زنگ تفریح شماره ۱۸۳
آیا ما مقداری از قدرت محاسباتی که نیاز داریم را خواهیم داشت؟بر طبق قانون مور تعداد ترانزیستورهای روی میکروپروسسورها هر 18 ماه دو برابر می‌شود، بنابراین در سال‌های 2020 یا 2030 مدارهایی روی ریزپردازنده‌های با اندازه اتمی خواهیم داشت. گام منطقی بعدی ایجاد کامپیوترهای کامپیوتری خواهد بود، که از قدرت اتم‌ها و مولکول‌ها برای انجام وظایف پردازشی و حافظه‌ای استفاده می‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی توانایی اعمال محاسبات مشخص را به صورت سریع‌تر از هر کامپیوتر سیلیکونی خواهند داشت.
 |
دانشمندان هم اکنون کامپیوترهای کوانتومی ساده‌ای را ساخته‌اند که محاسبات مشخصی انجام می‌دهند؛ اما هنوز سال‌ها با یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی فاصله داریم. در زنگ تفریح این شماره، شما با کامپیوترهای کوانتومی و آنچه در عصر جدید از آن استفاده می‌شود، آشنا خواهید شد.
|
لازم نیست برای پیدا کردن سرچشمه‌ی کامپیوترهای کوانتومی راه خیلی دوری رفت. زمانی که در قرن بیست کامپیوترها در دسترس همگان بودند، محاسبات کامپیوتری برای اولین بار 30 سال قبل، توسط یک فیزیکدان در آزمایشگاه ملی آرگون بیان شد. پاول بنیف در سال 1981 اولین تئوری کوانتومی را برای کامپیوترها معتبر کرد. بنیف در مورد ساختن ماشین تورینگ کوانتومی فرضیه‌سازی کرد. بیشتر کامپیوترهای دیجیتالی، همانند همین یکی که اکنون در حال استفاده از آن هستید، بر اساس تئوری تورینگ شکل گرفته‌اند.
تعریف کامپیوتر کوانتومی
ماشین تورینگ در سال 1930 توسط آلن تورینگ ایجاد شد، یک دستگاه تئوریکی که شامل نوار با طول نامحدود بود که این طول این نوار به مربع‌های کوچک تقسیم شده بود. هر مربع یک نشانه داشت ( 0 یا 1) و یا خالی بود. این دستگاه خواندنی نوشتنی این نشانه‌ها و جاهای خالی را می‌خواند و دستور عمل یک برنامه‌ی مشخص را متوجه می‌شد. آیا این به نظرتان آشنا نیست؟ خب، در ماشین تورینگ کوانتومی، تفاوت این است که نوار در حالت کوانتومی قرار دارد، البته نوک خواندن نوشتن هم در همین حالت قرار دارد. یعنی نشانه‌های روی نوار می‌توانند 0 یا 1 و برهمنهشی 0 و 1 باشد. به عبارت دیگر نشانه‌ها هم 0 هستند و هم 1 و هم تمام نقاط بین 0 و 1 در یک زمان. در حالیکه ماشین تورینگ معمولی فقط می‌تواند یک محاسبه را در یک زمان انجام دهد، ماشین تورینگ کوانتومی می‌تواند در یک زمان چندین محاسبه را انجام دهد.
کامپیوترهای امروزی، مانند ماشین تورینگ با دستکاری بیت‌های موجود در یکی از دو حالت کار می‌کنند: یا صفر یا 1. کامپیوترهای کوانتومی فقط محدود به دو حالت نیستند؛ آنها اطلاعات را به کدهای کوانتومی یا کوابیت تبدیل می‌کنند. کوابیت نشان‌دهنده اتم‌ها، یون‌ها، فوتون‌ها یا الکترون‌ها و به ترتیب دستگاه‌های کنترلی آنها باشند که با هم به عنوان یک حافظه کامپیوتری و یک پردازنده کار می‌کنند. از آنجاییکه کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به طور همزمان در این حالت‌ها قرار بگیرند، این پتانسیل را دارند که هزاران برابر قدرتمندتر از کامپیوترهای امروزی باشند. این برهمنهشی کوابیت‌هاست که به کامپیوترهای کوانتومی این موازی بودن ذاتی را می‌دهد. بنا به گفته‌ی David Deutsch، فیزیکدان، این موازی بودن به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد که به طور همزمان بر روی میلیون‌ها محاسبات کار کنند، درحالیکه دسکتاپ کامپیوتر شما بر روی یکی کار می‌کند. قدرت پردازش یک کامپیوتر کوانتومی 30 کوابیتی برابر با قدرت پردازنده‌ای که قادر به اجرای 10 ترافلوپ (تریلیون‌ها نقطه شناور عملیاتی در هر ثانیه) خواهد بود. کامپیوترهای دسکتاب معمولی امروزی با سرعت گیگافلوپ ( میلیاردها نقطه شناور در هر ثانیه) کار می‌کنند.
کامپیوترهای کوانتومی امروزی
کامپیوترهای کوانتومی روزی جایگزین چیپ‌های سیلیکونی می‌شوند، درست مانند زمانیکه ترانزیستور جایگزین تیوب‌های خلا شد. برای دانش بیشتر در زمینه تحول کامپیوترها، زنگ تفریح شماره 190 را مطالعه کنید. اما اکنون، رسیدن به کامپیوترهای کوانتومی دور از دسترس است و بیشتر تحقیقات در این زمینه فقط تئوریکی است. پیشترفته‌ترین کامپیوترهای کوانتومی به فراتر از 16 کوابیت نرسیده‌اند، یعنی هنوز با کاربردی شدن فاصله زیادی دارند.