کامپیوتر کوانتومی چیست

یک کامپیوتر کوانتومی جهش های عظیمی را در قدرت پردازش ارائه می دهد. کامپیوترهای کوانتومی قول می‌دهند حتی از توانایی‌ترین ابررایانه‌های امروزی و فردا پیشی بگیرند.

با این حال، آنها کامپیوترهای معمولی را از بین نخواهند برد. استفاده از یک ماشین کلاسیک همچنان ساده ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل برای مقابله با اکثر مشکلات خواهد بود.

اما رایانه‌های کوانتومی نوید پیشرفت‌های هیجان‌انگیز در زمینه‌های مختلف، از علم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی را می‌دهند.

شرکت‌ها در حال حاضر با آنها آزمایش می‌کنند تا چیزهایی مانند باتری‌های سبک‌تر و قوی‌تر برای خودروهای الکتریکی تولید کنند و به تولید داروهای جدید کمک کنند.

راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی آن برای تولید و دستکاری بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نهفته است.

کیوبیت چیست؟

کامپیوترهای امروزی از بیت ها استفاده می کنند، جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نشان دهنده 1 یا 0 است. همه چیز از توییت‌ها و ایمیل‌های شما گرفته تا آهنگ‌های iTunes و ویدیوهای یوتیوب شما اساساً رشته‌های طولانی این ارقام باینری هستند.

از سوی دیگر رایانه‌های کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که معمولاً ذرات زیراتمی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها هستند.

تولید و مدیریت کیوبیت ها یک چالش علمی و مهندسی است. برخی از شرکت ها مانند IBM، Google و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانا برای خنک کردن استفاده می کنند.

برخی دیگر، مانند IonQ، اتم‌های منفرد را در میدان‌های الکترومغناطیسی روی یک تراشه سیلیکونی در محفظه‌های با خلاء فوق‌العاده به دام می‌اندازند. در هر دو مورد، هدف جداسازی کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده است.

کیوبیت ها دارای برخی ویژگی های کوانتومی عجیب و غریب هستند که به این معنی است که یک گروه متصل از آنها می توانند قدرت پردازش بیشتری را نسبت به همان تعداد بیت دودویی ارائه دهند. یکی از آن ویژگی ها به نام superposition و دیگری به نام entanglement شناخته می شود.

superposition چیست؟

کیوبیت ها می توانند چندین ترکیب ممکن از 1 و 0 را به طور همزمان نشان دهند. به این توانایی برای قرار گرفتن همزمان در چند حالت، superposition می گویند. برای قرار دادن کیوبیت ها در superposition، محققان آنها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو دستکاری می کنند.

به لطف این پدیده غیرمستقیم، یک کامپیوتر کوانتومی با چندین کیوبیت در superposition می‌تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان بدست آورد.

15 چیزی که همه باید درباره کامپیوتر کوانتومی بدانند

ما در آستانه فناوری رایانه ای هستیم که منطق را به چالش می کشد. امروزه ترانزیستورهای کامپیوترها به اندازه ای کوچک هستند که می توانیم با فناوری موجود آنها را بسازیم.

بنابراین، مبتکران کامپیوتر شروع به جستجوی راه حل های ممکن در سطح اتمی و زیراتمی در زمینه ای به نام کامپیوتر کوانتومی کردند. رهبران صنعت در حال رقابت برای توسعه و راه اندازی یک کامپیوتر کوانتومی بادوام و عرضه تجاری آن هستند.

کامپیوترهای کوانتومی قدرت محاسباتی مورد نیاز برای حل مسائلی را که در حال حاضر برای رایانه‌های کلاسیک غیرقابل حل هستند را فراهم می‌کنند، حداقل در یک بازه زمانی که عملی است.

کامپیوتر کوانتومی چیست؟ فیزیک کوانتومی از زمانی که اتم برای اولین بار در اوایل قرن بیستم مورد مطالعه قرار گرفت، منطق را به چالش کشید. به نظر می رسد اتم ها از قوانین سنتی فیزیک پیروی نمی کنند.

ذرات کوانتومی می توانند در زمان به جلو یا عقب حرکت کنند، در دو مکان به طور همزمان وجود داشته باشند و حتی « teleport» شوند. این رفتارهای عجیب و غریب است که کامپیوترهای کوانتومی قصد دارند از آنها به نفع خود استفاده کنند.

رایانه‌های کلاسیک یک‌ها و صفرها را دستکاری می‌کنند تا از طریق عملیات به هم برسند، اما رایانه‌های کوانتومی از بیت‌ها یا کیوبیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند.

درست مانند رایانه‌های کلاسیک، رایانه‌های کوانتومی از یک و صفر استفاده می‌کنند، اما کیوبیت‌ها حالت سومی به نام « superposition» دارند که به آن‌ها اجازه می‌دهد یک یا صفر را همزمان نشان دهند.

