محاسبات کوانتومی چیست؟

 

محاسبات کوانتومی حوزه ای از علوم کامپیوتر است که بر توسعه فناوری های مبتنی بر اصول نظریه کوانتومی متمرکز است . محاسبات کوانتومی از رفتارهای منحصر به فرد فیزیک کوانتومی برای حل مسائلی استفاده می کند که برای محاسبات کلاسیک بسیار پیچیده هستند .

توسعه رایانه‌های کوانتومی نشان‌دهنده یک جهش رو به جلو در قابلیت محاسباتی است، با پتانسیل افزایش عملکرد عظیم در موارد استفاده خاص. برای مثال، انتظار می‌رود محاسبات کوانتومی در کارهایی مانند فاکتورسازی اعداد صحیح و شبیه‌سازی برتری داشته باشد و پتانسیل استفاده در صنایعی مانند داروسازی، مراقبت‌های بهداشتی، تولید، امنیت سایبری و مالی را نشان دهد.

به گفته نشریه تجاری صنعتی The Quantum Insider ، بیش از 600 شرکت و بیش از 30 آزمایشگاه ملی و سازمان دولتی در سراسر جهان وجود دارد که در حال توسعه فناوری محاسبات کوانتومی هستند. این شامل غول های فناوری مستقر در ایالات متحده مانند آمازون، گوگل، هیولت پاکارد اینترپرایز، هیتاچی، آی بی ام، اینتل و مایکروسافت و همچنین موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه آکسفورد و آزمایشگاه ملی لوس آلاموس می شود. سایر کشورها از جمله بریتانیا، استرالیا، کانادا، چین، آلمان، اسرائیل، ژاپن و روسیه سرمایه گذاری های قابل توجهی در فناوری های محاسباتی کوانتومی انجام داده اند. بریتانیا اخیراً یک برنامه محاسبات کوانتومی با بودجه دولت راه اندازی کرده است. در سال 2020، دولت هند مأموریت ملی خود را در زمینه فناوری‌ها و کاربردهای کوانتومی معرفی کرد.

بر اساس گزارش “بازار محاسبات کوانتومی” از Markets N Research ، ارزش بازار جهانی محاسبات کوانتومی در سال 2021 برابر با 395 میلیون دلار بود . این گزارش پیش بینی می کند که بازار تا سال 2028 به حدود 532 میلیون دلار افزایش یابد.

اگرچه محاسبات کوانتومی یک فناوری به سرعت در حال ظهور است، اما این پتانسیل را دارد که پس از رسیدن به بلوغ، یک فناوری مخرب باشد . شرکت‌های محاسبات کوانتومی در سرتاسر جهان در حال ظهور هستند، اما کارشناسان تخمین می‌زنند که ممکن است سال‌ها طول بکشد تا محاسبات کوانتومی مزایای عملی را ارائه دهد.

اولین کامپیوتر کوانتومی تجاری موجود در سال 2011 توسط D-Wave Systems منتشر شد. در سال 2019، IBM سیستم Quantum One را منتشر کرد و در نوامبر 2022، از بزرگترین کامپیوتر کوانتومی تا کنون، Osprey، رونمایی کرد.

اگرچه ایده استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی می تواند هیجان انگیز باشد، بعید است که اکثر سازمان ها آن را بسازند یا بخرند. در عوض، آنها ممکن است ترجیح دهند از خدمات مبتنی بر ابر استفاده کنند که دسترسی از راه دور را امکان پذیر می کند. به عنوان مثال، Amazon Braket، Microsoft Azure Quantum و Rigetti Quantum Cloud Services همگی محاسبات کوانتومی را به عنوان یک سرویس ارائه می دهند.

کامپیوترهای کوانتومی تجاری بسته به قدرت پردازشی از 5000 تا 15 میلیون دلار در دسترس هستند. به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی با 50 کیوبیت می تواند تا 10 میلیون دلار قیمت داشته باشد.

