رایانه کوانتومی

رایانه کوانتومی

کامپیوتر کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده می کند. کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار می کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین ها، ماشین تورینگ کوانتومی(Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می شود.

اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش هایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده است. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis) حمایت می کنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور، Shor's Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی کنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می آورند.

تعریف ساده ی نقطه ی کوانتومی این است که یک ذره مادی کوچک، که افزایش یا کاهش یک الکترون خواص آن را به نحو ارزشمندی تغییر دهد. البته اتم‌ها نقطه کوانتومی محسوب می‌شوند، ولی توده‌های چندمولکولی نیز چنین‌اند. در زیست‌شیمی، نقاط کوانتومی گروه‌های اکسیداسیون- احیا خوانده می‌شوند. در نانوتکنولوژی به آنها بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت گفته می‌شود. اندازه آنها در حد چند نانومتر است و از انواع مواد همچون سلنید کادمیوم- که رنگهای مختلفی را تولید می‌کند- ساخته می‌شوند. کاربردهای بالقوه آنها در مخابرات و اپتیک است. نانوذرات فلورسنت- که تا پیش از تابش ماوراءبنفش نامرئی هستند- ساختار نانوبلوری قادر به تغییر رنگ از دیگر تعاریف آنهاست. نقاط کوانتومی از دیگر مواد فلورسنت انعطاف بیشتری دارد؛. لذا استفاده از آن‌ها در ساخت کامپیوترهای نانومقیاس بهره‌گیرنده از نور برای پردازش اطلاعات مناسب است.

اصول گزیده ای از کامپیوترهای کوانتومی

رویای محاسبات ماشینی یا ماشینی که بتواند مسائل را در اشکال گوناگون حل کند کمتر از دو قرن است که زندگی بشر را به طور جدی در بر گرفته است. اگر از ابزارهایی نظیر چرتکه و برخی تلاشهای پراکنده دیگر در این زمینه بگذریم، شاید بهترین شروع را بتوان به تلاشهای «چارلز بابیج» و « بلز پاسکال» با ماشین محاسبه مکانیکی شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتدای قرن بیستم تلاشهای زیادی جهت بهبود ماشین محاسب مکانیکی صورت گرفت که همه آنها بر پایه ریاضیات دهدهی (decimal) بود، یعنی این ماشین‌ها محاسبات را همان طور که ما روی کاغذ انجام می دهیم انجام می دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشینی در ابتدای قرن بیستم شروع شد. این زمانی است که الگوریتم و مفهوم فرایندهای الگوریتمی (algorithmic processes) به سرعت در ریاضیات و بتدریج سایر علوم رشد کرد. ریاضیدانان شروع به معرفی سیستم‌های جدیدی برای پیاده سازی الگوریتمی کلی کردند که در نتیجه آن، سیستم‌های انتزاعی محاسباتی بوجود آمدند. در این میان سهم برخی بیشتر از سایرین بود. آنچه امروزه آنرا دانش کامپیوتر و یا الکترونیک دیجیتال می نامیم مرهون و مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) است. وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آنرا ماشین تورینگ می نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح آن است. وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عدد نویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین‌های مکانیکی مرسوم بود، انقلابی عظیم را در این زمینه بوجود آورد. پس از نظریه طلایی تورینگ، دیری نپایید که «جان فون نویمان» یکی دیگر از نظریه پردازان بزرگ قرن بیستم موفق شد ماشین محاسبه گری را بر پایه طرح تورینگ و با استفاده از قطعات و مدارات الکترونیکی ابتدایی بسازد. به این ترتیب دانش کامپیوتر بتدریج از ریاضیات جدا شد و امروزه خود زمینه ای مستقل و در تعامل با سایر علوم به شمار می رود. گیتهای پیشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخیره و بازیابی بسیار حجیم و کوچک، افزایش تعداد عمل در واحد زمان و غیره از مهم‌ترین این پیشرفتها در بخش سخت افزاری محسوب می شوند. در 1965 «گوردون مور» اظهار کرد که توان کامپیوترها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام این سالها، تلاش عمده در جهت افزایش قدرت و سرعت عملیاتی در کنار کوچک سازی زیر ساختها و اجزای بنیادی بوده است. نظریه مور در دهه‌های 60 و 70 میلادی تقریبا درست بود. اما از ابتدای دهه 80 میلادی و با سرعت گرفتن این پیشرفتها، شبهات و پرسش هایی در محافل علمی مطرح شد که این کوچک سازی‌ها تا کجا می توانند ادامه پیدا کنند؟ کوچک کردن ترازیستورها و مجتمع کردن آنها در فضای کمتر نمی تواند تا ابد ادامه داشته باشد زیرا در حدود ابعاد نانو متری اثرات کوانتومی از قبیل تونل زنی الکترونی بروز می کنند. گرچه همیشه تکنولوژی چندین گام بزرگ از نظریه عقب است، بسیاری از دانشمندان در زمینه‌های مختلف به فکر رفع این مشکل تا زمان رشد فن آوری به حد مورد نظر افتادند. به این ترتیب بود که برای نخستین بار در سال 1982 «ریچارد فاینمن» معلم بزرگ فیزیک و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد کرد که باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم کرد که بسیار متفاوت از قبلی است و نه تنها مشکلات گذشته و محدودیت‌های موجود را بر طرف می سازد، بلکه افق‌های جدیدی را نیز به این مجموعه اضافه می کند. این پیشنهاد تا اوایل دهه 90 میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 «پیتر شور» از آزمایشگاه AT&T در آمریکا نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه اطلاعات و مکانیک کوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروز آنرا محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری (nano computing) می نامیم. در واقع هدف محاسبات کوانتومی یافتن روشهایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده محاسبات ( مانند گیت‌ها و ترانزیستورها ) به گونه ایست که بتوانند تحت اثرات کوانتومی، که در محدوده ابعاد نانو متری و کوچکتر بروز می کنند، کار کنند. به نمودار صفحه بعد دقت کنید. در این شکل به طور شماتیک و در سمت چپ یک مدار نیم جمع کننده را مشاهده می کنید که معادل کوانتومی و نانو متری آن در سمت راست پیشنهاد شده است. نوع اتم‌های به کار رفته، نحوه چینش اتم ها، چگونگی ایجاد سلول نمایش یافته ( معماری سلولی ) و چند ویژگی دیگر خصوصیات معادل با گیت‌های به کار رفته در نمونه دیجیتال هستند. یک راه نظری برای پیاده سازی سلول در این طرح، استفاده از «نقاط کوانتومی» (quantum dots) یا چیزی است که در زبان مکانیک کوانتومی آنرا «اتم مصنوعی » می نامیم.