کامپیوتر کوانتومی چیست و چگونه کار می کند؟

از زمانی که کامپیوتر های دیجیتال ساخته شده اند چیزی حدود 80 سال می گذرد. پردازنده‌های کامپیوتری که همانند مغز انسان عمل می کنند، سال به سال قوی تر و قدرت پردازنده بالاتری پیدا کرده اند.

اما این پیشرفت پردازنده های کامپیوتری قرار نبود تا ابد ادامه داشته باشد. علت آن مشکلاتی بود که به واسطه یکی از عجیب‌ترین مباحث علمی یعنی فیزیک کوانتوم ایجاد میشد.

در این مقاله می خواهیم در مورد کامپیوترهای کوانتومی صحبت کنیم. اما قبل آن به طور خلاصه با روش کار کامپیوتر های معمولی بیشتر آشنا خواهیم شد.

سپس در مورد این صحبت خواهیم کرد که چه شد تا به فکر ساختن کامپیوتر های کوانتومی افتادیم و کامپیوتر های کوانتومی در کل چگونه کار می کنند. کامپیوتر های کامپیوتری الان در چه مرحله ای هستند و به سوالاتی از این دست پاسخ خواهیم داد.

کامپیوتر های کوانتومی و قوانین کوانتومی

کامپیوترهای رومیزی، لپتاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها تمام این ها یک نوع کامپیوتر هستند. یعنی با دریافت اطلاعاتی از ما به عنوان داده شروع به عملیات پردازش بر روی آن ها می کنند و نتیجه کار را به ما نمایش می دهند.

عمل پردازش را پردازشگر یا CPU انجام می دهد. سی‌پی‌یو مغز کامپیوتر است و این کار را با استفاده از ترانزیستورها انجام می دهد. ترانزیستور مهم‌ترین قطعه‌ی الکترونیکی و جزو بزرگترین اختراعات بشر بوده است.

اگر خواسته باشیم تعریف ساده ای از نحوه عملکرد ترانزیستور ها ارائه کنیم، این است که مانند یک کلید قطع و وصل برق عمل می کنند. یعنی در دو حالت روشن یا خاموش قرار می گیرند. در ترانزیستور ها خاموش بودن، معادل عدد 0 و روشن بودن، معادل عدد 1 در نظر گرفته می شود.

در واقع این صفرها و یک‌ها حروف الفبایی هستند که کامپیوتر با آن کار می کند و می داند قرار است چه عملیاتی انجام دهد. به هرکدام از این صفر و یک، یک بیت گفته می شود. بیت مخفف binary digit است یعنی عدد دودویی.

اعداد باینری فقط دو حالت می توانند داشته باشند. و با کنار هم قرار دادن این صفر و یک ها، حروف مختلف و اعداد و علامت های مختلف می توان ساخت. مثلا حرف A انگلیسی به این صورت ساخته می شود (01000001) و حرف B به صورت (01000010).

به هر هشت بیت یک بایت گفته می شود. به عنوان مثال 01000010 یک بایت است چون از هشت بیت ساخته شده. در این صورت هر 1024 بایت معادل یک کیلوبایت، هر 1024 کیلوبایت یک مگابایت و هر 1024 مگابایت یک گیگابایت است.

برای نشان دادن حجم اطلاعات از بایت و برای سرعت انتقال اطلاعات، از بیت استفاده می‌کنیم. برای بیت هم می توان کیلوبیت و مگابیت و گیگابیت در نظر گرفت.

درون سی‌پی‌یو ها مدار هایی وجود دارند که از ترانزیستور ساخته شده اند. این مدارات اعمال مختلف منطقی و محاسباتی را انجام می دهند.

با گذشت زمان، تعداد ترانزیستور هایی که بر روی سی‌پی‌یو قرار می گرفت بیشتر و بیشتر میشد. اما برای قرار دادن تعداد زیادی از ترانزیستور ها بر روی سی پی یو چاره ای جز کوچک کردن حجم ترانزیستور ها نبود.

