کامپیوترهاى کوانتومى

ترجمه: شايان شهند

كامپيوترى كه روى ميز تحرير شما جا خوش كرده، براى كاركردن بايد يك مشت صفر و يك را بفهمد و دستكارى كند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد يا وضعيت مودم و موس شما با مجموعه اى از بيت هاى متشكل از صفرها و يك ها به كامپيوتر داده مى شود. اين بيت هاى اطلاعات، خيلى ساده همان طورى تعريف مى شوند كه فيزيك كلاسيك دنيا را تعريف مى كند؛ سوئيچ هاى الكتريكى مى توانند روشن يا خاموش باشند، اشيا مى توانند اينجا باشند، مى توانند هم نباشند! ولى كامپيوترهاى كوانتومى با طبيعت دودويى هاى فيزيك كلاسيك محدود نمى شوند همه اش به اين بستگى دارد كه حالت بيت هاى كوانتومى يا همان كوبيت ها را چطور ببينيم؛ كوبيت ها ممكن است نشانگر يك صفر يا يك يك، تركيبى از اين دو يا حتى معرف عددى باشند كه حالت آنها را جايى بين صفر و يك تعيين مى كند. با توجه به فيزيك كوانتومى، نمى توان دقيقاً وجود يا عدم وجود يك ذره ريز درون اتمى را مشخص كرد. مى توان به وسيله آمار و احتمال، امكان وجود اين ذره هاى ريز را در مكان و زمان مشخصى تعيين كرد، اما هيچ راهى براى دانستن قطعى اين كه آيا اين ذره آنجا هست يا نه، تا وقتى كه آن را مستقيماً نديده ايم وجود ندارد. البته آنچه كه در كامپيوترهاى كوانتومى با ارزش است همين احتمالات است. اين احتمال بودن يا نبودن است كه نبودن يا بودن كامپيوترهاى كوانتومى را تعيين مى كند.

قدرت زياد پردازنده هاى كنونى هنوز نتوانسته تشنگى بشر به سرعت و ظرفيت محاسبات را برطرف كند. در سال 1947 مهندس آمريكايى «هووارد آيكن» گفت كه فقط 6 كامپيوتر ديجيتال الكترونيكى نياز محاسباتى تمام ايالت متحده را بر طرف مى كند. ديگران هم پيش بينى هاى مشابهى را درباره ميزان قدرت محاسباتى لازم براى برطرف كردن نياز هاى تكنولوژيكى روبه رشد انجام دادند. البته «آيكن» حجم زياد اطلاعاتى كه از تحقيقات علمى ايجاد مى شد را به حساب نياورده بود، گستردگى كامپيوتر ها به عنوان بخشى از زندگى روزمره انسان قرن جديد و ضرورت اينترنت به تنهايى مى تواند نياز بشر به قدرت محاسبات را چند برابر كند. آيا انسان به قدرت مورد نياز خود براى محاسبه و پردازش اطلاعات دست خواهد يافت؟

اگر همان طور كه «قانون مور» مى گويد، تعداد ترانزيستور هاى موجود در يك ريزپردازنده هر هجده ماه دو برابر شود _ و اين روند با همين سرعت ادامه داشته باشد- در سال 2020 يا 2030 مدار هاى روى ريز پرداز نده ها بايد در مقياسى اتمى اندازه گيرى شوند. قدم بعدى كامپيوتر هاى كوانتومى است. كامپيوتر هايى كه با مهار كردن انرژى اتم ها و مولكول ها، از آنها به عنوان حافظه و پردازنده استفاده خواهند كرد. كامپيوتر هاى كوانتومى مى توانند محاسبات را ميليارد ها برابر سريع تر از هر كامپيوتر سيليكونى ديگرى انجام دهند. دانشمندان پيش از اين كامپيوتر هاى كوانتومى ساده اى كه توانايى انجام محاسبات مشخصى را داشته اند، طراحى كرده اند اما هنوز با يك كامپيوتر كوانتومى كاربردى فاصله زيادى دارند. براى رسيدن به زمان پيدايش ايده كامپيوتر هاى كوانتومى لازم نيست زياد به عقب برگرديم.

