کامپیوتر کوانتومی (1)
کامپیوتری که روی میز تحریر شما جا خوش کرده، برای کارکردن باید یک مشت صفر و یک را بفهمد و دستکاری کند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد یا وضعیت مودم و موس شما با مجموعه ای از بیت های متشکل از صفرها و یک ها به کامپیوتر داده می شود. درکامپیوترهای معمولی قوانین فیزیک کلاسیک حاکم است،بیت های اطلاعات، خیلی ساده تعریف می شوند؛ سوئیچ های الکتریکی می توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا می توانند اینجا باشند، می توانند هم نباشند! ولی کامپیوترهای کوانتومی با طبیعت دودویی های فیزیک کلاسیک محدود نمی شود ،كامپیوتر كوانتومی دستگاهی است كه یك پدیده ی فیزیكی را بر اساس قوانین فیزیک كوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یك حالت جدیداز پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در واقع روش بهتر و قدرتمندتر برای پردازش اطلاعات پیش رویمان ،براساس فیزیک كوانتومی می باشد.دراین مطلب به بیان تاریخچه وتفاوت های کامپیوترهای کوانتومی وکلاسیک می پردازیم و نحوه برقراری ارتباط رادرکامپیوترهای کوانتومی شرح می دهیم.
کامپیوتر تنها بخشی از دنیایی است که ما آنرا دنیای دیجیتالی می نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می شود. اما روش بهتر برای پردازش اطلاعات بر اساس مکانیک کوانتومی می باشد. این روش جدید با ویژگی هایی همراه است که آنرا از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترها سیستم هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین کننده ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلز بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود. بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می سازد. این پدیده ها عبارتند از: بر هم نهی(superposition) ، تداخلinterference) ، درهم تنیدگی(Entanglement) ، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability) .
برای بررسی اثرات این پدیده ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.
هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده ی واژه ی«عدد دودویی» است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچک ترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب میشوند. پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی میشود که آنرا کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می نامیم.
یک بیت کوانتومی (که به آن "کیوبیت"اطلاق می گردد )ممکن است درحالت های کلاسیک صفر یا یک وجودداشته باشد،یا ترکیبی از این دو(یعنی درآن واحد،مقادیر صفرویک را به طورهمزمان داشته باشیم "حالت برهم نهی ") یا حتی معرف عددی باشند که حالت آنها را جایی بین صفر و یک تعیین می کند. با توجه به مکانیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذره های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد، اما هیچ راهی برای دانستن قطعی این که آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه که در کامپیوترهای کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. .
تاریخچه کامپیوتر کوانتومی
نظریه کامپیوترکوانتومی ازسال 1982مطرح بوده است از زمانی که فیزیک دان مشهور و برنده جایزه نوبل «ریچارد فاینمن » برای نخستین بار ، پیشنهاد كرد كه باید محاسبات از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام كوانتوم شود،همچنین بیان کرد کامپیوتر کوانتومی چگونه ممکن است کار کند. این پیشنهاد تا اوایل سال1990مورد توجه جدی قرار نگرفت وبه صورت آکادمیک باقی ماند،البته در سال 1985،دویتش متوجه شد که اظهارات فاینمن ، می تواند تدریجاً به ساخت کامپیوتر کوانتومی منجر شودو مقاله ای را منتشر کرد مبنی بر اینکه اصولاً هر فرآیند فیزیکی را می توان به خوبی با کامپیوترهای کوانتومی مدل سازی کرد. بالاخره در 1994 « پیتر شور» نخستین گام را برای محقق كردن این آرزو برداشت. وقتی که بعضی از مشکلات کلیدی کامپیوتر های معمولی نشان داده شد ، کامپیوترهای کوانتومی در اصل می توانستند خارج از رونوشت های کلاسیکی خود محاسبات را انجام و اجرا نمایند یعنی کارایی بسیار بالاتری را نسبت به کامپیوترهای معمولی از خود نشان می داد ند. وی مقاله ای را منتشر نمود که حاوی روشی برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در حل مشکل پیچیده ای در نظریه اعداد،به نام فاکتورگیری بود.او نشان داد که چگونه یک مجموعه از عملیات ریاضی که منحصراً برای کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده اند ، می توانند چنین دستگاهی را به انجام فاکتورگیری از اعداد بیشماری با سرعت بالاتر از کامپیوتر های کلاسیک ، قادر سازد با این اختراع ، محاسبات کوانتومی از یک کنجکاوی به یک توجه جهانی تبدیل شد.
