کامپیوتر کوانتومی (3)

علم قدم بزرگی به سوی عصر جدیدی ازنسل کامپیوترهای بسیار سریع برداشته است. کامپیوترهایی که حتی از بزرگترین ابرکامپیوترهای مورد استفاده در امروزه به شکلی تصاعدی سریعتر خواهند بود.همان طورکه درقسمت های (1) و (2) نیزتا حدودی بیان کردیم،درکامپیوترهای کوانتومی اصول حاکم تغییرمی کند.دراین قسمت واهمدوسی ،قدرت وتوانایی محاسبه کوانتومی وچگونه کا رکردن یک کامپیوترکوانتومی مطرح می شود.

واهمدوسی(Decoherence)،دشمن محاسبات کوانتومی

دوکیوبیت کوانتومی منفردممکن است طوری باهم همبستگی (correlate)پیداکنند که هرگاه یک کیوبیت درحالت برهم نهی واقع شده باشد،بتواند حالت کیوبیت دیگرراتحت تاثیرخود قراردهد،به طوری که کیوبیت دوم هم به حالت برهم نهی وجودداشته باشد.این نوع همبستگی به درهم تنیدگی( entanglement)،گره خوردگی یاایجادمانع موسوم است وتنها برهم نهی کامل (entire superposition)اطلاعات راحمل می کند.وقتی که دوموج کوانتومی برهم منطبق شده باشند،همانند یک موج رفتار می کنندوگفته می شود که آن ها همدوس می باشند،فرایندی که بوسیله آن دوموج همدوس دوباره به حالت های اولیه خود برمی گردند،وهویت های انفرادی (individual identitie) اولیه خودرادوباره به دست می آورند،واهمدوسی نامیده می شود.برای یک الکترون درانطباقی ازدوحالت انرژی مختلف (یا تقریبا دوموقعیت متفاوت درون یک اتم)واهمدوسی می تواند مدت زمان بسیاری طول بکشد،ممکن است گاهی اوقات روزها به طول انجامد.یکی از موانع اصلی درک وتحلیل محاسبه کوانتومی ،مسئله واهمدوسی می باشد.حالت برهم نهی یک کیوبیت بسیار زودگذر وناپایدار می باشد،تقریبا هر چیزی نظیریک الکترون یافوتون سرگردان می تواندسبب فروریختن ومتلاشی شدن کیوبیت همدوس وقرارگرفتن آن دریکی ازدوحالت کلاسیکی گردد.

بنابراین تعدادمحاسباتی که یک کامپیوتر می تواند انجام دهد به زمانی که کیوبیت ها می توانند همدوس باقی بمانند،مربوط می شود.این مسئله بااین واقعیت درهم آمیخته است که حتی اندازه گیری یک کیوبیت می توانند سبب فروپاشی آن گردد.بنابراین ما نمی توانیم حتی یک کیوبیت را کنترل نماییم وببینیم که چه اتفاقی می افتد،زیرا این فرایند آزمایش خود،حالت برهم نهی رامتلاشی خواهدکردومحاسبات قبل از اینکه تمام شده باشندمتوقف خواهند شد. دریک کامپیوتر کلاسیک،الگوریتم ها طوری بسط وتوسعه یافته اندکه هرنوع خطایی را که به درون محاسبه راه پیدا می کنند قبل ازاینکه آن ها محاسبه را به طور کامل واژگون،دگرگون ویا تخریب سازند،تصحیح می کنند؛تصحیح خطا یک بخش روتین یامعمول ازارتباطات رقمی مدرن یا جدید می باشد.درهرصورت،نظریات کلاسیک برای تصحیح خطا وتحمل عیب را نمی توان به آسانی به سیستم های کوانتومی عمومیت داد.درسال 1995،steaneوshor مستقلا کدهای تصحیح خطای کوانتومی راکشف کردند که دربعضی ازمقالات مروری جدیدترباجزئیات بیشتری توسط preskillوsteanمورد بحث قرار گرفته است.درادامه این کار ،knillوهمکارانش نشان دادند که علیرغم تاثیرات تضعیف کننده واهمدوسی،یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور موفقیت آمیزی یک محاسبه دلخواه طولانی را انجام دهد.این اصول جدید وآزمایشهای اخیر نشان می دهند که بعضی از سیستم ها می توانند برای چندین ساعت برهم نهی کوانتومی راحفظ کنند،که این خود نوید این را می دهد که کامپیوتر های کوانتومی بر مشکلات واهمدوسی غلبه خواهند کرد.

قدرت وتوانایی محاسبه کوانتومی

تنها با یک کیوبیت،یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از قبل کارهایی را انجام دهد که هیچ کامپیوتر کلاسیکی قادر به انجام آن نیست .یک اتم تنها رادردوحالت برهم نهی صفرویک در نظربگیرید.هرگاه ما آن راوادار به تابش فلوئورسانس نماییم درتلاش برای کشف وفهمیدن اینکه در چه ترازی به سرمی برد،درنیمی اززمان طی شده فوتونی رامنتشرخواهدکردکه نشان می دهد،اتم در حالت یک به سر میبرد و در بقیه زمان هیچ فوتونی منتشر نمی شود و کیوبیت در حالت صفر قرار دارد.این بدین معناست که این بیت ،یک بیت تصادفی است؛بدین ترتیب ما یک تولید کننده اعداد تصادفی را پدید آوردهایم،چیزی که با استفاده ازیک کامپیوتر کلاسیک نمی توان به آن دست یافت .درهر حال ،قدرت واقعی محاسبه کوانتومی بایک سیستم متشکل ازتعدادزیادی ازکیوبیت ها،میسرمی گردد وبه وقوع می پیوندد.در حالیکه در یک سیستم کلاسیک توان جستجوی سیستم بطور خطی با تعداد کامپیوترهای به کار رفته افزایش می یابد.