به جای تجزیه و تحلیل یک یا صفر به صورت متوالی، superposition به دو کیوبیت اجازه می دهد تا چهار سناریو را به طور همزمان نمایش دهند. بنابراین، زمان لازم به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

ما هر روز حجم زیادی از داده ها را ایجاد می کنیم. به منظور پردازش مناسب همه آن برای استخراج معنی از آن، به قدرت محاسباتی بسیار بیشتری نیاز داریم. اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی برای نجات ما وارد عمل می شوند.

همه باید این 15 مورد را در مورد محاسبات کوانتومی بدانند رایانه های کوانتومی می توانند مسائلی را حل کنند که غیرممکن هستند یا برای یک رایانه سنتی زمان غیرعملی (یک میلیارد سال) برای حل آنها نیاز است.

کامپیوترهای کوانتومی چشم انداز امنیت داده ها را تغییر خواهند داد. اگرچه رایانه‌های کوانتومی می‌توانند بسیاری از تکنیک‌های رمزگذاری امروزی را شکست دهند، پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که آنها جایگزین‌های ضد هک ایجاد می‌کنند.

رایانه‌های کلاسیک در برخی از کارها بهتر از رایانه‌های کوانتومی هستند (ایمیل، صفحات گسترده و انتشار دسکتاپ). هدف کامپیوترهای کوانتومی این است که ابزاری متفاوت برای حل مسائل مختلف باشند، نه جایگزینی کامپیوترهای کلاسیک.

رایانه‌های کوانتومی برای حل مشکلات بهینه‌سازی از پیدا کردن بهترین راه برای برنامه‌ریزی پرواز در فرودگاه تا تعیین بهترین مسیرهای تحویل برای کامیون FedEx بسیار عالی هستند.

گوگل اعلام کرد که یک کامپیوتر کوانتومی دارد که 100 میلیون برابر سریعتر از هر کامپیوتر کلاسیک موجود در آزمایشگاه خود است.

ما هر روز 2.5 اگزابایت داده تولید می کنیم. این عدد معادل محتوای 5 میلیون لپ تاپ است.

رایانه‌های کوانتومی پردازش حجم داده‌هایی را که در عصر داده‌های بزرگ، تولید می‌کنیم ممکن می‌سازند.

برای ثابت نگه داشتن کامپیوترهای کوانتومی، باید سرد باشند. به همین دلیل است که داخل کامپیوتر کوانتومی D-Wave Systems -460 درجه فارنهایت است.

به گفته پروفسور کاترین مک گئوچ از دانشگاه امهرست، یک کامپیوتر کوانتومی "هزاران برابر" سریعتر از یک کامپیوتر معمولی است.

superposition اصطلاحی است که برای توصیف حالت کوانتومی استفاده می شود که در آن ذرات می توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند و به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد تا به متغیرهای مختلف در همان زمان نگاه کنند.

کامپیوترهای کوانتومی به جای استفاده از الکتریسیته بیشتر، مصرف انرژی را از 100 تا 1000 برابر کاهش می دهند، زیرا کامپیوترهای کوانتومی از تونل زدن کوانتومی استفاده می کنند.

کامپیوترهای کوانتومی بسیار شکننده هستند. هر نوع ارتعاشی بر اتم ها تأثیر می گذارد و باعث ناپیوستگی می شود.

چندین الگوریتم برای کامپیوترهای کوانتومی از جمله Grover's برای جستجوی پایگاه داده بدون ساختار و Shor's برای فاکتورگیری اعداد بزرگ وجود دارد.

هنگامی که یک کامپیوتر کوانتومی پایدار ساخته شد، انتظار می رود که یادگیری ماشین به طور تصاعدی شتاب می گیرد و حتی زمان حل یک مشکل را از صدها هزار سال به ثانیه کاهش می دهد.

به یاد دارید زمانی که کامپیوتر IBM Deep Blue در سال 1997 قهرمان شطرنج، گری کاسپاروف را شکست داد؟ توانست به مزیت رقابتی دست یابد زیرا در هر ثانیه 200 میلیون حرکت ممکن را بررسی می کرد. یک ماشین کوانتومی می تواند 1 تریلیون حرکت در ثانیه را محاسبه کند!

امسال، گوگل علناً اعلام کرد که در 5 سال آینده یک کامپیوتر کوانتومی بادوام تولید خواهد کرد و افزود که آنها با یک کامپیوتر کوانتومی 50 کیوبیتی به "برتری کوانتومی" خواهند رسید.

ابررایانه‌های برتر هنوز هم می‌توانند هر چیزی را که یک کامپیوتر کوانتومی 5 تا 20 کیوبیتی می‌تواند مدیریت کند، اما ماشینی با 50 کیوبیت از آنها پیشی گرفته و در آن نقطه برتری خواهند داشت.

مدت کوتاهی پس از این اعلامیه، آی‌بی‌ام اعلام کرد ظرف یک سال ماشین‌های کوانتومی تجاری را به مشاغل ارائه می‌کند.

اگرچه یک کامپیوتر کوانتومی واقعی هنوز واقعیت ندارد، واضح است که مسابقه در جریان است.

موفق باشید.