از آن موقع به بعد، گروههای تحقیقاتی در سرتاسر دنیا مسابقه ای را برای پیش قدم شدن در ساخت یک سیستم عملی آغاز نمودند. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و فیزیک كوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه انرا محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری (Nano Computing ) می نامیم .محاسبات کوانتومی مشكلات گذشته را برطرف می سازدو افق جدیدی را ایجا دمی کند.
قدرت خارق العاده کامپیوتر کوانتومی در نتیجه وقوع پدیده ای موسوم به توازی کوانتومی، مکانیزمی که انجام و اجرای محاسبات حجیم ، زیاد و مکرر را به طور همزمان مقدور می سازد. این یک مقابله سخت و نیرومند و فرق نمایان و بزرگ با کامپیوترهای کلاسیک است که قادرند تنها هر عملیات را فقط به صورت یک عمل در هر با ر و البته خیلی سریع انجام دهند.
چه تفاوتی میان یک کامپیوتر کوانتومی ویک کامپیوترکلاسیک وجود دارد؟
بین كامپیوتر های كوانتومی و كامپیوتر های كلاسیك تفاوت های اساسی وجود دارد:
1- در کامپیوتر های كوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریزمانند نانو ذرات نیمه رسانا((نقاط کوانتومی- Quantum dots)) برای پردازش اطلاعات استفاده می كنند.یك اتم می تواند به عنوان یك بیت حافظه در رایانه عمل كند و جا به جایی اطلاعات از یك محل به محل دیگر نیز توسط نور امكان می پذیرد. ذخیره اطلاعات در کامپیوترهانیز به صورت سری هایی از بیت های با حالت های روشن و خاموش صورت می گیرد.
2- در مقایسه این 2نوع کامپیوتر می توان گفت،مسائلی که زمانی تصور می شد درکامپیوترهای کلاسیک غیر قابل حل است،درکامپیوتر های کوانتومی حل خواهد شدو شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت نزدیک تر می شود.حتی ابر کامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رسانی نرم افزار ،Email،بانک های آنلاین و تمام قلمرو رمز نگاری عمومی و امضاهای دیجیتال،فقط از دوروش رمز نگاری برای ایمن نگاه داشتن خود استفاده می کنند.
RSAوECC (رمزنگاری منحنی بیضی) دوروشی هستند که کشف رمز این روشها،برای کامپیوترهای کلاسیک تا حد زیادی ناشدنی است.ولی یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی برای شکستن هردوی این کدها،قدرتمند است.
(ECCبرای امضاهای دیجیتال استفاده می شود،که اطمینان میدهد یک پیغام واقعا توسط فرستنده مدعی،فرستاده شده است.RSAبرای بیشتر سیستمهای رمزنگاری کلید عمومی استفاده میشود،که در آن یک پیغام ،با یک کلید عمومی مجاز کدگذاری می شود و باید با قوانین ریاضی مبتنی بر کلید سرّی رمزگشایی شود. )
3-کامپیوترهای کوانتومی از یک خاصیت دیگر هم سود می برند که آنها را از کامپیوترهای کلاسیک مستثنی می کند و آن انتقال از راه دور است.انتقال از راه دور موجب می شود، اطلاعات یک ذره به ذره دیگری منتقل شود.درنتیجه کامپیوترهای کوانتومی برای انتقال بیت در درون و بیرون ساختار خود ،نیازمند سیم نیستند.
4-تفاوت دیگر کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک این است که،اندازه ترانزیستورها هر سال کوچکتر میشود.وقتی اندازه ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک می شود،دیگر قوانین حاکم بر فیزیک کلاسیک بر رفتار اتم ها حاکم نیست.
به طور مثال کسی نمیداند یک الکترون در زمان مشخصی ،دقیقاً در کجا قرار دارد یا کسی نمیتواند به درستی تشخیص دهد که الکترون در یک سیم به کجا میرود. یعنی وقتی به ابعاد اتمی نزدیک می شویم،فیزیک کوانتومی رفتار اتم ها را توضیح میدهد و دیگر قوانین فیزیک کلاسیک کاربرد ندارد.در واقع این نوع کامپیوترها با استفاده از فناوری های میکروسکوپی ذره ها کار می کنند.