تئورى كامپيوتر هاى كوانتومى بيست سال بيشتر ندارد. در سال 1981 فيزيكدان آزمايشگاه Argonne National، «پل بنيوف» اولين تئورى كاربرد نظريه كوانتومى در كامپيوتر ها را منتشر كرد. ايده «بنيوف» ايجاد يك ماشين تورينگ كوانتومى بود. اغلب كامپيوتر هاى ديجيتالى، مثل همين كامپيوتر هايى كه من و شما با آن كار مى كنيم، براساس «نظريه تورينگ» طراحى شده اند. ماشين تورينگ كه در سال 1930 توسط «آلن تورينگ» معرفى شد از يك نوار حافظه با طول نامحدود و يك هد خواندن و نوشتن تشكيل شده بود. اين نوار حافظه به خانه هاى كوچكى تقسيم مى شد كه هر كدام مى توانست حاوى صفر يا يك باشد يا اينكه خالى بماند. دستگاه خواندن و نوشتن با فرمان گرفتن از ماشين مى توانست حركت كند، علائم را بخواند يا تغييرى در آنها ايجاد كند. اين چه ربطى به كامپيوتر هاى كوانتومى دارد؟ در يك ماشين تورينگ كوانتومى اين نوار حافظه و دستگاه خواندن و نوشتن حالت كوانتومى دارد. يعنى اينكه علائم روى نوار مى توانند صفر، يك يا مقدارى بين صفر و يك باشند. به علاوه ماشين تورينگ فقط يك محاسبه در هر لحظه انجام مى دهد، حال آنكه نوع كوانتومى آن مى تواند تعداد زيادى محاسبه را در آن واحد به انجام برساند. كامپيوتر هاى امروزى مثل ماشين تورينگ با دستكارى بيت هايى كه در يكى از دو حالت صفر يا يك هستند كار مى كنند. ولى كامپيوتر هاى كوانتومى به دو حالت محدود نمى شوند. آنها اطلاعات را در قالب كيوبيت ها دريافت مى كنند.

محتويات يك كيوبيت همان طور كه گفته شد صفر، يك، هر دو يا چيزى بين اين دو است. كيوبيت ها در واقع اتم هايى هستند كه با هم كار مى كنند تا يك حافظه يا پردازنده را به وجود آورند. اينكه كامپيوتر هاى كوانتومى مى توانند در يك زمان چندين حالت داشته باشند به آنها اين امكان را مى دهد كه ميليون ها بار سريع تر و قدرتمند تر از ابركامپيوتر هاى فعلى كار كنند. چند حالت پذيرى كيوبيت ها همان دليلى است كه باعث مى شود كامپيوتر هاى كوانتومى ذاتاً از پردازش موازى بهره ببرند. پردازش موازى امكان كار كردن بر روى ميليون ها محاسبه در يك لحظه را به اين كامپيوتر ها مى دهد در حالى كه كامپيوتر شخصى شما فقط يك محاسبه در لحظه انجام مى دهد.

يك كامپيوتر كوانتومى 30 كيوبيتى قدرتى معادل كامپيوترى معمولى با توانايى انجام 10 ترا محاسبه بر روى اعداد اعشارى در يك ثانيه _ ترافلاپس (Teraflops)- دارد. سريع ترين ابركامپيوتر كنونى سرعتى برابر 2 ترافلاپس دارد.

پژوهشگران شركت IBM با استفاده از تكنيك هاى تشديد مغناطيسى هسته اى (NMR) يك كامپيوتر كوانتومى ساخته اند كه اسپين اتم هاى مجزا را اندازه گيرى و دستكارى مى كند. انفجار انرژى امواج راديويى مى تواند با تغيير سطح انرژى يك اتم، پروسه شمارش را شروع كند. پروسه اى كه در تقابل با ساير اتم ها و به صورت كنترل شده اى مى تواند الگويى از شمارش كوانتومى را به وجود آورد. الگويى كه مى تواند به جواب حاصل از كامپيوترهاى معمولى مربوط باشد.