 

محاسبات کوانتومی چگونه کار می کند؟

نظریه کوانتومی ماهیت و رفتار انرژی و ماده را در سطوح کوانتومی یا اتمی و زیراتمی توضیح می دهد. محاسبات کوانتومی از نحوه عملکرد ماده کوانتومی بهره می‌برد: در حالی که محاسبات کلاسیک از بیت‌های باینری که در وضعیت 1 و 0 هستند استفاده می‌کند – محاسبات کوانتومی از 1، 0 و هر دو 1 و 0 به طور همزمان استفاده می‌کند. کامپیوتر کوانتومی بیشتر قدرت پردازشی خود را از همین موضوع به دست می آورد زیرا بیت ها می توانند همزمان در چندین حالت باشند.

رایانه‌های کوانتومی از ناحیه‌ای تشکیل شده‌اند که کیوبیت‌ها را در خود جای می‌دهد ، روشی که سیگنال‌ها را به کیوبیت‌ها منتقل می‌کند، و رایانه‌ای کلاسیک که برنامه‌ای را اجرا می‌کند و دستورالعمل‌ها را ارسال می‌کند.

یک کیوبیت یا بیت کوانتومی معادل بیت در محاسبات کلاسیک است. همانطور که بیت واحد اصلی اطلاعات در یک کامپیوتر کلاسیک است، کیوبیت نیز واحد پایه اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی است. رایانه‌های کوانتومی از ذراتی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها استفاده می‌کنند که به آنها بار یا قطبش داده می‌شود تا به‌عنوان 0، 1 یا هر دو 0 و 1 عمل کنند. دو جنبه مرتبط فیزیک کوانتومی، اصول برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی هستند .

برهم نهی به قرار دادن اطلاعات کوانتومی یک کیوبیت در حالتی از تمام تنظیمات ممکن اشاره دارد، در حالی که درهم تنیدگی به تغییر مستقیم یک کیوبیت دیگر اشاره دارد.

کامپیوترهای کوانتومی معمولاً منابع زیادی دارند و برای کارکرد صحیح به مقدار قابل توجهی انرژی و خنک کننده نیاز دارند. سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی عمدتاً از سیستم‌های خنک‌کننده تشکیل شده‌اند که یک پردازنده ابررسانا را در دمای فوق‌العاده خنک نگه می‌دارند. برای مثال می توان از یخچال رقیق کننده به عنوان خنک کننده استفاده کرد که دما را در محدوده میلی کلوین (mK) نگه می دارد. به عنوان مثال، IBM از این مایع خنک‌کننده استفاده کرده است تا سیستم آماده کوانتومی خود را تا حدود 25 mK حفظ کند، این دما حدود منفی 272 سانتی گراد است. در این دمای فوق‌العاده پایین، الکترون‌ها می‌توانند از طریق ابررساناها که جفت‌های الکترونی ایجاد می‌کنند، جریان پیدا کنند.

ویژگی های محاسبات کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی برای انجام محاسبات پیچیده با حجم عظیمی از داده ها با استفاده از ویژگی های زیر طراحی شده اند:

برهم نهی. برهم نهی به کیوبیت هایی اطلاق می شود که در تمام پیکربندی ها به طور همزمان هستند. کیوبیت را به عنوان یک الکترون در میدان مغناطیسی در نظر بگیرید. اسپین الکترون ممکن است یا در راستای میدان باشد که به عنوان حالت اسپین به بالا شناخته می شود یا در مقابل میدان که به عنوان حالت اسپین به پایین شناخته می شود. تغییر اسپین الکترون از یک حالت به حالت دیگر با استفاده از یک پالس انرژی مانند لیزر حاصل می شود. اگر فقط نیم واحد از انرژی لیزر استفاده شود و ذره از تمام تأثیرات خارجی جدا شود، وارد یک برهم نهی از حالات می شود. ذره طوری رفتار می کند که گویی در هر دو حالت به طور همزمان است.