کوچک شدن اندازه ترانزیستور ها آن قدر ادامه پیدا کرد تا اینکه اندازه هر ترانزیستور‌ به اندازه‌ی یک اتم نزدیک شد! همین قضیه باعث ایجاد مشکلات بزرگی شد که روند ساختن سی‌پی‌یو های پیشرفته‌تر را به بن‌بست رسانده بود.

ترانزیستور ها با اندازه های بزرگتر، قوانین مکانیک کلاسیک در آن ها حاکم بود، ولی وقتی اندازه آن به سایز اتم نزدیک‌ شد، قوانین کلاسیک جای خودش را به قوانین کوانتوم داد.

وقتی پای قوانین کوانتوم به سی‌پی‌یوها باز شد ادامه‌ی کار، خیلی سخت‌تر شد. برای درک این مشکل ما مثالی برای شما آورده ایم.

زمانی که یک تنیس باز توپی را به دیوار می زند هر دفعه بدون استثنا به خودش بر می گردد. و غیرممکن است توپ از دیواری که هیچ سوراخی ندارد، عبور کند.

اما زمانی که وارد دنیای عجیب کوانتوم می شویم دیگر این کار غیرممکن نیست. در فیزیک کوانتوم پدیده‌‌ی عجیبی داریم به نام تونل‌زنی کوانتومی. در این حالت وقتی الکترون به یک دیوار فرضی غیر قابل نفوذ برخورد می کند، چند حالت برای آن اتفاق می افتد.

الکترون با برخورد به دیوار فرضی می تواند، برگردد یا از آن عبور کند و رد شود و یا بین دیوار گیر کند. این اتفاق در اندازه‌های کوانتومی بسیار رایج است و دائما اتفاق می افتد. برای ترانزیستورهای نانومتری که نزدیک به سایز اتم هستند هم می تواند اتفاق بیفتد.

یعنی این امکان وجود دارد که یک الکترون با ایجاد یک تونل به ترانزیستور دیگری منتقل شود. و این اصلا اتفاق خوبی نخواهد بود، چرا که می تواند باعث ایجاد خطاهای محاسباتی بزرگی شود.

اما دانشمندان این تهدید را به یک فرصت بزرگ تبدیل کردند. فیزیک دان بزرگ ریچارد فاینمن پیشنهاد کرد که محاسبات کامپیوتری از دنیای دیجیتال وارد دنیای کوانتوم شود.

در این حالت نه تنها مشکلات مربوط به تونل زنی کوانتومی اتفاق نمی افتد بلکه توان پردازشی ترانزیستور ها چندین برابر می شود. کامپیوترهای کوانتومی، از قوانین فیزیک کوانتوم، مثل برهم‌نهی یا سوپر پوزیشن استفاده می‌کنند.

تفاوت کامپیوتر های کوانتومی با کامپیوتر های معمولی

ساختار کلی کامپیوتر های کوانتومی همانند کامپیوتر های معمولی است. اما یک سری فرق های اساسی باهم دیگر دارند. واحد اطلاعات در کامپیوتر های معمولی بیت است اما در کامپیوترهای کوانتومی، واحد اطلاعات، کیوبیت یا بیت کوانتومی است.

در کامپیوترهای معمولی از ترانزیستور استفاده می شود اما در کامپیوترهای کوانتومی، از یک سیستم کوانتومی مثل الکترون یا فوتون یا حتی اتم‌ها و یون‌ها استفاده می شود.

الکترون یک چرخش به دور خودش دارد که به آن اسپین گفته می شود. به چرخش الکترون ها در یک جهت اسپین بالا و در جهت مخالف اسپین پایین گفته می شود.

از جهتی، چون الکترون یک سیستم کوانتومی است، می تواند به طور همزمان هم اسپین بالا و هم اسپین پایین داشته باشد. یعنی در یک سوپرپوزیشن این دو حالت وجود دارد.

سپس زمانی که اندازه گیری انجام می دهیم روی یکی از یک دو حالت قرار می گیرد و ثابت می شود. در مورد فوتون ها هم مشابه همین حالت را داریم اما با کمی تفاوت.