دلايل زيادى براى اين همه تلاش پژوهشگران جهت ساخت و توسعه كامپيوترهاى كوانتومى وجود دارد. اول اينكه اتم ها مى توانند حالت انرژى خود را با سرعت فوق العاده اى تغيير دهند، سرعتى كه نهايتاً باعث افزايش سرعت پردازش اطلاعات كامپيوترها مى شود. ديگر اينكه اگر مسئله اى كه به هر كيوبيت داده مى شود با ذات كامپيوتر كوانتومى سنخيت داشته باشد هر كيوبيت مى تواند جاى يك پردازنده كامل را بگيرد. يعنى اينكه 1000 يون باريوم مى توانند به جاى 1000 پردازنده كامپيوتر كار كنند! كليد استفاده از اين قابليت يافتن گونه مسائلى است كه يك كامپيوتر كوانتومى مى تواند حل كند. خيلى بعيد است كه روزى شما شاهد حضور يك كامپيوتر كوانتومى روى ميز كارتان باشيد. چرا كه اين كامپيوترها براى انجام كارهايى چون پردازش متون يا چك كردن اى ميل طراحى نشده اند. از طرفى ديگر رمزگشايى و رمزگذارى در ابعاد وسيع براى كامپيوترهاى كوانتومى ايده آل است. و كاركردن با پايگاه هاى داده بزرگ جزء بخش هايى است كه مسلماً كامپيوترهاى كوانتومى حرف اول را در آن خواهند زد.

كامپيوتر هاى كوانتومى مى توانند روزى جاى كامپيوتر هاى سيليكونى را بگيرند همان طور كه ترانزيستور ها حباب هاى خلأ را از ميدان به در كردند. البته امروزه تكنولوژى مورد نياز براى اين كامپيوتر ها چندان پيشرفت نكرده است. اغلب تحقيقات در باب كامپيوتر هاى كوانتومى هنوز در حد تئورى اند. پيشرفته ترين كامپيوتر كوانتومى حاضر هنوز از پس كار كردن با بيش از 7 كيوبيت برنيامده است. يعنى آنها هنوز در مرحله 2=1+1 هستند. علاوه بر اين، آنچه كه كامپيوتر هاى معمولى امروزى به زحمت و به كندى انجام مى دهند، كامپيوتر هاى كوانتومى، به سرعت و در كسرى از ثانيه انجام خواهند داد.

كامپيوتر هاى كوانتومى مى توانند فاكتوريل اعداد بزرگ را در كسرى از ثانيه محاسبه كنند. از آنها مى توان براى جست وجو در پايگاه هاى داده بزرگ و رمز گذارى و رمز گشايى استفاده كرد. اگر امروز يكى از آنها وجود داشت ديگر هيچ، اطلاعاتى بر روى اينترنت امن نبود. سيستم هاى ساده كد گذارى امروز در برابر سيستم هاى پيچيده كامپيوتر هاى كوانتومى فردا حرفى براى گفتن نخواهند داشت.

وجود اينچنين كاربردهاى وسيع و مهمى است كه دانشمندان را به كار بر روى كامپيوترهاى كوانتومى مشتاق كرده است. اگرچه دانشمندان و مهندسان تعدادى كامپيوتر كوانتومى كوچك ساخته اند ولى در راه توليد و توسعه كامپيوترهاى كوانتومى تجارى كارا مشكلات مهمى وجود دارد. مهمترين آنها حفظ يك يون در حالت پايدار، هنگام مشاهده سطح انرژى و جهت اسپين آن است. در حال حاضر يون ها با استفاده از ليزر در دمايى نزديك به صفر مطلق نگهدارى مى شوند. اين كار را بعد از جداسازى يك اتم از گروهى و قرار دادن آن در جاى خودش انجام مى دهند. تا به حال گونه هاى ارائه شده از كامپيوترهاى كوانتومى چيزى بين دو تا چهار اتم داشته اند. تكنيك هاى NMR كه به وسيله IBM استفاده شده است راهى براى تحقيق درباره تاثير حالت يون ها بدون مشاهده مستقيم آنها ارائه مى دهد. مشاهده مستقيم يون ها منجر به از بين رفتن احتمالات و لفظ «هردو يا چيزى بين صفر و يك» خواهد شد، اين يعنى نابود كردن بنياد كامپيوترهاى كوانتومى.

اما كامپيوتر هاى كوانتومى هنوز راه زيادى براى پيمودن و پيشرفت دارند. آنها براى مواجه شدن با مشكلات دنياى واقعى بايد حداقل چندين جين كيوبيت داشته باشند.

از كامپيوتر هاى كوانتومى مى توان براى رمز گذارى و رمز گشايى استفاده كرد اگر امروز يكى از آنها وجود داشت ديگر هيچ اطلاعاتى بر روى اينترنت امن نبود.