چگونه یک کامپیوترکوانتومی کارمی کند؟

اطلاعات از تکه های مجزامشابه باانفصال سطوح انرژی دریک اتم ناشی میشوند.یک کامپیوتر کلاسیکی حاوی این اطلاعات رقمی است وازمسیری به صورت مجموعه ای از بیت ها می گذرد.یک کامپیوتر کوانتومی بایستی این ویژگی مجزا از اطلاعات رقمی رابا ویژگی مجزای عجیبی از مکانیک کوانتومی وفق دهد.برای انجام این کاریک سیستم کوانتومی نظیر یک اتم را می توان به کاربرد،چرا که سطوح انرژی مجزایی داردکه می توانند بیت هایی ازاطلاعات مشابه ترانزیستورها رادرخود نگه دارد،دریک حالت انرژی می تواند مقدارصفرودرحالت انرژی دیگرمی تواندحالت یک رااختیارکند.برای اینکه خوشه ای ازاتم ها به صورت یک کامپیوتر کارکنندبایستی اطلاعات راروی سیستم فراخواند،آن ها راازطریق دستکاری منطقی ساده پردازش کردوسپس پاسخ راقرائت نمود.به بیان دیگر،سیستم های کوانتومی بایستی توانایی خواندن،نوشتن وانجام عملیات حسابی راداشته باشند.مثالی از اینکه چگونه می توان این عملیات رابااستفاده از سیستم های اتمی انجام داد،درزیرآماده است.

نوشتن دریک کامپیوتر کوانتومی تکامل یافته

چگونه ما اطلاعات رادرون یک کامپیوترکوانتومی می نویسیم؟یک روش عبارتست ازتحریک اتم ها بااستفاده ازنورلیزر.میتوان انرژی حالت پایه اتم هیدروژن به صورت درنظر گرفت . هرگاه ما بخواهیم یک 0 درون این اتم بنویسیم کاری انجام نمی دهیم . در هر حال ، اگر ما بخواهیم 1 بنویسیم ، می توانیم اتم را از حالت پایه به حالت برانگیخته ببریم یعنی از سطح انرژی به سطح انرژی ، و این کار را با استفاده از پالسی از نور لیزربا انرژی انجام می دهیم . همانطور که الکترون فوتون را جذب می کند ، به تدریج از حالت پایه به حالت برانگیخته جا به جا می گردد. هر گاه اتم قبلا در حالت برانگیخته بوده باشد ، همان پالس باعث خواهد شد که یک فوتون انرژی نشر کرده و به حالت پایه برگردد. بنابراین پالسی از نور سبب خواهد شد که اتم از کیوبیت خود جهش پیدا کند و این روشی از ذخیره اطلاعات است. هر گاه فرکانس فوتونها با اختلاف انرژی میان سطوح انرژی جور نباشد ، هیچ اتفاقی نخواهد افتاد . اما اگر ما فقط فرکانس درست را اعمال کنیم ، در نصف مدت زمان لازم برای وقوع یک جهش کیوبیت ، چه اتفاقی رخ می دهد؟ در یک کامپیوتر کلاسیک این پدیده منجر به بروز خطاهایی خواهد شد چرا که آن فقط می تواند در یک حالت 0 یا 1 وجود داشته باشد و ما مطمئن نخواهیم بود که در نهایت به کدام حالت ختم خواهد شد و در کدام حالت بسر خواهیم برد . در جهان کوانتومی ، این اتم در یک حالت انطباق از هر دو حالت 0 و 1 با دامنه های یکسان وجود خواهد داشت.

یعنی ، کیوبیت تنها در نیمی از مسیر جهش پیدا میکند. این کیوبیت جهش یافته در نیمی از مسیر ، دلیلی برای قدرت بالقوه محاسبه کوانتومی است.

خواندن ازیک کامپیوتر کوانتومی تکامل یافته

خواندن حالت کیوبیت ها دریک کامپیوترکوانتومی بسیارشبیه به فرایند نوشتن وورود داده ها می باشد.به همین دلیل مانیاز به سطح انرژی سومی به صورت داریم که به خوبی از جداشده باشد.حال ما پالس انرژی معادل را که از متفاوت است اعمال می کنیم وفوتون های منتشرشده راآنالیز می کنیم.اگرالکترون ازاول،درحالت به سربرده باشداین فوتون راجذب خواهدکرد وبه سطح انرژی (یک حالت بالاترباپایداری کمتر) برانگیخته خواهد شد.درنتیجه سریعا باانتشارفوتونی معادل ،دچارزوال ونابودی خواهدشد.هرگاه الکترون درحالت پایه بوده باشد هیچ اتفاقی نخواهد افتاد زیراانرژی صحیح لازم برای برانگیخته شدن آن به اعمال نشده است. توجه کنیدکه خروج وقرائت آن ها فقط زمانی امکان پذیر است که کیوبیت ها در حالت های صفر ویک بااحتمال بالایی وجودداشته باشند.هرگاه اتمی درحالت برهم نهی واقع شده باشد،احتمالات یکسانی برای نشرکردن یا نشرنکردن یک فوتون وجود دارد.بااین روش تعیین حالت اولیه ی هر کیوبیت میسراست.