كامپیوترهاى كوانتومى
كامپیوترى كه روى میز تحریر شما جا خوش كرده، براى كاركردن باید یك مشت صفر و یك را بفهمد و دستكارى كند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد یا وضعیت مودم و موس شما با مجموعه اى از بیت هاى متشكل از صفرها و یك ها به كامپیوتر داده مى شود. این بیت هاى اطلاعات، خیلى ساده همان طورى تعریف مى شوند كه فیزیك كلاسیك دنیا را تعریف مى كند؛ سوئیچ هاى الكتریكى مى توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا مى توانند اینجا باشند، مى توانند هم نباشند! ولى كامپیوترهاى كوانتومى با طبیعت دودویى هاى فیزیك كلاسیك محدود نمى شوند همه اش به این بستگى دارد كه حالت بیت هاى كوانتومى یا همان كوبیت ها را چطور ببینیم؛ كوبیت ها ممكن است نشانگر یك صفر یا یك یك، تركیبى از این دو یا حتى معرف عددى باشند كه حالت آنها را جایى بین صفر و یك تعیین مى كند. با توجه به فیزیك كوانتومى، نمى توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یك ذره ریز درون اتمى را مشخص كرد. مى توان به وسیله آمار و احتمال، امكان وجود این ذره هاى ریز را در مكان و زمان مشخصى تعیین كرد، اما هیچ راهى براى دانستن قطعى این كه آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتى كه آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه كه در كامپیوترهاى كوانتومى با ارزش است همین احتمالات است. این احتمال بودن یا نبودن است كه نبودن یا بودن كامپیوترهاى كوانتومى را تعیین مى كند.
قدرت زیاد پردازنده هاى كنونى هنوز نتوانسته تشنگى بشر به سرعت و ظرفیت محاسبات را برطرف كند. در سال 1947 مهندس آمریكایى «هووارد آیكن» گفت كه فقط 6 كامپیوتر دیجیتال الكترونیكى نیاز محاسباتى تمام ایالت متحده را بر طرف مى كند. دیگران هم پیش بینى هاى مشابهى را درباره میزان قدرت محاسباتى لازم براى برطرف كردن نیاز هاى تكنولوژیكى روبه رشد انجام دادند. البته «آیكن» حجم زیاد اطلاعاتى كه از تحقیقات علمى ایجاد مى شد را به حساب نیاورده بود، گستردگى كامپیوتر ها به عنوان بخشى از زندگى روزمره انسان قرن جدید و ضرورت اینترنت به تنهایى مى تواند نیاز بشر به قدرت محاسبات را چند برابر كند. آیا انسان به قدرت مورد نیاز خود براى محاسبه و پردازش اطلاعات دست خواهد یافت؟
اگر همان طور كه «قانون مور» مى گوید، تعداد ترانزیستور هاى موجود در یك ریزپردازنده هر هجده ماه دو برابر شود _ و این روند با همین سرعت ادامه داشته باشد- در سال 2020 یا 2030 مدار هاى روى ریز پرداز نده ها باید در مقیاسى اتمى اندازه گیرى شوند. قدم بعدى كامپیوتر هاى كوانتومى است. كامپیوتر هایى كه با مهار كردن انرژى اتم ها و مولكول ها، از آنها به عنوان حافظه و پردازنده استفاده خواهند كرد. كامپیوتر هاى كوانتومى مى توانند محاسبات را میلیارد ها برابر سریع تر از هر كامپیوتر سیلیكونى دیگرى انجام دهند. دانشمندان پیش از این كامپیوتر هاى كوانتومى ساده اى كه توانایى انجام محاسبات مشخصى را داشته اند، طراحى كرده اند اما هنوز با یك كامپیوتر كوانتومى كاربردى فاصله زیادى دارند. براى رسیدن به زمان پیدایش ایده كامپیوتر هاى كوانتومى لازم نیست زیاد به عقب برگردیم.
