آخرین مقالات

محاسبات کوانتومی در کامپیوتر کوانتومی به چه صورت می باشد؟

تاریخ انتشار: 00-05-22 09:05:00 جمعه
(11 رای)

 IBM و گوگل در حال تلاش برای ساخت کامپیوتر کوانتومی واقعا کاربردی و مفید هستند. در این مقاله شما اطلاعاتی در مورد تفاوت کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای معمولی را خواهید یافت و همچنین در مورد اینکه چگونه کامپیوترهای کوانتومی می توانند جهان را تغییر دهند اطلاعاتی کسب خواهید کرد.

محاسبات کوانتومی یا رایانش کوانتومی می تواند جهان را تغییر دهد (از ارزهای دیجیتال تا ارتباطات و هوش مصنوعی). شرکت هایی مانند IBM؛ مایکروسافت و گوگل در تلاشند تا کامپیوترهای کوانتومی قابل اعتماد را بسازند و برای این کار میلیاردها دلار سرمایه گذاری کرده اند.

به تازگی گوگل اظهار کرده است که به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است. اما محاسبات کوانتومی چیست و چگونه کار می کند؟


محاسبات کوانتومی چیست؟


اجازه دهید بحث را از مفاهیم پایه شروع کنیم.

یک تراشه کامپیوتر معمولی از بیت استفاده می کند. بیت ها مانند سوئیچ های کوچکی هستند که می توانند در حالت خاموش (نشان دهنده صفر) یا در حالت روشن (نشان دهنده یک) قرار بگیرند. هر برنامه ای که استفاده می کنید؛ وب سایتی که بازدید می کنید و عکسی که می گیرید در نهایت میلیون ها بیت را تشکیل می دهند که این برای اکثر کارها عالی عمل می کند؛ اما نحوه عملکرد جهان واقعی را منعکس نمی کند.

در طبیعت، همه چیز فقط در حالت روشن یا خاموش نیست. آنها نامشخص هستند و حتی بهترین ابرکامپیوترهای ما در برخورد با عدم قطعیت بسیار خوب عمل نمی کنند و این یک چالش بزرگ است.

این بدان خاطر است که در طول قرون گذشته، فیزیکدانان کشف کرده اند که وقتی به سمت مقیاس های بسیار کوچک می رویم؛ چیزهای عجیب و غریبی شروع به رخ دادن می کنند. آنها حوزه جدیدی از علم را توسعه دادند تا این وقایع را توضیح دهند که به آن مکانیک کوانتومی گفته می شود.

مکانیک کوانتومی نه تنها پایه فیزیک است بلکه زیربنای شیمی و زیست شناسی است. بنابراین دانشمندان برای شبیه سازی دقیق هر یک از این موارد؛ به روش بهتری برای محاسبه نیاز دارند تا بتوانند عدم قطعیت را کنترل کنند و اینجا بود که کامپیوترهای کوانتومی وارد ماجرا شدند.

محاسبات کوانتومی چیست؟

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟


به جای بیت؛ کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت (Qubit) استفاده می کنند. کیوبیت ها به جای روشن یا خاموش بودن؛ می توانند موقعیت های superposition را توصیف کنند (جایی که به طور همزمان خاموش یا روشن هستند؛ یا در طیفی بین این دو هستند).

یک سکه را بردارید و آن را به هوا پرتاب کنید. احتمال شیر یا خط آمدن به یک اندازه است و با افتادن سکه روی زمین یا در دستتان یکی از این حالت ها (شیر یا خط) رخ خواهد داد. Superposition مانند یک سکه در حال چرخش است و یکی از مواردی است که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار قدرتمند می کند. کیوبیت امکان تعریف عدم قطعیت را به ما می دهد.

اگر از یک کامپیوتر معمولی بخواهید راه خود را از مسیرهای پر پیچ و خم پیدا کند، تک تک مسیرها را امتحان می کند و همه آنها را به صورت جداگانه طی می کند تا مسیر مناسب را پیدا کند. یک کامپیوتر کوانتومی می تواند همه مسیرهای پر پیچ و خم را به طور همزمان طی کند.

این کمی شبیه به این است که صفحات یک کتاب ماجراجویانه را انتخاب کنید. اگر شخصیت قهرمان شما می میرد می توانید بلافاصله به جای برگشت به ابتدای کتاب، مسیر متفاوتی را انتخاب کنید.

کار دیگری که کیوبیت ها می توانند انجام دهند، درهم ‌تنیدگی کوانتومی نامیده می شود. به طور معمول، اگر دو سکه را به طور همزمان پرتاب کنید؛ نتیجه پرتاب یک سکه بر نتیجه سکه دیگر تاثیری نمی گذارد. آنها مستقل هستند؛ در درهم تنیدگی نتایج روی هم تاثیر می گذارند حتی اگر از نظر فیزیکی جدا از هم باشند. اگر یکی از سکه ها شیر بیایید دیگری هم شیر خواهد بود.

