مكانيك كوانتم، محاسبات كوانتمي، كامپيوترهاي كوانتمي، موضوع اصلي اين مطلب هستند.
اينهمه پردازش داده‌هاي توليد شده از سازنده‌هاي كامپيوترها هنوز هم نتوانسه عطش سرعت و توانايي آن‌ها بكاهد. در 1947 مهندس كامپيوتر آمريكايي بنام هاوراد آيكِن، گفت فقط 6 كامپيوتر ديجيتال براي محاسبات لازم براي ايالات متحده كافي ست. ديگران هم پيش‌بيني‌هايي مشابه درباره‌ي توان محاسباتي داشتند كه هر روز به فناوري‌هاي رو به رشد نياز بيشتري پيدا مي‌كرد. البته آيكن ميزان داده‌هايي كه تحقيقات علمي، صفحات شخصي در اينترنت و غيره توليد مي‌كردند، را به حساب نياورده بود. راه حل فقط در داشتن دستگاه‌هاي محاسباتي قدرتمند نهفته است.
ميكروپردازنده‌ها هر 18 ماه دو برابر مي‌شود، سال 2020 يا 2030 مدارهايي روي ميكروپردازنده‌هاها در ابعاد اتمي خواهيم ديد. و منطقاً گام بعدي پديدار شدن كامپيوترهاي كوانتمي است، كه قدرت اتم‌ها و مولكول‌ها را مهار كرده و در حافظه مورد استفاده قرار گرفته و وظيفه آناليز داده‌ها را به عهده مي‌گيرند. كامپيوترهاي كوانتمي پتانسيل محاسبات دقيق سريع‌تر از كامپيوترهاي سيليكوني كنوني را دارند.
دانشمندان هم اكنون اساس اين فناوري را فراهم آورده‌اند كه مي‌تواند محاسبات دقيق را انجام دهد. ولي تا يك كامپيوتر كوانتمي واقعي سال‌ها مانده است. نيازي نيست برگرديد و منشأ محاسبات كوانتمي را پيدا كنيد. درحالي كه اكثريت كامپيوترها در قرن بيستم توليد شده‌اند، محاسبات كوانتمي كمتر از 30 سال است كه نظريه‌پردازي شده‌اند. اين كار اولين بار توسط فيزيكدان آزمايشگاه ملي آرگون انجام شد. پاؤل بنيوف اولين نظريه‌ي كابردي كوانتمي را براي اين كامپيوترها در سال 1981 را ارائه كرد. اون اولين بار درباره‌ي ظهور ماشين كوانتمي تورينگ نظريه‌پردازي كرد.
|
ماشين تورينگ، كه توسط آلن تورينگ در دهه‌ي 30 ميلادي تكميل شد، ابزاري نظري است شامل، نواري بي‌نهايت طولاني كه به بخش‌هاي مربعي كوچك تقسيم مي‌شود. هر مربع مي‌تواند هم نماد (0 و 1) داشته باشد، هم خالي باشد. يك ابزار خواندن- نوشتن اين نمادها و خالي‌ها را مي‌خواند، كه ماشين ديكته ميكند چگونه رفتار كند. اين به‌نظر آشنا نمي‌رسد؟ خب، در يك ماشين كوانتمي تورينگ، تفاوت اين‌است كه وقتي هِد نوار خواندن – نوشتن داشته باشيم، نوار در حالت كوانتمي وجود دارد.
آلن تورينگ رياضيدان انگليسي (1912-1954) كه در جنگ جهاني براي باز كردن كُد‌هاي الگوريتم‌‌هاي تحقيقات آلمان نازي، به مركز تحقيقات بريتانيا در جنگ، GCCS پيوست. در دانشگاه منچستر بعداً به تحقيقاتش در مورد محاسابت كوانتمي ادامه داد. در اين بخش از روش‌هاي رياضياتي روش‌ها و فرمول‌هايي بنام اين دانشمند ثبت شده است.
|
 |
 |
اين بدان معناست كه نمادهاي روي نوار، 0، 1 يا برهم‌نهي از هردو مي‌تواند باشد. به عبارت ديگر هردو نماد 0 و 1 (و تمام نقاط بينا‌بين) همزمان وجود دارند. وقتي يك ماشين تورينگ معمولي مي‌تواند فقط يك محاسبه را در زمان مشخصي انجام دهد، ماشين تورينگ كوانتمي مي‌تواند محاسبات زيادي را همزمان انجام دهد.
