انقلاب رایانه‌های کوانتومی

هرچند مهندسان کامپیوتر و الکترونیک در شرکت‌هایی مانند اینتل، ARM (سازنده‌ی تراشه‌های کوالکوم) و انویدیا به طراحی پردازنده‌های سریع‌تر، کم‌مصرف‌تر و بهینه‌تر مشغولند؛ اما بیشتر پژوهشگران در تلاشند رایانه‌های کوانتومی را از ابزاری آزمایشگاهی به محصولی تجاری تبدیل کنند. رایانه‌های کوانتومی، به‌مراتب سریع‌تر و بهینه‌تر از رایانه‌های الکترونیکی امروزی هستند و می‌توانند با حل مسائلی که پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های الکترونیکی قادر به پردازش آن‌ها نیستند، انقلابی در پیشرفت تمدن بشر ایجاد کنند. اما رایانه‌ی کوانتومی چیست، چگونه کار می‌کند و چه فایده‌ای دارد؟

کامپیوتر کوانتومی D-Wave: شرکت کانادایی «D-Wave» یکی از نخستین عرضه‌کنندگان رایانه‌های کوانتومی تجاری است و پردازنده‌ی کوانتومی آن ۲۰۰۰ کیوبیت را پردازش می‌کند. پردازنده‌ی D-Wave بر اساس فرآیند خنک‌سازی بی‌دررو عمل می‌کند و در محاسبات مسائل بهینه‌سازی به کار می‌آید، ازاین‌رو برخی کارشناسان، این پردازنده را جزء پردازنده‌های کوانتومی به حساب نمی‌آورند.

محدودیت‌های رایانه‌ی الکترونیکی

سخت‌افزار رایانه‌های امروزی بر پایه‌ی قطعه‌ای الکترونیکی به نام «ترانزیستور» عمل می‌کند. شاید در کلاس ریاضی مدرسه با نوشتن اعداد در مبنای ۲ و حساب کردن با آن‌ها آشنا شده باشید. با عبور یا قطع جریان الکتریکی در ترانزیستورها می‌توان مقادیر ۰ و ۱ را تعریف کرد و محاسبات پیچیده‌ای روی آن‌ها انجام داد. قدرت محاسبات پیشرفته‌ترین ابررایانه‌ی امروزی که «SUMMIT» نام دارد، ۱۲۲٫۳ پتافلاپس است، یعنی این ابررایانه می‌تواند در هر ثانیه ۱۲۲٬۳۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰٬۰۰۰ محاسبه روی اعداد اعشاری انجام دهد؛ اما ابررایانه‌ها از حل برخی مسائل پیچیده، مانند شکستن رمزنگاری امنیت تبادلات بانکی یا تجزیه‌ی اعداد بسیار بزرگ به عوامل اول، ناتوانند.

فیزیک کوانتومی و کیوبیت

تصور کنید توپی پلاستیکی را پیوسته به دیوار روبه‌روی خودتان پرت می‌کنید. هرچند بار که این کار را تکرار کنید، می‌بینید که توپ پس از برخورد به دیوار، برمی‌گردد. به‌بیان‌دیگر، توپ همیشه در این‌سوی دیوار باقی می‌ماند و هرگز آن‌سوی دیوار دیده نمی‌شود. این آزمایش، نمونه‌ای از پدیده‌های بزرگ‌مقیاس است که با «فیزیک کلاسیک» و «مکانیک نیوتنی» توصیف می‌شود. حال اگر ابعاد توپ و دیوار را کوچک و کوچک‌تر کنیم، با پیامدهای عجیبی روبه‌رو می‌شویم. تصور کنید توپ به ابعاد یک ذره‌ی الکترون رسیده و دیوار مقابل هم سد متراکمی است که حفره‌ای برای گذر الکترون ندارد. اگر به‌دفعات الکترون را به این دیوار پرتاب کنیم، مشاهده می‌کنیم که بعضی وقت‌ها برمی‌گردد، بعضی‌وقت‌ها آن‌سوی دیوار ظاهر می‌شود (گویی از میان دیوار، تونل زده) و بعضی وقت‌ها درون دیوار به دام می‌افتد. به‌بیان‌دیگر، پرتاب الکترون به دیوار نفوذناپذیر همیشه پیامد یکسانی ندارد و الکترون با احتمال‌های مختلفی برمی‌گردد، تونل می‌زند یا به دام می‌افتد. این آزمایش، نمونه‌ای از پدیده‌های ریزمقیاس است که با «فیزیک کوانتومی» توصیف می‌شود و این حالت‌های مختلف را با موجودی ریاضیاتی به نام «تابع موج» توضیح می‌دهیم.