این بیشتر شبیه به جادو به نظر می رسد و فیزیکدانان هنوز به طور کامل نحوه و دلیل عملکرد آن را درک نکرده اند. اما در حوزه محاسبات کوانتومی، این بدان معناست که شما می توانید اطلاعات را به اطراف منتقل کنید؛ حتی اگر حاوی عدم قطعیت باشند. می توانید سکه ها را پرتاب کنید و از آن برای محاسبات پیچیده استفاده کنید. و اگر بتوانید چندین کیوبیت را به هم متصل کنید؛ می توانید چالش هایی را حل کنید که حل آنها توسط بهترین کامپیوترهای ما، به میلیون ها سال زمان نیاز دارد.

تراشه های کامپیوتر کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی چه کاری می توانند انجام دهند؟


کامپیوترهای کوانتومی فقط کارها را سریعتر یا کارآمدتر انجام نمی دهند. کامپیوترهای کوانتومی به ما اجازه می دهند کارهایی را انجام دهیم که بدون آنها حتی نمی توانستیم رویای انجام این کارها را داشته باشیم. مواردی که حتی بهترین ابر کامپیوترها هم قادر به انجام آنها نیستند.

کامیپوترهای کوانتومی این پتانسیل را دارند که به سرعت توسعه هوش مصنوعی را تسریع کنند. گوگل در حال حاضر از آنها برای بهبود نرم افزار اتومبیل های بدون سرنشین استفاده می کند. این دستگاه همچنین برای مدل سازی واکنش های شیمیایی بسیار حائز اهمیت هستند.

در حال حاضر؛ ابر کامپیوترها فقط می توانند اساسی ترین مولکول ها را تجزیه و تحلیل کنند. اما کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از خواص کوانتومی مشابه مولکول هایی که سعی در شبیه سازی آنها دارند کار می کنند. آنها حتی برای پیچیده ترین واکنش ها هم مشکلی ندارند.

این می تواند به معنای محصولات کارآمدتر باشد (از مواد جدید برای باتری های اتومبیل های برقی تا داروهای بهتر و ارزانتر؛ یا پنل های خورشیدی بسیار بهبودیافته). دانشمندان امیدوارند شبیه سازی کوانتومی حتی بتواند درمانی برای بیماری آلزایمر پیدا کند.

کامپیوترهای کوانتومی در هر جایی که یک سیستم پیچیده؛ بزرگ و نامشخص وجود دارد که باید شبیه سازی شود؛ کاربرد پیدا می کند. این می تواند شامل پیش بینی های بازارهای مالی، بهبود پیش بینی آب و هوا، مدل سازی رفتار الکترون های منفرد تا استفاده از محاسبات کوانتومی برای درک فیزیک کوانتوم باشد.

رمزنگاری یکی دیگر از کاربردهای مهم محاسبات کوانتومی خواهد بود. در حال حاضر، بسیاری از سیستم های رمزنگاری بر دشواری تجزیه اعداد بزرگ به اعداد اول متکی هستند. به این امر فاکتورینگ گفته می شود و برای کامپیوترهای کلاسیک کار می کند اما گران و غیر عملی است. اما کامپیوترهای کوانتومی می توانند این کار را به راحتی انجام دهند و این می تواند داده های ما را در معرض خطر قرار دهد.

شایعاتی مبنی بر اینکه سازمان های اطلاعاتی در سراسر جهان در حال حاضر حجم زیادی از داده های رمزگذاری شده را ذخیره می کنند وجود دارد به این امید که به زودی به کامپیوترهای کوانتومی دسترسی پیدا کنند.

تنها راه مقابله با این مسئله، رمزنگاری کوانتومی است. این امر بر اصل عدم قطعیت متکی است (این ایده که نمی توانید بدون تاثیر بر نتیجه چیزی را اندازه گیری کنید). کلیدهای رمزنگاری کوانتومی را نمی توان کپی یا هک کرد؛ آنها کاملا نفوذ ناپذیر خواهند بود.


کامپیوتر کوانتومی و بیت کوین


گفته می شود که کامپیوترهای کوانتومی خطری برای هک والت های ارزهای دیجیتال را به همراه خواهد داشت.

در رمزنگاری نامتقارن از یک جفت کلید خصوصی و عمومی استفاده می شود به گونه ای که این دو کلید رابطه ریاضی بینشان وجود دارد. همانطور که از نام این کلیدها پیداست، کلید خصوصی مخفی نگه داشته می شود در حالی که کلید عمومی در دسترس عموم قرار می گیرد. این به افراد امکان می دهد یک امضای دیجیتال تولید کنند که می تواند توسط هر کسی که کلید عمومی مربوطه را دارد تایید شود.

با این حال، در سال 1994؛ ریاضیدانی به نام پیتر شور یک الگوریتم کوانتومی را منتشر کرد که می تواند فرض امنیتی رایج ترین الگوریتم های نامتقارن را از بین ببرد. این بدان معناست که هر کسی که دارای یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی بزرگ است می توانید از این الگوریتم برای استخراج کلید خصوصی از کلید عمومی استفاده کند و بنابراین هر گونه امضای دیجیتال را هک می کند.

