کامپیوتر های کوانتومی چیست؟

این فناوری از فیزیک کوانتومی برای محاسبات سریع تر از همیشه استفاده می کند.
کامپیوترهای کوانتومی ماشین هایی هستند که از ویژگی های فیزیک کوانتومی برای ذخیره داده ها و انجام محاسبات استفاده می کنند. این امر برای کارهای خاصی می تواند حتی از بهترین ابررایانه ها هم بسیار بهتر عمل کند و سودمندتر باشد.
رایانه‌های کلاسیک، که شامل گوشی‌های هوشمند و لپ‌تاپ‌ها می‌شود، اطلاعات را در «بیت‌های» باینری که می‌توانند ۰ یا ۱ باشند، رمزگذاری می‌ کنند. در یک کامپیوتر کوانتومی، واحد اصلی حافظه یک بیت کوانتومی یا کیوبیت است.
کیوبیت ها با استفاده از سیستم های فیزیکی ساخته می شوند. این سیستم‌ها می‌توانند به‌طور هم‌ زمان در آرایش‌های مختلف باشند، خاصیتی که به عنوان برهم نهی کوانتومی شناخته می‌شود. کیوبیت ها همچنین می توانند با استفاده از پدیده ای به نام درهم تنیدگی کوانتومی به طور جدایی ناپذیری به یکدیگر متصل شوند. نتیجه این است که مجموعه ای از کیوبیت ها می توانند چیزهای مختلفی را به طور همزمان نشان دهند.

به عنوان مثال، هشت بیت برای یک کامپیوتر کلاسیک کافی است تا هر عددی بین ۰ تا ۲۵۵ را نشان دهد. اما هشت کیوبیت برای یک کامپیوتر کوانتومی کافی است تا هر عدد بین ۰ تا ۲۵۵ را به طور همزمان نمایش دهد.
اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی برتری خود را نسبت به کامپیوترهای کلاسیک پیدا می کنند. در شرایطی که تعداد زیادی ترکیب ممکن وجود دارد، کامپیوترهای کوانتومی می توانند آنها را به طور همزمان در نظر بگیرند. به عنوان مثال می توان به تلاش برای یافتن فاکتورهای اول یک عدد بسیار زیاد یا بهترین مسیر بین دو مکان اشاره کرد.
با این حال، ممکن است موقعیت‌های زیادی نیز وجود داشته باشد که رایانه‌های کلاسیک همچنان بهتر از رایانه‌های کوانتومی عمل کنند. بنابراین کامپیوترهای آینده ممکن است ترکیبی از هر دو نوع باشند.
در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی بسیار حساس هستند: گرما، میدان‌های الکترومغناطیسی و برخورد با مولکول‌های هوا می‌تواند باعث شود که کیوبیت خواص کوانتومی خود را از دست بدهد. این فرآیند که به نام decoherence کوانتومی شناخته می شود، باعث از کار افتادن سیستم می شود و هر چه ذرات بیشتر درگیر شوند، سریعتر اتفاق می افتد.
کامپیوترهای کوانتومی باید از کیوبیت ها در برابر تداخل خارجی محافظت کنند، چه با جداسازی فیزیکی آنها، خنک نگه داشتن آن ها و یا به هم زدن آن ها با پالس های انرژی به دقت کنترل شده. کیوبیت های اضافی برای تصحیح خطاهایی که به سیستم وارد می شوند مورد نیاز است.

ممکن است برای شما سوال پیش بیاید که این کامپیوتر های کوانتومی دقیقا چه استفاده ای دارند؟ در حال حاضر مطلقا هیچ چیز، اما محققان و شرکت ها درمورد پیشرفت این تکنولوژی و کاربرد آن خوش بین هستند.
اکثر محققان هرگز کامپیوتر کوانتومی را ندیده اند. وینفرید هنسینگر معتقد است: "همه کامپیوتر های کوانتومی وحشتناک هستند. آنها نمی توانند هیچ کار مفیدی انجام دهند."
در واقع، همه کامپیوترهای کوانتومی را می توان وحشتناک توصیف کرد. دهه‌ها تحقیق هنوز ماشینی را به دست نیاورده است که بتواند انقلاب موعود در محاسبات را آغاز کند. اما محققان می گویند که علاقه مندان نگران نیستند و توسعه بهتر از حد انتظار پیش می رود.
رایانه‌هایی که از رفتارهای عجیب و غریب قلمرو اتمی سوء استفاده می‌کنند می‌توانند کشف دارو را تسریع کنند، رمزگذاری را بشکنند، تصمیم‌گیری در تراکنش‌های مالی را تسریع کنند، یادگیری ماشینی را بهبود بخشند، مواد انقلابی تولید کنند و حتی تغییرات آب و هوایی را برطرف کنند. شگفتی این است که این ادعاها اکنون بسیار محتمل تر به نظر می رسند و شاید حتی بیش از حد محافظه کارانه.
تا به حال، دلایل خوبی برای بدبینی وجود داشته است. محققان تنها به شواهد ریاضی دست یافته‌اند که نشان می‌دهد رایانه‌های کوانتومی در شبیه‌سازی فیزیک کوانتومی و شیمی، و در شکستن سیستم‌های رمزنگاری کلید عمومی که برای محافظت از ارتباطات حساس مانند تراکنش‌های مالی آنلاین استفاده می‌شوند، نسبت به رایانه‌های فعلی و کلاسیک دستاوردهای بزرگی خواهند داشت. اسکات آرونسون، دانشمند کامپیوتر در دانشگاه تگزاس در آستین، می‌گوید: «همه مواردی که مردم در مورد آنها صحبت می‌کنند، حاشیه‌ای‌تر یا گمانه‌زنی‌تر و یا هر دو هستند. متخصصان کوانتومی هنوز به هیچ چیز واقعا مفیدی دست پیدا نکرده اند که با استفاده از کامپیوترهای کلاسیک قابل انجام نباشد.