فیزیک‌دانان توانسته‌اند با استفاده از پدیده‌های کوانتومی، کیوبیت (واحد اطلاعات کوانتومی) بسازند. در شرایطی که بیت‌های الکترونیکی یا در حالت خاموش (۰) یا در حالت روشن (۱) قرار دارند، کیوبیت‌ها می‌توانند ۰، ۱ یا هر مقداری بین آن‌ها داشته باشند. برای درک بهتر، یک کره را تصور کنید. در کامپیوتر الکترونیکی، هر بیت فقط می‌تواند روی قطب شمال یا قطب جنوب کره قرار داشته باشد؛ اما کیوبیت می‌تواند روی هر نقطه‌ای از سطح کره قرار بگیرد؛ بنابراین کیوبیت می‌تواند اطلاعات به‌مراتب بیشتری را در خود ذخیره کند. محاسبات کوانتومی هم روی تابع موج کیوبیت‌ها انجام می‌شود و ازآنجایی‌که در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات بیشتری پردازش می‌شوند؛ سرعت پردازش رایانه‌ی کوانتومی به شکل نمایی افزایش پیدا می‌کند.

انقلاب رایانه‌های کوانتومی

رایانه‌های کوانتومی قرار نیست جایگزین رایانه‌های الکترونیکی شوند. قرار دادن کیوبیت‌ها در حالت‌های شکننده‌ی کوانتومی و نگهداری آن‌ها در این وضعیت، نیازمند شرایط بسیار دشوار و فوق‌العاده سردی (نزدیک به صفر مطلق) است. برای فراهم‌آوردن این شرایط خاص، از سیستم‌های خنک‌کننده‌ی رقیق‌ساز استفاده می‌شود که در اینفوگرافیک زیر، ساختار آن را نشان داده‌ایم.


رایانه‌های کوانتومی فقط برخی مسائل خاص را سریع‌تر از ابررایانه‌های الکترونیکی حل می‌کنند و ابررایانه‌ها، کماکان بخش مهمی از سخت‌افزارهای آینده را تشکیل خواهند داد. پیش‌بینی دقیق تأثیر رایانه‌های کوانتومی بر پیشرفت تمدن بشر و تأثیر آن بر زندگی روزمره، کار سختی است؛ اما شرکت‌های بزرگی مانند آی‌بی‌ام، گوگل، مایکروسافت و حتی اینتل، پروژه‌های بزرگی را برای ساخت رایانه‌ی کوانتومی تجاری در دست اجرا دارند. افزایش دقت شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و به‌خصوص پدیده‌های ریزمقیاس کوانتومی، طراحی و آزمایش داروهای جدید، پیش‌بینی وضعیت هوا، تحلیل داده و هوش مصنوعی از مهم‌ترین کاربردهای رایانه‌های کوانتومی خواهد بود.

چند مثال ساده

۱- می‌خواهیم گذرواژه‌ی (پسوورد) فایل رمزگذاری‌شده‌ای را پیدا کنیم. تنها راه‌حل این مسئله آن است که گذرواژه را حدس بزنیم و آن را امتحان کنیم. n حالت ممکن برای پاسخ وجود دارد و زمان لازم برای حدس‌زدن و آزمایش گزینه‌ی احتمالی برای همه‌ی آن‌ها یکسان است. هیچ راهنمایی یا نشانه‌ای برای یافتن پاسخ ارجح وجود ندارد و انتخاب تصادفی گزینه‌ها، فرقی با انتخاب آن‌ها بر اساس ترتیبی خاص ندارد.

اگر برای انتخاب و آزمایش گذرواژه از کامپیوترهای الکترونیکی رایج استفاده کنیم، به‌طور متوسط پس از تعداد ۲/n تلاش به نتیجه می‌رسیم؛ یعنی اگر چندین بار این کار را با کامپیوترهای الکترونیکی انجام دهیم، میانگین تعداد تلاش‌های موفق به ۲/n نزدیک می‌شود. اگر از رایانه‌های کوانتومی برای حل این مسئله استفاده کنیم، زمان لازم برای دست‌یابی به گذرواژه‌ی درست با n√ (رادیکال n) متناسب خواهد بود. می‌بینید هرچه n عدد بزرگ‌تری باشد، رایانه‌ی کوانتومی سریع‌تر به جواب می‌رسد.

جست‌وجو در بانک‌های اطلاعاتی عظیم، یکی از این نمونه‌مسائل است. فرض کنید دفترتلفنی در اختیار دارید که ۱۰۰ میلیون نام و شماره در آن ثبت شده است. اگر با رایانه‌ی الکترونیکی معمولی بخواهید عنوانی را در این دفترتلفن جست‌وجو کنید، به‌طور میانگین ۵۰ میلیون عملیات لازم است تا به پاسخ برسید؛ اما با استفاده از رایانه‌ی کوانتومی، پس از ۱۰هزار عملیات به جواب می‌رسید.

۲- تجزیه‌ی عددی با ۶۱۷ رقم (متناظر با ۲۰۴۸ بیت) به عوامل اول، یکی از مسائلی است که ابررایانه‌های الکترونیکی نمی‌توانند آن را حل کنند؛ اما یک دستگاه رایانه‌ی کوانتومی ایده‌آل که ۴۰۹۶ کیوبیت داشته باشد، می‌تواند این مسئله را در ۱۱۰ روز حل کند. رایانه‌ی کوانتومی قدرتمندتری که از ۲۰ میلیون کیوبیت بهره می‌برد، می‌تواند همین مسئله را در ۸ ساعت حل کند.