بیت کوین یک سیستم غیر متمرکز برای انتقال پول است. برخلاف سیستم بانکی که مسئولیت ارائه حساب بانکی به مشتریان به عهده بانک است؛ کاربر بیت کوین مسئول ایجاد آدرس (تصادفی) خود است. با استفاده از یک روش ساده، کامپیوتر کابربر یک ادرس بیت کوین تصادفی (مربوط به کلید عمومی) و همچنین کلید خصوصی را برای انجام تراکنش از این آدرس محاسبه می کند.

انتقال بیت کوین از یک آدرس به آدرس دیگر تراکنش نامیده می شود؛ چنین تراکنشی شبیه ارسال پول از یک حساب بانکی به حساب دیگر است. در بیت کوین؛ فرستنده باید تراکنش خود را با ارائه یک امضای دیجیتالی تایید کند. به خاطر داشته باشید شخصی با کامپیوتر کوانتومی می تواند این امضاء را هک کند و بنابراین به طور بالقوه بین کوین توسط هر شخصی خرج می شود.


چه زمانی برای خرید کامپیوتر کوانتومی اقدام کنم؟


احتمالا هیچ گاه تراشه کوانتومی را در لپ تاپ یا گوشی هوشمند خود نخواهید داشت یا iPhone Q وجود نخواهد داشت. کامپیوترهای کوانتومی چندین دهه است که مورد نظریه پردازی قرار گرفته است اما دلیل طولانی شدن دسترس پذیری آنها این است که حساسیت فوق العاده ای نسبت به تداخل دارند.

تقریبا هر چیزی می تواند یک کیوبیت را از حالت superposition خارج کند. در نتیجه، کامپیوترهای کوانتومی باید از همه اشکال تداخل الکتریکی جدا نگه داشته شوند و تا نزدیک صفر مطلق خنک شوند (خنک تر از فضای بیرونی).

کامپیوترهای کوانتومی بیشتر توسط دانشگاهیان و کسب و کارها استفاده می شوند که احتمالا از راه دور به آنها دسترسی خواهند داشت. در حال حاضر امکان استفاده از کامپیوتر کوانتومی IBM از طریق وب سایت این شرکت وجود دارد (حتی می توانید با آن کارت بازی کنید).

اما هنوز هم باید منتظر بمانیم تا کامپیوترهای کوانتومی بتوانند همه چیزهایی را که وعده می دهند را ارائه دهند. در حال حاضر، بهترین کامپیوترهای کوانتومی حدود 50 کیوبیت دارند. این میزان از کیوبیت کافی است تا این دستگاه ها را فوق العاده قدرتمند کند؛ چون هر کیوبیتی را که اضافه می کنید به معنی افزایش تصاعدی ظرفیت پردازش است. اما به دلیل مشکلات تداخل؛ میزان خطای آنها هم بسیار بالا است.

این دستگاه ها قدرتمند هستند اما قابل اعتماد نیستند. این بدان معناست که در حال حاضر، ادعای برتری کوانتومی باید با کمی عدم قطعیت مطرح شود. در اکتبر 2019؛ گوگل مقاله ای منتشر کرد که نشان می داد به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است (نقطه ای که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می توانید از یک کامپیوتر کلاسیک بهتر عمل کند). اما رقبای گوگل این ادعا را رد کردند؛ IBM اظهار داشت که گوگل از قدرت کامل ابر کامپیوترهای مدرن استفاده نکرده است.

اکثر پیشرفت های بزرگ تاکنون در تنظیمات کنترل شده یا استفاده از مشکلاتی بوده است که قبلا پاسخ آنها را می دانیم. در هر صورت؛ رسیدن به برتری کوانتومی به این معنا نیست که کامپیوترهای کوانتومی در واقع آماده انجام هر کار مفیدی هستند.

محققان پیشرفت بزرگی در توسعه الگوریتم هایی که کامپیوترهای کوانتومی استفاده خواهند کرد؛ داشته اند. اما خود دستگاه ها هنوز به کار بیشتری نیاز دارند.

محاسبات کوانتومی می تواند جهان را تغییر دهد اما در حال حاضر آینده ای نامشخص را پیش رو دارد.


با اولین خرید از فروشگاه تخصصی کامپیوتر آسارایان یک پک آنتی ویروس برای 2 سیستم و 2 دستگاه گوشی همراه هدیه دریافت کنید.


منابع: wired, Deloitte

نظرات کاربران
(1)
  • 1400-06-18

    ممنون برای این مقاله بسیار مفیدتون واقعا عالی بود و خلاصه خیلی خوبی از کوانتومی برام باز نشر شد
    موفق باشید

    پاسخ مدیر:

    درود 

    خیلی خرسندیم که مقالات ما باعث کسب اطلاعات بیشتر درباره تازه ترین اخبار تکنولوژی برای شما می شود 

دیدگاه خود را بنویسید
*
*