رایانش کوانتومی چیست و اساس کار آن چگونه است؟

 این مطلب یکی از مجموعه مقاله‌های پرونده ویژه «کامپیوترهای کوانتومی» است که در شماره ۱۸۹ ماهنامه شبکه منتشر شد. برای دانلود این پرونده ویژه می‌توانید اینجا کلیک کنید. 

همین موضوع باعث شده است تا پردازنده‌های مرکزی کامپیوترها به‌سرعت به‌سمت محدودیت‌های فیزیکی خود نزدیک شوند، به‌طوری که قانون مور اکنون در مرز خطر قرار گرفته است. محدودیت‌های فیزیکی سیلیکون باعث شده است تا تولیدکنندگان پردازنده‌ها در زمینه افزایش تعداد ترانزیستورها با محدودیت‌هایی روبه‌رو شوند. کارشناسان پیش‌بینی کرده‌اند، قانون مور در خوشبینانه‌ترین حالت تا ده سال دیگر پایدار خواهد بود و در ظاهر این‌گونه به‌نظر می‌رسد که لیتوگرافی 7 نانومتری پردازنده‌ها پایانی بر عمر این قانون خواهد بود. این مشکلات باعث شده است تا غول‌های عرصه فناوری به‌فکر جایگزینی برای سیلیکون باشند. در حالی که نانوله‌های کربنی جایگزین مناسبی برای ترانزیستورهای سیلیکونی امروزی هستند، اما به‌واسطه مشکلاتی که دارند به‌سختی می‌توان از آن‌ها در مقیاس عمومی به‌شکلی که مقرون به‌صرفه باشد استفاده کرد. در نتیجه آی‌بی‌ام، گوگل، مایکروسافت، دی‌ویو سیستمز وغیره به‌دنبال آن هستند تا رایانش کوانتومی را در مقیاس عمومی و آن هم در سریع‌ترین زمان ممکن به واقعیت عینی تبدیل کنند. رایانشی که بر پایه قوانین فیزیک کوانتوم کار می‌کند. در دنیای کوانتوم ذرات مواد یا به‌عبارت دقیق‌تر کیوبیت‌ها می‌توانند در آن واحد صفر، یک و هر دو این مقادیر را داشته باشند. به‌حالت آخر در دنیای کوانتوم برهم‌نهی می‌گویند. 

مطلب پیشنهادی

مقدمه پرونده ویژه کامپیوترهای کوانتومی

کوانتوم محدودیت‌ها را درهم می‌شکند

طراحی و ساخت کامپیوترهای کوانتومی بیش از آنچه تصورش را می‌کنید اهمیت دارد. در سال 2012 و در حالی که بسیاری از کارشناسان پیش‌بینی کرده بودند جایزه نوبل فیزیک به پژوهشی که در ارتباط با ذره گریزان بوزون هیگز انجام شده است، اهدا خواهد شد، مسیر خود را تغییر داد و به‌دست دو تن از پژوهشگران حوزه فیزیک کوانتوم (اپتیک کوانتومی) سرگئی هاروچ و دیوید جی واینلند رسید. (سال بعد دو دانشمند انگلیسی و بلژیکی به‌نام‌های پیتر هیگز و فرانسوا انگلرت موفق شدند جایزه نوبل را در زمینه کشف ذره گریزان بوزون هیگز دریافت کنند.) افرادی که با اصول اولیه الکترونیک آشنایی دارند به‌خوبی از اتفاقاتی که درون سیستم‌‌ کامپیوتری آن‌ها رخ می‌دهد با خبر هستند. به‌سبب آنکه اصولی که در زمینه ساخت ترانزیستورها مورد استفاده قرار می‌گیرد تقریباً یکسان بوده و تنها اندازه و مقیاس است که ممکن است متفاوت باشند. ایده شکل‌گیری کامپیوترهای کوانتومی به دهه 80 میلادی بازمی‌گردد. زمانی ‌که ریچارد فایتمن پیشنهاد کرد محاسبات را باید از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به‌نام دنیای کوانتوم کرد. دنیایی که بسیاری از مشکلات رایج امروزی را نداشته و افق‌های جدیدی را پیش روی فناوری قرار می‌دهد. این ایده تا سال 1994 که پیتر شور در آزمایشگاه AT&T این نظریه را مورد بررسی قرار داد و تقریباً گام‌های اولیه را در این زمینه برداشت، دست‌نخورده باقی مانده بود. 