كامپيوترهاي امروزي، مثل ماشين تورينگ، با دستكاري بيت‌هايي كار ميكند كه در يكي از دو حالت هستند: 0 يا 1. كامپيوترهاي كوانتمي محدود به دو حالت نيستند. آن‌ها اطلاعات را به‌صورت بيت‌هاي كوانتمي يا كوبيت (qubits) رمزگذاري مي‌شود كه مي‌تواند به‌صورت برهم‌نهي هم وجود داشته باشد. كوبيت‌ها نمايانگر اتم‌ها، يون‌ها، فوتون‌ها يا الكترون‌ها و كنترل ابزارهاست كه باهم در كامپيوتر به عنوان حافظه و پردازنده درحال كار هستند. چون‌كه يك كامپيوتر كوانتمي شامل اين حالت‌هاي چندگانه‌ي همزمان است، پتانسيل ميليون‌ها بار قوي‌تر عمل‌كردن نسبت به ابركامپيوتر‌هاي امروزي را هم دارد.
اين برهم‌نهي كوبيت‌ها چيزي است كه به موازي‌سازي كامپيوترهاي كوانتمي مي‌شود. ديويد دئويچ، اظهار ميكند كه اين موازي‌سازي به كامپيوتر كوانتمي اجازه مي‌دهد كه يك ميليون محاسبه را همزمان انجام دهد. درحالي كه كامپيوتر شما يكي را در زمان مشخص انجام مي‌دهد. يك كامپيوتر 30 كوبيتي معادل قدرت پردازش يك كامپيوتر شبكه شده است كه در 10 ترافلاپ عمل ميكند (Teraflops- تريليون‌ها نقطه‌ي شناور در ثانيه عمل ميكند). كامپيوترهاي شخصي امروزي، با سرعت‌هاي حدود گيگافلاپ (ميليارد‌ها نقطه‌ي شناور در ثانيه) عمل ميكند.
|
كامپيوترهاي كوانتمي از وجه ديگر مكانيك كوانتمي هم استفاده مي‌كنند به‌نام تله (Entanglement). يكي از مشكلات ايده‌ي كامپيوترهاي كوانتمي اين‌است كه اگر سعي كنيد، ذرات زيراتمي را مشاهده كنيد، روي آن‌ها تأثير مي‌گذاريد، در نتيجه مقدارشان تغيير ميكند. اگر به برهم‌نهي يك كوبيت نگاه كنيد و مقدار آن را محاسبه كنيد، كوبيت، ديگر هم 0 هم 1 خواهد بود، ولي هردو نخواهد شد (دراين حالت كامپيوتر شما قوياً يك كامپيوتر ديجيتال امروزي خواهد شد).
براي اينكه يك كامپيوتر واقعي كوانتمي بسازيم، دانشمندان بايد راه‌هاي اندازه‌گيري غيرمستقيم را توصيه كنند كه اصالت دستگاه را حفظ كند. تله، مي‌تواند جواب احتمالي اين مشكل باشد. در مكانيك كوانتمي، اگر يك نيروي خارجي را به دو اتم وارد كنيد، مي‌تواند باعث گرفتار شدن آن شده و اتم دوم ويژگي‌هاي اتم دوم را بگيرد. بنابراين اگر آن را به حال خودش بگذاريم، يك اتم در همه جهات مي‌چرخد. در اين لحظه، دخالتي صورت مي‌گيرد و يك جهت چرخش را انتخاب ميكند، كه برابر يك عدد باشد. و در همان زمان، اتم گرفتار شده دوم، جهت مخالف را برمي‌گزيند، كه آن‌هم برابر مقداري است. همين واقعيت فيزيكي اين امكان را به دانشمندان مي‌دهد كه مقدار كوبيت‌ها رو بدون نگاه كرد به آن‌ها بدانند.
|
متخصصان كامپيوتر، ذرات ميكروسكپي اين‌طور كنترل مي‌كنند كه در كامپيوترهاي كوانتمي با ابزارهاي كنترل، شبيه كوبيت عمل كنند.
· تله‌هاي اُپتيكي، از امواج نوري براي گير انداختن و كنترل ذرات استفاده مي‌شود.
· نقاط كوانتمي، از مواد نيمه رسانا ساخته شده‌اند، و براي حفظ و نگهداري مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
· ناخلصي‌هاي نيمه‌رسانا، شامل الكترون‌ها مي‌شود كه از اتم‌هاي ناخواسته‌اي كه در نيمه‌رسانا پيدا مي‌شوند.