این مشکل با دشواری ساخت خود سخت افزار تشدید می شود. رایانه‌های کوانتومی داده‌ها را در کیوبیت ذخیره می‌کنند. تله های نوری، و فوتون های نور برخی از فناوری ها نیاز به خنک کننده تا نزدیک به دمای صفر مطلق دارند، برخی دیگر در دمای اتاق کار می کنند. طرح هنسینگر برای ماشینی به اندازه یک زمین فوتبال است، اما بقیه ممکن است در ماشین ها نصب شوند. محققان حتی نمی توانند در مورد چگونگی اندازه گیری عملکرد رایانه های کوانتومی به توافق برسند.
طراحی هرچه که باشد، چیزهای هوشمندانه زمانی اتفاق می‌افتد که کیوبیت‌ها با دقت به حالت‌های «ابرجایگاه» با ویژگی‌های نامشخص متصل می‌شوند. (اساساً ترکیبی از یک‌های دیجیتال و صفر، به جای اینکه قطعاً یکی یا دیگری باشند.) اجرای الگوریتم ها بر روی یک کامپیوتر کوانتومی شامل هدایت تکامل این حالات برهم نهی است. قوانین کوانتومی این تکامل به کیوبیت ها اجازه می دهد تا برای انجام محاسباتی که از نظر عملی با استفاده از رایانه های کلاسیک غیرممکن است، تعامل داشته باشند.
با این وجود، محاسبات مفید فقط در ماشین‌های کوانتومی با تعداد زیادی کیوبیت امکان‌پذیر است و این محاسبات هنوز وجود ندارند. علاوه بر این، کیوبیت ها و فعل و انفعالات آنها باید در برابر خطاهایی که از طریق اثرات ارتعاشات حرارتی، پرتوهای کیهانی، تداخل الکترومغناطیسی و سایر منابع نویز ایجاد می شوند، مقاوم باشند. این اختلالات می تواند باعث شود برخی از اطلاعات لازم برای محاسبات به بیرون از پردازنده نشت پیدا کند، وضعیتی که به نام decoherence شناخته می شود. این می تواند به معنای اختصاص بخش زیادی از کیوبیت ها به روال های تصحیح خطا باشد که محاسبات را در مسیر خود نگه می دارد.
اینجاست که شک و تردید در مورد محاسبات کوانتومی آغاز می شود. بزرگترین کامپیوتر کوانتومی جهان از نظر کیوبیت، Osprey متعلق به IBM است که دارای ۴۳۳ کیوبیت است. با این حال حتی با وجود ۲ میلیون کیوبیت، برخی از محاسبات شیمی کوانتومی ممکن است یک قرن طول بکشد. تحقیقاتی که در سال ۲۰۲۱ توسط دانشمندان کریگ گیدنی در سانتا باربارا، کالیفرنیا و مارتین اکراو در موسسه فناوری سلطنتی KTH در استکهلم منتشر شد، تخمین می‌زند که شکستن رمزنگاری پیشرفته در ۸ ساعت به ۲۰ میلیون کیوبیت نیاز دارد.
اگرچه ۲۰ میلیون کیوبیت دور از دسترس به نظر می رسد، اما بسیار کمتر از یک میلیارد کیوبیت برآوردهای قبلی است. و محقق مایکل بورلند در مایکروسافت کوانتوم، فکر می‌کند که می‌توان بر برخی از موانع پیش روی محاسبات شیمی کوانتومی از طریق پیشرفت‌های سخت‌افزاری غلبه کرد.

نیکول هولزمن، که تیم برنامه‌ها و الگوریتم‌ها را در ریورلین رهبری می‌کند، و همکارانش نشان داده‌اند که الگوریتم‌های کوانتومی برای محاسبه انرژی‌های حالت پایه با حدود ۵۰ الکترون مداری می‌توانند به طور اساسی کارآمدتر شوند. تخمین های قبلی از زمان اجرای چنین الگوریتم هایی بیش از ۱۰۰۰ سال بود. اما هولزمن و همکارانش دریافتند که تغییراتی در روال‌ها، برای مثال تغییر نحوه توزیع وظایف الگوریتمی در اطراف دروازه‌های منطق کوانتومی مختلف، زمان اجرای نظری را به چند روز کاهش می‌دهد. این افزایش سرعت در حدود پنج مرتبه بزرگی است. هولزمن می گوید: «گزینه های مختلف نتایج متفاوتی به شما می دهند و ما هنوز به بسیاری از این گزینه ها فکر نکرده ایم.»