شکل 1- بیت‌ کلاسیک و سنتی در مقابل کوبیت کوانتومی

از سال 1994 به بعد بود که نظریه اطلاعات و مکانیک کوانتوم در تعامل مستقیمی با محاسبات نانومتری nano computing وارد مرحله تازه‌ای شدند. مرحله‌ای که اکنون به‌نام محاسبات کوانتومی با آن آشنا هستیم. محاسبات کوانتومی با هدف ارائه راه ‌حل‌هایی برای طراحی مجدد ترانزیستورها و دستگاه‌های الکترونیکی بر مبنای نظریه کوانتوم شکل گرفت. راه‌ حلی که می‌گوید ترانزیستورها را می‌توان در ابعاد نانومتری و به‌شکل کوچک‌تری طراحی کرد. در همان ایام بود که اصطلاح جدیدی به‌نام کیوبیت/ کوبیت (qubit) یا همان بیت کوانتومی برای اولین بار مطرح شد. به‌طور معمول و استاندارد در یک سیستم باینری که به سیستم دودویی معروف است، یک بیت کوچک‌ترین و اصلی‌ترین واحد ذخیره‌سازی اطلاعات در کامپیوترها به‌شمار می‌رود.

در دنیای کوانتوم ذرات مواد یا به‌عبارت دقیق‌تر کیوبیت‌ها می‌توانند در آن واحد صفر، یک و هر دو این مقادیر را داشته باشند. 

بیت در یک لحظه می‌تواند یکی از دو رقم صفر یا یک (حالت روشن و یا خاموش) را به‌خود اختصاص دهد. اما در منطق کوانتومی یک بیت می‌تواند صفر، یک یا هر دو حالت را به‌طور هم‌زمان داشته باشد. به‌عبارت دیگر، اگر در سیستم‌های فعلی یک سیستم می‌تواند یک فرآیند را بررسی کند، یک کامپیوتر کوانتومی این توانایی را دارد تا فرآیندهای بسیار زیادی را مورد ارزیابی قرار دهد. به‌طور مثال، اگر یک کامپیوتر فرضی دارای 8 بیت حافظه باشد یک کامپیوتر می‌تواند مشتمل بر 256 حالت ممکن باشد که از این 256 حالت ممکن در یک لحظه فقط می‌تواند در یک حالت قرار بگیرد. اما در یک کامپیوتر کوانتومی یک کوبیت می‌تواند صفر، یک یا هر دو حالت را به‌طور هم‌زمان داشته باشد که در نتیجه یک کامپیوتر کوانتومی 8 کوبیتی در یک لحظه می‌تواند به‌طور هم‌زمان در 256 وضعیت محاسباتی قرار داشته و زمانی ‌که به نتیجه محاسبات نیاز است، در یک وضعیت ممکن قرار گرفته و مابقی محاسبات را به‌صورت موازی ارائه کند. شکل 1 به‌خوبی تفاوت میان یک بیت کلاسیک و یک بیت کوانتومی را نشان می‌دهد.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟
عملکرد کامپیوترهای کوانتومی بر مبنای پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم همچون برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی در محاسبات‌شان استوار شده است. به‌بیان ساده این دو مفهوم به ما می‌گویند، تعدادی از ذرات ریز یک اتم می‌توانند در یک لحظه در دو حالت متفاوت قرار داشته باشند. همین موضوع به کامپیوترهای کوانتومی این امکان را می‌دهد تا محاسبات بسیار پیچیده‌ای همانند رمزگذاری‌های ریاضی را انجام داده یا آن‌ها را در هم شکنند. به‌طور مثال، کامپیوتر کوانتومی جدید دی‌‌ویو با موفقیت توانست الگوریتم‌هایی که روی کامپیوترهای سنتی اجرا می‌شوند را با سرعتی به‌مراتب بالاتر اجرا کند. کوبیت مهم‌ترین مؤلفه‌ای است که در کامپیوترهای کوانتومی قرار دارد. 