· مدارهاي ابررسانا اجازه مي‌دهند الكترون‌ها بدون مقاومت (تقريباً) در دماهاي پايين جاري شوند.
|
|
كامپيوترهاي كوانتمي امروزي
|
كامپيوترهاي كوانتمي امروزي جاي تراشه‌هاي سيليكوني را خواهند گرفت. درست مثل ترانزيستور كه جايگزين لوله‌خلأ شد. ولي الان فناوري لازم براي گسترش چنين دستگاه‌هايي وراي دسترسي فناوري كنوني است. بيشتر تحقيقات كنوني در محاسبات كوانتمي بيشتر نظري است.
بيشتر كامپيوترهاي كوانتمي پيشرفته فراتر از 16 كوبيت نخواهند رفت. چراكه فراتر از دسترسي آزمايشگاهي هستند. بااين حال، پتانسيل اين را دارند كه سريع و راحت برنامه‌ها را اجرا كنند كه فراتر از كامپيوترهاي معمولي كنوني باشد. در سالهاي اخير پيشرفت‌هايي در اين زمينه صورت گرفته. چند نمونه آن به قرار زير است:
1998
دانشگاه MIT و پروژه لوس آلاموس تحقيقي روي تك كوبيت گذرنده از سه اسپين هسته‌اي در هر مولكول حلال مايع آلانين (آمينو اسيدي كه در واپاشي حالت‌هاي كوانتمي استفاده مي‌شود) انجام دادند.
2000
آزمايشگاه ملي لوس آلاموس اعلام كرد كامپيوتر كوانتمي 7 كوبيتي را تك قطره مايعي به انجام رسانده. كامپيوترهاي كوانتمي مي‌توانند از تشديد مغناطيسي هسته‌اي (Nuclear Magnetic Resonance) استفاده كرده، ذرات هسته‌هاي اتم‌هاي مولكول‌هاي اسيد ترنسكروتونيك را دستكاري كنند. اين اسيد از 6 هيدروژن و 4 اتم كربن ساخته شده است. از اين روش براي به خط كردن مغناطيسي ذرات استفاده مي‌شود. اين ذرات در مكان‌هاي موازي يا شمارشگر ميدان مغناطيسي به كامپيوتر اجازه مي‌دهند كه اطلاعات نگهداري شده بيت‌ها يكسان رفتار كنند.
محققين آي.بي.ام هم مدعي شدند با 5 كوبيت توانستند اين روش را توسعه دهند. اين شركت در واقع برنامه‌نويسي اين فرضيه‌ها را به انجام رساند.
2001
محققين آي.بي.ام و دانشگاه استنفورد موفق شدند الگوريتم شُر (Shor’s Algorithm) را در اين كامپيوترها به نمايش بگذارند. اين الگوريتم روشي است براي پيدا كردن ضرايب اول اعداد. آن‌ها از كامپيوترهاي 7كوبيتي براي ضرايب 15 استفاده كردند. كامپيوتر به درستي 5 و 3 را بدست آورد.
2005
مؤسسه اپتيك و اطلاعات كوانتمي دانشگاه اينسبروك اعلام كرد دانشمندان اولين كوبايت، يك سري 8 تايي از كوبيت‌ها را با استفاده از تله‌ي يوني بوجود آورده است.
2006
محققين دانشگاه واترلو و ماساچوست روش كنترل سيستم 12كوبيتي را امتحان كردند و سيستم شرايط پيچيده‌تر را توانست به‌كار گيرد.
اين تحقيقات و بررسي تكنيك‌هاي نظري و برنامه‌نويسي و آزمايشگاهي همچنان با همكاري كشورها و مؤسسات بزرگي ادامه پيدا كرده است. اگر بتوان به‌صورت عملي اين كامپيوترها را ساخت تعداد پردازش داده‌ها و حافظه مورد نياز بسيار فراتر از آنچه هست خواهد رفت. اين كامپيوترها حتي فكر ايده‌ي قديمي ايزاك آسيموف نويسنده‌ي بزرگ علمي‌تخيلي، و علمي را زنده ميكند. ايزاك آسيموف اولين بار چنين كامپيوتري كه مي‌تواند تمام داده هاي ممكن را پردازش كند و جواب سؤالات را بدهد، مطرح كرد و آن را مولتي- وك ناميد.