تئورى كامپیوتر هاى كوانتومى بیست سال بیشتر ندارد. در سال 1981 فیزیكدان آزمایشگاه Argonne National ، «پل بنیوف» اولین تئورى كاربرد نظریه كوانتومى در كامپیوتر ها را منتشر كرد. ایده «بنیوف» ایجاد یك ماشین تورینگ كوانتومى بود. اغلب كامپیوتر هاى دیجیتالى، مثل همین كامپیوتر هایى كه من و شما با آن كار مى كنیم، براساس «نظریه تورینگ» طراحى شده اند. ماشین تورینگ كه در سال 1930 توسط «آلن تورینگ» معرفى شد از یك نوار حافظه با طول نامحدود و یك هد خواندن و نوشتن تشكیل شده بود. این نوار حافظه به خانه هاى كوچكى تقسیم مى شد كه هر كدام مى توانست حاوى صفر یا یك باشد یا اینكه خالى بماند. دستگاه خواندن و نوشتن با فرمان گرفتن از ماشین مى توانست حركت كند، علائم را بخواند یا تغییرى در آنها ایجاد كند. این چه ربطى به كامپیوتر هاى كوانتومى دارد؟ در یك ماشین تورینگ كوانتومى این نوار حافظه و دستگاه خواندن و نوشتن حالت كوانتومى دارد. یعنى اینكه علائم روى نوار مى توانند صفر، یك یا مقدارى بین صفر و یك باشند. به علاوه ماشین تورینگ فقط یك محاسبه در هر لحظه انجام مى دهد، حال آنكه نوع كوانتومى آن مى تواند تعداد زیادى محاسبه را در آن واحد به انجام برساند. كامپیوتر هاى امروزى مثل ماشین تورینگ با دستكارى بیت هایى كه در یكى از دو حالت صفر یا یك هستند كار مى كنند. ولى كامپیوتر هاى كوانتومى به دو حالت محدود نمى شوند. آنها اطلاعات را در قالب كیوبیت ها دریافت مى كنند.
محتویات یك كیوبیت همان طور كه گفته شد صفر، یك، هر دو یا چیزى بین این دو است. كیوبیت ها در واقع اتم هایى هستند كه با هم كار مى كنند تا یك حافظه یا پردازنده را به وجود آورند. اینكه كامپیوتر هاى كوانتومى مى توانند در یك زمان چندین حالت داشته باشند به آنها این امكان را مى دهد كه میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابركامپیوتر هاى فعلى كار كنند. چند حالت پذیرى كیوبیت ها همان دلیلى است كه باعث مى شود كامپیوتر هاى كوانتومى ذاتاً از پردازش موازى بهره ببرند. پردازش موازى امكان كار كردن بر روى میلیون ها محاسبه در یك لحظه را به این كامپیوتر ها مى دهد در حالى كه كامپیوتر شخصى شما فقط یك محاسبه در لحظه انجام مى دهد.
یك كامپیوتر كوانتومى 30 كیوبیتى قدرتى معادل كامپیوترى معمولى با توانایى انجام 10 ترا محاسبه بر روى اعداد اعشارى در یك ثانیه _ ترافلاپس ( Teraflops )- دارد. سریع ترین ابركامپیوتر كنونى سرعتى برابر 2 ترافلاپس دارد.
پژوهشگران شركت IBM با استفاده از تكنیك هاى تشدید مغناطیسى هسته اى (NMR) یك كامپیوتر كوانتومى ساخته اند كه اسپین اتم هاى مجزا را اندازه گیرى و دستكارى مى كند. انفجار انرژى امواج رادیویى مى تواند با تغییر سطح انرژى یك اتم، پروسه شمارش را شروع كند. پروسه اى كه در تقابل با سایر اتم ها و به صورت كنترل شده اى مى تواند الگویى از شمارش كوانتومى را به وجود آورد. الگویى كه مى تواند به جواب حاصل از كامپیوترهاى معمولى مربوط باشد.