کوبیت مهم‌ترین مؤلفه‌ای است که در کامپیوترهای کوانتومی قرار دارد. 

به‌طور کلی، رایانش کوانتومی از سه رویکرد اصلی مکانیک کوانتومی به‌منظور انجام پردازش‌های سنگین استفاده می‌کند. برهم‌نهی کوانتومی (Superposition of Quantum)، تونل‌زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) و درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) سه مفهوم اصلی مکانیک کوانتوم به‌شمار می‌روند که امروزه در دنیای محاسبات کوانتومی به‌شکل عملی از آن‌ها استفاده می‌شود. برهم‌نهی کوانتومی اشاره به این موضوع دارد که یک کوبیت در یک لحظه می‌تواند دو مقدار صفر یا یک را به خود اختصاص داده باشد. این رویکرد درست در نقطه مقابل منطق دودویی قرار دارد. تونل‌زنی کوانتومی به‌معنای انتقال اطلاعات از یک کوبیت به کوبیت دیگر است. این انتقال در شرایطی رخ می‌دهد که داده‌ها در هیچ فضای واسط دیگری قرار نداشته باشند.

با استفاده از تونل‌زنی کوانتومی این امکان وجود دارد تا خاصیت موج‌‌ذره در یک جسم را توصیف کرد. درهم‌تنیدگی کوانتومی به تأثیرپذیری از ویژگی‌های یک کوبیت از دیگری در شرایطی که ممکن است در مکان‌های متفاوتی قرار داشته باشند اشاره دارد. حال برای آنکه بتوان از چنین ساز و کاری استفاده کرد باید برنامه‌نویسی این سیستم به‌شکلی باشد که از درهم‌تنیدگی به‌منظور پیکربندی و همچنین تنظیم وابستگی خواص در کوبیت‌های همسایه استفاده کند. جاوای کوانتومی از اولین زبان‌های برنامه‌نویسی کوانتومی است که به‌نظر می‌رسد خیلی زودتر از کامپیوترهای کوانتومی بزرگ به میدان وارد شده است. همچنین به این نکته توجه داشته باشید، کامپیوترهای کوانتومی تنها زمانی می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند که دمای نزدیک به صفر کلوین باشند. امروزه بسیاری از شرکت‌ها با این چالش بزرگ روبه‌رو شده‌اند، چالشی که دی‌‌ویو سیستمز مدت‌ها پیش آن ‌را پشت سر گذاشته است. 
 
چه تفاوتی میان کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی وجود دارد؟
پروفسور لاورنس کراوس فیزیک‌دان صاحب نام و نویسنده کتاب «آفرینش از هیچ» در این ارتباط می‌گوید: «در یک کامپیوتر سنتی شما با گروهی از یک‌ها و صفرها که در مکانیسم دودویی مورد استفاده قرار می‌گیرند سر و کار دارید. این سیستم امروزه برای انجام محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرد. تصور کنید یک ذره بنیادی در حال چرخش را در اختیار دارید. این ذره بسته به اینکه در چه جهتی قرار دارد، در حال چرخش است. این چرخش ممکن است از بالا به پایین باشد. حال اگر تعداد زیادی از این ذرات را در اختیار داشته باشیم، این توانایی را داریم تا اطلاعات را ذخیره‌سازی کنیم. سیستمی که در آن تعدادی از چرخش‌ها به‌سمت بالا و تعداد دیگری به‌سمت پایین هستند. چنین رویکردی در دنیای محاسبات دودویی حکم‌فرما است.