از آنجایی که کیوبیت ها برهم نهی 0 و 1 دارند، این بدان معناست که تعداد محاسباتی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند انجام دهد 2^n است که n تعداد کیوبیت های استفاده شده است. یک کامپیوتر کوانتومی متشکل از 500 کیوبیت پتانسیل انجام 2^500 محاسبه را در یک مرحله دارد.

در هم تنیدگی. ذرات درهم تنیدگی جفت های درهم تنیده ای از کیوبیت ها هستند که در حالتی وجود دارند که تغییر یک کیوبیت مستقیماً دیگری را تغییر می دهد. دانستن وضعیت اسپین یک ذره درهم تنیده – بالا یا پایین – چرخش دیگری را در جهت مخالف می دهد. علاوه بر این، به دلیل برهم نهی، ذره اندازه‌گیری شده قبل از اندازه‌گیری، جهت اسپین واحدی ندارد. حالت اسپین ذره ای که اندازه گیری می شود در زمان اندازه گیری تعیین می شود و به ذره متصل که به طور همزمان جهت چرخش مخالف را در نظر می گیرد، مخابره می شود.

درهم تنیدگی کوانتومی کیوبیت‌هایی را که در فواصل زیاد از هم جدا شده‌اند، قادر می‌سازد تا فوراً با یکدیگر تعامل داشته باشند. مهم نیست که فاصله بین ذرات همبسته چقدر زیاد است، آنها تا زمانی که جدا هستند در هم می مانند.

برهم نهی کوانتومی و درهم تنیدگی با هم قدرت محاسباتی فوق‌العاده‌ای را ایجاد می‌کنند. اگر کیوبیت های بیشتری اضافه شود، ظرفیت افزایش یافته به صورت تصاعدی افزایش می یابد.

نظریه کوانتومی چیست؟

توسعه نظریه کوانتومی در سال 1900 با ارائه ماکس پلانک فیزیکدان آلمانی به انجمن فیزیک آلمان آغاز شد. پلانک این ایده را مطرح کرد که انرژی و ماده در واحدهای منفرد وجود دارند. پیشرفت‌های بیشتر توسط تعدادی از دانشمندان طی 30 سال بعد منجر به درک مدرن نظریه کوانتومی شده است.

عناصر نظریه کوانتومی شامل موارد زیر است:

• انرژی، مانند ماده، از واحدهای مجزا تشکیل شده است – در مقابل یک موج پیوسته.
• ذرات بنیادی انرژی و ماده، بسته به شرایط، ممکن است مانند ذرات یا امواج رفتار کنند.
• حرکت ذرات بنیادی ذاتا تصادفی و در نتیجه غیرقابل پیش بینی است.
• اندازه گیری همزمان دو مقدار مکمل – مانند موقعیت و تکانه یک ذره – ناقص است. هرچه یک مقدار دقیق تر اندازه گیری شود، اندازه گیری مقدار دیگر ناقص تر خواهد بود.

کاربردها و مزایای محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی پتانسیل ارائه مزایای زیر را دارد:

• سرعت. کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک فوق العاده سریع هستند. برای مثال، محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که مدل‌های مدیریت سبد مالی مانند مدل مونت کارلو برای سنجش احتمال نتایج و ریسک‌های مرتبط با آن‌ها را سرعت بخشد.
• توانایی حل فرآیندهای پیچیده کامپیوترهای کوانتومی برای انجام چندین محاسبات پیچیده به طور همزمان طراحی شده اند. این می تواند به ویژه برای فاکتورسازی مفید باشد، که می تواند به توسعه فناوری های رمزگشایی کمک کند .
• شبیه سازی ها کامپیوترهای کوانتومی می توانند شبیه سازی های پیچیده را اجرا کنند. آن‌ها به اندازه‌ای سریع هستند که برای شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده‌تر از رایانه‌های کلاسیک استفاده شوند. برای مثال، این می‌تواند برای شبیه‌سازی‌های مولکولی، که در توسعه داروهای تجویزی مهم هستند، مفید باشد.
• بهينه سازي. با توانایی محاسبات کوانتومی برای پردازش مقادیر عظیمی از داده‌های پیچیده، پتانسیل تغییر هوش مصنوعی و یادگیری ماشین را دارد.