دلایل زیادى براى این همه تلاش پژوهشگران جهت ساخت و توسعه كامپیوترهاى كوانتومى وجود دارد. اول اینكه اتم ها مى توانند حالت انرژى خود را با سرعت فوق العاده اى تغییر دهند، سرعتى كه نهایتاً باعث افزایش سرعت پردازش اطلاعات كامپیوترها مى شود. دیگر اینكه اگر مسئله اى كه به هر كیوبیت داده مى شود با ذات كامپیوتر كوانتومى سنخیت داشته باشد هر كیوبیت مى تواند جاى یك پردازنده كامل را بگیرد. یعنى اینكه 1000 یون باریوم مى توانند به جاى 1000 پردازنده كامپیوتر كار كنند! كلید استفاده از این قابلیت یافتن گونه مسائلى است كه یك كامپیوتر كوانتومى مى تواند حل كند. خیلى بعید است كه روزى شما شاهد حضور یك كامپیوتر كوانتومى روى میز كارتان باشید. چرا كه این كامپیوترها براى انجام كارهایى چون پردازش متون یا چك كردن اى میل طراحى نشده اند. از طرفى دیگر رمزگشایى و رمزگذارى در ابعاد وسیع براى كامپیوترهاى كوانتومى ایده آل است. و كاركردن با پایگاه هاى داده بزرگ جزء بخش هایى است كه مسلماً كامپیوترهاى كوانتومى حرف اول را در آن خواهند زد.
كامپیوتر هاى كوانتومى مى توانند روزى جاى كامپیوتر هاى سیلیكونى را بگیرند همان طور كه ترانزیستور ها حباب هاى خلأ را از میدان به در كردند. البته امروزه تكنولوژى مورد نیاز براى این كامپیوتر ها چندان پیشرفت نكرده است. اغلب تحقیقات در باب كامپیوتر هاى كوانتومى هنوز در حد تئورى اند. پیشرفته ترین كامپیوتر كوانتومى حاضر هنوز از پس كار كردن با بیش از 7 كیوبیت برنیامده است. یعنى آنها هنوز در مرحله 1+1=2 هستند. علاوه بر این، آنچه كه كامپیوتر هاى معمولى امروزى به زحمت و به كندى انجام مى دهند، كامپیوتر هاى كوانتومى، به سرعت و در كسرى از ثانیه انجام خواهند داد.
كامپیوتر هاى كوانتومى مى توانند فاكتوریل اعداد بزرگ را در كسرى از ثانیه محاسبه كنند. از آنها مى توان براى جست وجو در پایگاه هاى داده بزرگ و رمز گذارى و رمز گشایى استفاده كرد. اگر امروز یكى از آنها وجود داشت دیگر هیچ، اطلاعاتى بر روى اینترنت امن نبود. سیستم هاى ساده كد گذارى امروز در برابر سیستم هاى پیچیده كامپیوتر هاى كوانتومى فردا حرفى براى گفتن نخواهند داشت.
وجود اینچنین كاربردهاى وسیع و مهمى است كه دانشمندان را به كار بر روى كامپیوترهاى كوانتومى مشتاق كرده است. اگرچه دانشمندان و مهندسان تعدادى كامپیوتر كوانتومى كوچك ساخته اند ولى در راه تولید و توسعه كامپیوترهاى كوانتومى تجارى كارا مشكلات مهمى وجود دارد. مهمترین آنها حفظ یك یون در حالت پایدار، هنگام مشاهده سطح انرژى و جهت اسپین آن است. در حال حاضر یون ها با استفاده از لیزر در دمایى نزدیك به صفر مطلق نگهدارى مى شوند. این كار را بعد از جداسازى یك اتم از گروهى و قرار دادن آن در جاى خودش انجام مى دهند. تا به حال گونه هاى ارائه شده از كامپیوترهاى كوانتومى چیزى بین دو تا چهار اتم داشته اند. تكنیك هاى NMR كه به وسیله IBM استفاده شده است راهى براى تحقیق درباره تاثیر حالت یون ها بدون مشاهده مستقیم آنها ارائه مى دهد. مشاهده مستقیم یون ها منجر به از بین رفتن احتمالات و لفظ «هردو یا چیزى بین صفر و یك» خواهد شد، این یعنى نابود كردن بنیاد كامپیوترهاى كوانتومى.
اما كامپیوتر هاى كوانتومى هنوز راه زیادى براى پیمودن و پیشرفت دارند. آنها براى مواجه شدن با مشكلات دنیاى واقعى باید حداقل چندین جین كیوبیت داشته باشند.
از كامپیوتر هاى كوانتومى مى توان براى رمز گذارى و رمز گشایى استفاده كرد اگر امروز یكى از آنها وجود داشت دیگر هیچ اطلاعاتى بر روى اینترنت امن نبود