پس برای کیوبیت‌ می‌توانیم از الکترون یا فوتون یا سیستم های کوانتومی دیگر استفاده کنیم. اما مزیت اصلی کیوبیت را می توانیم به صورت زیر توضیح دهیم:

یک کره در نظر بگیرید. بیت، می تواند فقط روی یکی از دو قطب کره قرار بگیرد. یعنی قطب بالا یا قطب پایین. اما کیوبیت، می تواند روی هر نقطه‌ای از کره و به صورت هم زمان باشد. که در اصطلاح به این کره، کره‌ی بلوخ می گویند. پس کیوبیت، می تواند به طور همزمان هم صفر و هم یک و هر مقداری بین صفر و یک باشد. که این قدرت اصلی و بزرگترین مزیت کیوبیت است.

که باعث می شود پردازش اطلاعات درون کامپیوترهای کوانتومی، به صورت موازی انجام شود. یعنی دیگر نیازی نیست همانند کامپیوترهای معمولی، اول یک عملیات انجام شود خاتمه یابد و سپس عملیات دیگر شروع شود. و در واقع تمام عملیات ها به صورت موازی صورت می گیرند. که باعث می شود کامپیوتر های کوانتومی میلیون‌ها بار سریع‌تر از کامپیوترای فعلی شود.

تا اینجا با اصول کار کامپیوترهای معمولی و کوانتومی آشنا شدیم. حالا برویم سراغ کامپیوترهای کوانتومی که تا الان موفق به ساخت آن ها شده ایم.

سال 1998 اولین کامپیوتر کوانتومی با ظرفیت 2 کیوبیت ساخته شد. دو سال بعد، کامپیوترهای 5 کیوبیتی و 7 کیوبیتی ساخته شدند. این پیشرفت به همین شکل ادامه داشت تا اینکه در سال 2011 شرکت کانادایی D-Wave، کامپیوتر 128 کیوبیتی ساخت که قدم خیلی بزرگی بود. البته در مورد اینکه این کامپیوتر جزو کامپیوتر های کوانتومی محسوب مش ود یا نه بحث های زیادی وجود دارد.

در حال حاضر شرکت های مختلف مثل گوگل و مایکروسافت و آی‌بی‌ام و شرکت های دیگر هر کدام به روش خاصی برای پیاده کردن کامپیوترهای کوانتومی اقدام کرده اند. اما هنوز روال خیلی دقیق برای پیاده سازی این مدل کامپیوتر ها وجود ندارد. چرا که پیاده کردن این کامپیوترها اصلا کار راحتی نیست. و هنوز مشکلات بسیار زیادی وجود دارد که حل نشده

سال 2019 گوگل اعلام کرد، کامپیوتر کوانتومی ساخته است که عملیاتی که قویترین ابر کامپیوتر دنیا، یعنی سامیت، ده‌ هزار سال زمان نیاز داشته تا انجامش بدهد را تنها در یک دقیقه، انجام دهد. اما آی‌بی‌ام این ادعای گوگل رو زیر سوال برد.

در کل همان طور که گفته شد هنوز نتوانستیم به یک روال کلی در مورد ساخت کامپیوترهای کوانتومی برسیم. هر شرکت تقریبا روش خودش را دارد و این امری طبیعی است چرا که هنوز اول این راه هستیم.

مزیت کامپیوتر های کوانتومی

سرعت بالا

اولین و مهم ترین مزیت کامپیوتر های کوانتومی سرعت بسیار بالای آن ها در انجام دادن عملیات ها است. پردازش هایی که در کامپیوترهای معمولی 1000 سال زمان می برد در کامپیوترهای کوانتومی فقط چند ثانیه طول خواهد کشید.

پس برای مسایل مهمی که نمی‌توانیم چند صد سال صبر کنیم تا یک کامپیوتر معمولی یا ابر کامپیوتر به آن جواب دهد، توسط این مدل کامپیوتر ها می توانیم در عرض چند ثانبه به جواب برسیم.