5-همان طورکه می دانیم دریک کامپیوتر کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک ،اصول حاکم تغییر نموده اند.نه تنها،یک بیت کوانتومی، موسوم به کیوبیت می توانددرحالت های صفرویک کلاسیک وجودداشته باشد بلکه همچنین می تواننددرحالت برهم نهی قرارداشته باشد.هرگاه هر کیوبیت دریک کامپیوترکوانتومی درحالت برهم نهی واقع شده باشد ،آنگاه کامپیوتررامی توان درهرحالت ممکنی مجسم کرد که آن کیوبیت هامی توانندازخودنشان دهند.درواقع کامپیوتر های کوانتومی می تواند در یک زمان چندین حالت داشته باشد و این امکان راایجادمی کند که میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابرکامپیوتر های فعلی کار کند. چند حالت پذیری کیوبیت ها همان دلیلی است که باعث می شود کامپیوتر های کوانتومی ذاتاً از پردازش موازی بهره ببرند. پردازش موازی امکان کار کردن بر روی میلیون ها محاسبه در یک لحظه را به این کامپیوتر ها می دهد در حالی که کامپیوتر شخصی شما فقط یک محاسبه در لحظه انجام می دهد.
نحوه برقراری ارتباط درکامپیوترهای کوانتومی
از سوی دیگر باید تلاش کرد ترانزیستورهایی از جنس مورد نظر ساخت،زیرا ترانزیستورها،عامل تقویت ولتاژ در مدارهای الکترونیکی هستند و قدرت تقویت کنندگی آنها موجب افزایش سرعت کامپیوتر ها است.
این ترانزیستورها تاثیر مهمی در تولید کامپیوترهای آینده دارند و در صورتی که در ابتدا یا انتهای ساختار آنها،ترکیبی با دیگر نیمه هادی ها به خصوص طلا ایجاد شود یا حتی روی پوسته آنها نیمه هادی مهمی چون «روی» قرار داده شود،گام مهمی برای تولید قدرتمندترین ترانزیستورها برداشته ایم.
در واقع زمانی که این نیمه هادی های ترکیب شده،به یک باطری متصل می شوند و الکتریسیته دریافت می کنند،همچون یک ترانزیستور عمل کرده و موجب تقویت ولتاژ در مدار و همچنین موجب افزایش سرعت کامپیوتر می شوند.از آنجایی که جریان ورودی به این نیمه هادی ها قابل کنترل است،جریان خروجی از آنها هم قابل کنترل است. این ترکیب ها این قابلیت را دارند که در ساخت نقاط کوانتومی مورد استفاده در کامپیوترهای نسل آینده استفاده شوند.
این نقاط کوانتومی در واقع کریستال هایی از نوع نیمه هادی هستند،که قابلیت ذخیره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.این نقاط کوانتومی بهترین مکان برای ذخیره سازی اطلاعات در کامپیوترهای پیشرفته هستند. از سوی دیگر در صورتی که بتوان نقاط کوانتومی را با یکدیگر پیوند داد، می توان آنها را به اندازه تنها چند سانتی متر مربع در ساختار سخت افزاری کامپیوترها جای داد.به این ترتیب هر سانتی متر مربع از درایورهای ما می توانند صدها گیگا بایت از اطلاعات را در خود ذخیره کنند.
ادامه دارد...
مریم نایب زاده
بخش دانش و زندگی تبیان
منابع:
کتاب نانو تکنولوژی علم پایه وتکنولوژی نوظهور –Michael Wilson,Geoff Smith-مترجم جعفروطن خواه دولت سرا
Quantum computer.Archill Avaliani International university December2002*
.Quantum computer Andrewstean Received 13 Agust 1997*
( Quantum computation David.Divincenz(1995*
sw-quantum.blogfa.com ، merooj.parsiblog.com ، aftabir.com ، nano.ir ، vista.ir ، wired.com ، dailygalaxy.com adam-novagen.deviantart.com ، students.ou.edu ، computer.howstuffworks.com
