد که احتمال وجود آن حالت ۱ است. اگر کامپیوتررایانه یک کامپیوتررایانه احتمالی (غیر قطعی) باشد، احتمال این وجود دارد که کامپیوتررایانه در هر یک از حالت‌های مختلف قرار بگیرد. ما می‌توانیم هریک از این حالت‌های احتمالی را با ۸ عدد توصیف کنیم. باید در نظر گرفت که مجموع احتمالات این حالتها برابر با یک خواهد بود.

محاسبه فاکتورگیری [[عدد صحیح]] به وسیلهٔ یک کامپیوتررایانه معمولی برای [[اعداد صحیح]] بزرگ، در صورتی که این اعداد حاصل چند عدد اول هستند (بعنوان مثال [[حاصل ضرب]] ۲ عدد اول ۳۰۰ رقمی) غیرممکن است. در مقایسه، یک رایانه کوانتومی می‌تواند به صورت مؤثری مشکل پیدا کردن این عامل‌ها را با استفاده از الگوریتم Shore حل کند. این قابلیت رایانه کوانتومی را قادر می‌سازد بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری امروزه را رمز گشایی کند، به این معنی که یک الگوریتم زمانی (در تعداد ارقام عدد صحیح) چند جمله‌ای برای [[حل مسئله]] وجود خواهد داشت. به ویژه مبنای بسیاری از رمزهای [[کلید عمومی]] متداول، مشکل بودن فاکتورگیری اعداد صحیح (یا مسائل الگوریتم مجزای مربوطه که به سادگی با الگوریتم Shore قابل حل است) شامل حالتهای مختلف RSA می‌باشد. این روش‌ها برای ایمن کردن صفحات WEB، رمز کردن ایمیل و بسیاری انواع دیگر دیتا بکار می‌رود. شکستن این‌ها پیامدهای مهمی برای محرمانگی و امنیت الکترونیکی خواهد داشت.

شرکت گوگل روز چهارشنبه ۲۳ اکتبر به‌طور رسمی اعلام کرد به [[برتری کوانتومی]] دست یافته‌است. محققان این شرکت در مقاله‌ای در نشریه علمی [[نیچر]] گفته‌اند با دستیابی به فناوری جدید، انجام محاسبه‌ای که با پیشرفته‌ترین کامپیوتررایانه حال حاضر جهان موسوم به «سامیت» ۱۰ هزار سال طول می‌کشد در ۳ دقیقه و ۲۰ ثانیه امکان‌پذیر شده‌است.<ref>{{یادکرد وب |عنوان=گوگل دستیابی به برتری کوانتومی را تأیید کرد | Euronews |نشانی=https://farsi.euronews.com/2019/10/24/google-announces-official-quantum-supremacy-trump-signed-national-quantum-ex-order |وبگاه=Euronews |تاریخ بازبینی=24 اکتبر 2019}}</ref>