مناسب برای امور شبیه سازی

کامپیوتر های کوانتومی برای امور شبیه سازی بسیار مناسب هستند و این مزیت دیگر آن هاست. شبیه‌ سازی های بسیار سنگین که از عهده کامپیوترهای معمولی بر نمی آید را خیلی راحت می تواینم توسط کوانتومی ها انجام دهیم. مثل پیش‌بینی‌های پیچیده‌ی آب و هوا، شبیه‌ سازی های شیمیایی برای کشف داروهای جدید و…

امنیت

کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برای امور امنیتی خیلی قوی استفاده شوند. رمزگذاری هایی که این کامپیوترها انجام می دهند، غیر قابل شکستن هستند.

کارایی بالا در هوش مصنوعی

مزیت دیگر این مدل کامپیوتر ها، کارایی بالای آن ها در هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی است. کامپیوتر های کوانتومی به خاطر سرعت و ویژگی های قدرتمند دیگری که دارند، باعث می شوند هوش مصنوعی خیلی سریع تر و دقیق تر کار کند.

معایب استفاده از کامپیوتر های کوانتومی

در کنار مزیت های کامپیوتر های کوانتومی، معایبی هم وجود دارد که در مورد آن صحبت می کنیم.

شرایط نگهداری سخت

یکی از بزرگترین ایرادات کامپیوترهای کوانتومی این است که به خاطر ساختار خاصی که دارد باید در دمای بسیار پایین و نزدیک به صفر مطلق یا در خلا خیلی زیاد از آن ها استفاده کرد.

صفر مطلق یا صفر کلوین دمای 273- درجه سلسیوس است که پایین‌تر از این دما در کل جهان وجود ندارد. ایجاد و حفظ چنین دمایی برای کامپیوتر کوانتومی کار بسیار سخت و پر هزینه‌ای است.

برای همین فعلا نمی توانیم انتظار داشته باشیم که کامپیوترهای کوانتومی وارد خانه هایمان شود یا مثلا درون گوشی‌ های همراه از پردازنده‌های کوانتومی استفاده شود.

درصد خطای بالا

مشکل دیگر این مدل کامپیوتر ها درصد خطای بالای آن هاست. هرچه تعداد کیوبیت ها بیشتر شود مقدار این خطا هم بیشتر خواهد شد. که البته کامپیوتر های کوانتومی در مرحله توسعه خود هستند و این  مشکلات به مرور زمان بر طرف خواهد شد.

بحران امنیتی

در کنار مشکلات و ایرادات گفته شده مسائل بزرگتری نیز مطرح می شود. طبق گفته کارشناسان اگر کامپیوتر های کوانتومی به روش بهینه ای پیاده سازی شوند، باعث ایجاد بحران های امنیتی در کل جهان می شوند.

ممکن است تمام پسورد هایی که در اینترنت وجود دارد هک شود. در واقع قدرت پردازش بسیار بالای این کامپیوتر ها، باعث شکسته شدن تمام سیستم های رمزگذاری مورد استفاده در سطح اینترنت می شود.

به همین خاطر این اعتقاد وجود دارد که در مرحله اول باید کشور هایی که رفتار دوستانه ای دارند به این فناوری دست پیدا کنند تا سواستفاده ای انجام نگیرد. زمانی که تمام کشور ها مجهز به کامپیوترهای کوانتومی شوند تا بتوانند از رمزگذاری قوی کوانتومی استفاده کنند، امنیت هم دوباره برقرار خواهد شد.

یک تصور اشتباه در مورد کامپیوتر های کوانتومی

یک تصور اشتباهی که وجود دارد این است که کامپیوتر های کوانتومی نسل بعدی کامپیوتر های فعلی هستند و کامپیوتر های معمولی منقرض خواهند شد.

اما واقعیت این گونه نیست. کامپیوترهای کوانتومی همان طور که گفته شد برای یک سری از عملیات خاص کاربرد دارند و برای امور عادی کامپیوتر های فعلی کفایت می کنند.

شاید در آینده همه چیز عوض شود اما فعلا نیازی به این کار و جایگزینی وجود ندارد. پس حتی بعد از تکامل کامپیوترهای کوانتومی هم نمی توانیم انتظار داشته باشیم که جایگزین کامپیوترای فعلی شوند، بلکه در کنار این کامپیوتر ها، فعالیت خواهند داشت.