محاسبات کوانتومی، از رویا تا واقعیت

محاسبات کوانتومی، از رویا تا واقعیت

محاسبات کوانتومی علمی است که این روزها ذهن بسیاری از اندیشمندان حوزه کامپیوتر را به خود مشغول کرده است. در ابتدا قصد داریم به تاریخچه مختصری از محاسبات دیجیتال و پیرو آن محاسبات کوانتومی بپردازیم.

تمام دستگاه‌های دیجیتالی که ما امروزه با آن‌ها سر و کار داریم که لپ‌تاپ، موبایل، تلویزیون و پخش کننده DVD نمونه‌هایی از این ابزار آلات هستند، همگی بر اساس جبر بول کار می‌کنند. جبر بول در سال 1854 توسط «جورج بول»، دانشمند انگلیسی پایه ریزی شد. اگر بخواهیم به طور مختصر عملکرد جبر بول را توضیح دهیم باید بگوییم که هر یک از عناصر موجود در یک مجموعه می‌توانند مقداری برابر 0 یا 1 داشته باشند. در علم محاسبات دیجیتال نیز این موضوع کاملا مشهود است. در دنیای دیجیتال، هر یک از این عناصر، بیت نام دارند. بیت، کوچکترین واحد اطلاعاتی معنی می‌شود. هر بیت می‌تواند در آن واحد فقط مقداری برابر با 0 یا 1 داشته باشد.

اگر این موضوع را به کامپیوترهای امروزی بسط دهیم، خواهیم دید که اگرچه این دستگاه‌های محاسب توانسته‌اند بسیاری از مشکلات پیش روی بشر را طی سالیان گذشته حل کنند، اما در عین حال توانایی حل بسیاری از مشکلات را ندارند. اگر کمی با مباحث علمی یا فیلم‌های علمی-تخیلی آشنا باشید، می‌دانید که قضیه جهان‌های موازی، اکنون به یکی از داغ ترین مبحث‌های علمی تبدیل شده است. با استناد به نظریه جهان‌های موازی، یک عنصر می‌تواند در آن واحد در بیش از یک‌ مکان ثابت حضور داشته باشد. به طور خلاصه، هر یک از عناصر موجود در یک مجموعه خاص، می‌توانند بیش از یک مقدار ثابت مانند 0، 1 و مقادیر دیگری داشته باشند.

به همین دلیل بود که دانشمندان سعی کردند تا نظریه‌های خود را از حالت تئوری خارج کرده و آن‌ها را به واقعیت نزدیک کنند.

در دنیای دیجیتال، این موضوع کاملا نامفهوم و البته غیر قابل اجرا می‌باشد. زیرا امکان ندارد که یک بیت بتواند هم زمان، مقداری برابر 0 و 1 داشته باشد.

این‌جا بود که علم مکانیک کوانتومی پا به عرضه وجود گذاشت. اندیشمندان زیادی از جمله «ادوین شرودینگر» و «آلبرت اینشتین» بر روی آن کار کرده‌اند. مکانیک کوانتومی بخش نوین فیزیک امروز شناخته می‌شود. زیرا بسیاری از مواردی را که فیزیک نیوتونی قادر به درک و حل آن‌ها نیست، به راحتی توسط مکانیک کوانتومی معنی می‌شوند. شاید برایتان جالب باشد که بسیاری از موارد شگفت‌انگیزی که همه ما هر روزه نکاتی را در رسانه‌های گوناگون داخلی و خارجی می‌بینیم و می‌شنویم، که از جمله آن‌ها می‌توان به تله‌پورت و تونل‌ زمان اشاره کرد، همگی جزو مواردی هستند که مکانیک کوانتوم توانسته آن‌ها را حداقل بر روی کاغذ اثبات کند.

علم محاسبات کوانتوم در اصل، بر مبنای علم مکانیک کوانتوم پایه ریزی شده است. در علم محاسبات کوانتومی، کوچکترین واحد اطلاعات، «کیوبیت» نام دارد که مخفف کوانتوم بیت می‌باشد. تنها تفاوت کیوبیت با بیت در این است که کیوبیت می‌تواند در هر لحظه، تعداد بی‌شمار مقدار مختلف را به خود اختصاص دهد.

کامپیوترهای کوانتومی نیز بر اساس همین نظریه‌ها طراحی می‌شوند. از نقطه نظر محاسباتی، هیچ تفاوتی بین کامپیوتر‌ شخصی و یک کامپیوتر کوانتومی وجود ندارد. زیرا کامپیوترهای کوانتومی نیز بر اساس چهار عمل اصلی یعنی جمع، تفریق، ضرب و تقسیم کار می‌کنند.