اما در یک کامپیوتر کوانتومی اوضاع متفاوت است. ما به‌خوبی از این موضوع اطلاع داریم که ذراتی همچون الکترون این توانایی را دارند تا در یک لحظه در تمام جهات بچرخند. چرخش در تمام جهات یکی از عجیب‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتوم است. ما می‌توانیم با اندازه‌گیری الکترون‌ها جهت چرخش آن‌ها را متوجه شویم. چرخشی که می‌تواند در هر جهتی رخ دهد. دیوانه‌کننده به‌نظر می‌رسد، اما واقعیت دارد. اگر یک الکترون بتواند در آن واحد در تمام جهات بچرخد و بتوانیم آن ‌را اندازه‌گیری کنیم به‌معنای آن است که می‌توانیم محاسبات بسیار زیادی را به‌طور هم‌زمان انجام دهیم. در این ساز و کار می‌توانیم فرآیند اندازه‌گیری را در انتهای محاسبات انجام دهیم. زمانی که یک ذره در یک لحظه بتواند چند کار را به‌طور هم‌زمان انجام دهد به‌معنای آن است که چند محاسبه را در یک لحظه می‌تواند انجام دهد. این رویکرد ساز و کار کامپیوترهای کوانتومی را شکل می‌دهد. اما برای دستیابی به چنین ساز و کاری ما با مشکلات عدیده‌ای رو‌به‌رو هستیم. 

ما می‌توانیم با اندازه‌گیری الکترون‌ها جهت چرخش آن‌ها را متوجه شویم. چرخشی که می‌تواند در هر جهتی رخ دهد. دیوانه‌کننده به‌نظر می‌رسد، اما واقعیت دارد. اگر یک الکترون بتواند در آن واحد در تمام جهات بچرخد و بتوانیم آن ‌را اندازه‌گیری کنیم به‌معنای آن است که می‌توانیم محاسبات بسیار زیادی را به‌طور هم‌زمان انجام دهیم

اولین مورد در ارتباط با خود ما انسان‌ها است. ما انسان‌ها به‌شکل کوانتومی رفتار نمی‌کنیم. هیچ‌گاه نمی‌توانیم به‌سمت دیواری بدویم که در پشت سرمان قرار دارد. اگر از هم‌اکنون تا پایان جهان این‌ کار را انجام دهید و سر خود را به دیوار بکوبید، فقط یک سردرد وحشتناک را تجربه خواهید کرد. اما اگر یک الکترون باشید، این امکان وجود دارد تا به چنین خواسته‌ای دست پیدا کنید. ناپدید شوید و در آن طرف دیوار ظاهر شوید. به این رویکرد تونل‌زنی کوانتومی می‌گویند. تا به امروز خواص منحصر به فرد کوانتوم تنها در مقیاس کوچک دیده شده است. ما انسان‌ها به‌واسطه آنکه همانند اشیا بزرگ کلاسیک هستیم نمی‌توانیم از چنین قواعدی پیروی کنیم. اما قوانین فیزیک کوانتوم اعلام می‌دارند، هنگامی که تعداد زیادی ذره در وضعیت برهم‌نهی قرار داشته باشند، تمامی همبستگی‌های میان‌ این ذرات به‌واسطه وجود عوامل مختلف از میان خواهند رفت، به‌طوری که چنین پدیده عجیبی ناگهان بی‌ثبات می‌شود.

در نتیجه برای آنکه بتوانیم یک حالت کوانتومی را به‌وجود آوریم، به‌شکلی که بتوانیم خصوصیات کوانتومی که پیش‌تر به آن‌ها اشاره شد را در اختیار داشته باشیم، باید سامانه خود را به‌شکلی طراحی کنیم که از تمام محیط مستقل و جدا باشد. این دقیقاً همان مشکلی است که کامپیوترهای کوانتومی با آن روبه‌رو هستند. شما تلاش می‌کنید این عنصر بسیار بسیار ریز را مجبور کنید تا یک رفتار کوانتومی از خود نشان دهد. این حرف به‌معنای آن است که در تلاش هستید این عنصر را از برهم‌نهی‌های درون خود و جهان بیرونش جدا کنید. این بخش مشکل داستان است. به‌دلیل اینکه این جداسازی باید در حد کافی انجام شود. به این رویکرد همدوسی کوانتومی (وابستگی کوانتومی) می‌گویند. چالش بسیار بزرگی که قابلیت‌های منحصر به فردی را در اختیار شما قرار می‌دهد. به‌شکلی که در ورود به دنیای جدیدی را پیش روی شما قرار می‌دهد.»