محدودیت های محاسبات کوانتومی

اگرچه مزایای محاسبات کوانتومی امیدوارکننده است، اما هنوز موانع بزرگی برای غلبه بر آنها وجود دارد:

• دخالت. کوچکترین اختلال در یک سیستم کوانتومی می تواند باعث از بین رفتن محاسبات کوانتومی شود – فرآیندی که به نام decoherence شناخته می شود. یک کامپیوتر کوانتومی باید در طول مرحله محاسبات کاملاً از هرگونه تداخل خارجی جدا باشد. موفقیت هایی با استفاده از کیوبیت ها در میدان های مغناطیسی شدید حاصل شده است.
• تصحیح خطا. کیوبیت ها بیت های دیجیتالی داده نیستند و نمی توانند از تصحیح خطای مرسوم استفاده کنند. تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی بسیار مهم است، جایی که حتی یک خطا در یک محاسبات می تواند اعتبار کل محاسبات را از بین ببرد. پیشرفت قابل توجهی در این زمینه حاصل شده است، با این حال، با توسعه یک الگوریتم تصحیح خطا که از 9 کیوبیت استفاده می کند – 1 محاسباتی و 8 اصلاحی. یک سیستم از IBM می تواند در مجموع به 5 کیوبیت – 1 محاسباتی و 4 اصلاحی – بسنده کند.
• رعایت خروجی بازیابی داده‌های خروجی پس از یک محاسبه کوانتومی کاملاً خطر خراب کردن داده‌ها را دارد. پیشرفت هایی مانند الگوریتم های جستجوی پایگاه داده که بر شکل موج ویژه منحنی احتمال در رایانه های کوانتومی تکیه دارند می توانند از این موضوع جلوگیری کنند. این تضمین می کند که پس از انجام تمام محاسبات، عمل اندازه گیری حالت کوانتومی را به پاسخ صحیح بازمی گرداند.

مشکلات دیگری نیز وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد، مانند نحوه مدیریت امنیت و رمزنگاری کوانتومی . ذخیره سازی اطلاعات کوانتومی طولانی مدت نیز در گذشته یک مشکل بوده است. اما پیشرفت های اخیر نوعی از محاسبات کوانتومی را عملی کرده است.

مقایسه محاسبات کلاسیک و کوانتومی

محاسبات کلاسیک متکی بر اصول بیان شده توسط جبر بولی است که معمولاً بر اساس یک اصل دروازه منطقی عمل می کند . داده ها باید در یک حالت باینری انحصاری در هر نقطه از زمان پردازش شوند – یا 0 برای خاموش یا 1 برای روشن. این مقادیر بیت هستند. میلیون‌ها ترانزیستور و خازن در قلب رایانه‌ها تنها می‌توانند در هر نقطه در یک حالت باشند. همچنین محدودیتی در مورد سرعت تغییر وضعیت این دستگاه ها وجود دارد.

در مقایسه، کامپیوترهای کوانتومی با یک گیت منطقی دو حالته کار می کنند – XOR و حالتی به نام QO1 – که به آنها اجازه می دهد 0 را به برهم نهی 0 و 1 تبدیل کنند. در یک کامپیوتر کوانتومی، می توان از ذراتی مانند الکترون یا فوتون استفاده کرد. . به هر ذره یک بار یا پلاریزاسیون داده می شود که به عنوان نمایشی از 0 و 1 عمل می کند. هر ذره به عنوان یک بیت کوانتومی یا کیوبیت نامیده می شود. ماهیت و رفتار این ذرات اساس محاسبات کوانتومی و برتری کوانتومی را تشکیل می دهد .

مانند هر فناوری نوظهوری، محاسبات کوانتومی فرصت ها و خطراتی را ارائه می دهد. بیاموزید که محاسبات کوانتومی چگونه با محاسبات کلاسیک مقایسه می شود .