تنها تفاوت عمده و بارز کامپیوترهای کوانتومی در قدرت باورنکردنی آن‌ها در انجام محاسبات گوناگون به شکل موازی نهفته است.

دوستانی که در رشته کامپیوتر تحصیل کرده باشند، خوب می‌دانند که یکی از مسائل رایجی که تقریبا تمامی دانشجویان رشته کامپیوتر با آن سر و کار دارند، مسئله فروشنده دوره گرد است.

در مسئله فروشنده دوره گرد، یک فروشنده قصد دارد به تمامی شهرهای نزدیک خود سفر کند تا بتواند کالاهای خود را به فروش برساند. مسئله اساسی این‌جا است که روند طی کردن مسیر می‌بایست به گونه‌ای باشد تا فروشنده دوره گرد داستان ما در حداقل زمان ممکن، به تمامی شهرها سفر کند.

در کامپیوترهای شخصی، هر مسیر به صورت جداگانه بررسی می‌شود و در نهایت نیز نتیجه نهایی مشخص خواهد شد. اما، بررسی این مسئله در کامپیوتر کوانتومی بسیار جالب است. این کامپیوتر قادر است در آن واحد، تمامی مسیرها را بررسی کرده و در کسری از زمان، نتیجه را اعلام کند.

دانشمندان با بررسی مقایسه کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای قدرتمند امروزی به این نتیجه رسیده‌اند که کامپیوترهای کوانتومی، هزاران برابر سریع‌تر از نسل قبل خود عمل می‌کنند. این بدان معنی است که در ابعاد بزرگ‌تر، صرفه جویی خیره کننده‌ای در زمینه انرژی و به تبع، سرمایه به وجود خواهد آمد و مهم‌تر از همه آن‌که، نتایج، بسیار سریع‌تر از آن‌چه اکنون محاسبه می‌شوند، به دست خواهند آمد.

در ضمن باید در همین‌جا اذعان کرد که چنانچه روزی کامپیوترهای کوانتومی راه خود را به سوی بازارهای جهانی باز کنند، تمامی افرادی که در هر یک از زمینه‌های کامپیوتر از برنامه نویسی گرفته تا تدریس در دانشگاه، می‌بایست تمامی دانسته‌های خود را به دست فراموشی بسپارند و اقدام به فراگیری علم محاسبات کوانتوم نمایند. زیرا در حال حاضر، علم نظریه زبان‌ها و ماشین‌ها که یکی از علوم پایه در مبحث کامپیوترهای امروزی است، تماما بر اساس نظریه جبر بول پایه گذاری شده، حال می‌دانیم که با ورود پیدا کردن کامپیوترهای کوانتومی به آزمایشگاه‌های پیشرفته، بخش اعظمی از علم نظریه زبان‌ها و ماشین‌ها، عملا بلا استفاده خواهد شد.

اما اصلا جای نگرانی نیست، زیرا کامپیوترهای کوانتومی برای آن‌که بتوانند به طور کامل و بدون مشکل کار کنند، می‌بایست در دمایی برابر با صفر مطلق که برابر با -273 درجه سانتی‌گراد است، کار کنند که فعلا امکان فراهم نمودن چنین شرایطی توسط کاربران معمولی غیر ممکن است. اما به با توجه به پشتکار بشر برای دستیابی به فناوری‌های نو و کاربردی، چندان بعید نیست تا چند سال دیگر هر کدام از ما، یک کامپیوتر کوانتومی بر روی میز کار خود داشته باشیم.

کمپانی گوگل نیز یکی از پیشگامان توسعه کامپیوتر کوانتومی در جهان شناخته می‌شود. این کمپانی در آزمایشگاه سری خود که ایکس لب نام دارد، بر روی ساخت یکی از همین دستگاه‌ها کار می‌کند. در تازه‌ترین خبر درز کرده از گوگل، این کمپانی طی یک همکاری ویژه با سازمان هوا و فضای ایالات متحده آمریکا، ناسا، موفق به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی با قدرت پردازشی 512 کیوبیت شده است.

گوگل، هدف خود از ساخت این کامپیوتر را بررسی و رفع مشکلاتی اعلام کرده که کامپیوترهای امروزی قادر به حل آن‌ها نیستند. البته چندان بعید نیست که تا چند وقت دیگر، غول جستجوی جهان، بخشی از محاسبات خود را با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی ساخت خود انجام دهد.

نظر شما در مورد محاسبات کوانتومی چیست؟