فعالیت‌های شرکت International Business Machines یا IBM در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی بسیار گسترده و شناخته شده است. این شرکت با در نظر گرفتن منافع فناوری کوانتومی برای پژوهشگران، آموزندگان، فعالان بازار و توسعه دهندگان، امکان استفاده از رایانه‌ی کوانتومی خود را برای عموم فراهم نموده است. در ادامه‌ی این مقاله از مجله‌ی فناوریهای توان‌افزا و پوشیدنی به بیان اصول محاسبات کوانتومی، مزایای آن، و دستاوردهای کوانتوم می‌پردازیم.
کسب اطلاعات بیشتر:
سایت IBM Q پایگاه اینترنتی شرکت IBM برای اطلاع رسانی در مورد رایانه‌ی کوانتومی این شرکت است. در قسمت های مختلف این سایت می توانید در مورد شرکای پژوهشی و اقتصادی شرکت IBM در این زمینه و مشاغل و نیازهای مرتبط نیز مطالب بسیاری را مشاهده کنید. در این سایت در مورد اصول محاسبات کوانتومی نیز توضیحاتی وجود دارد.
محاسبات کوانتومی چیست؟
رایانه‌های کوانتومی پتانسیل استفاده در زمینه‌های مختلف همچون علوم، پزشکی، مواد، یادگیری ماشین و موارد بسیار دیگر مورد استفاده را دارند. باوجود پیشرفت‌های بسیار در زمینه‌ی سخت افزار و نرم افزارهای رایانه‌ای، چالش‌های مهمی بدون راه حل باقی مانده است. در حال حاضر قدرت محاسباتی کافی برای حل مسائل با پیچیدگی زیادوجود ندارد. بطور نمونه دانشمندان برای محاسبه و تعیین حالت های پایدار مولکول های ساده نیز با مشکلات جدی مواجه هستند. بنابراین به نوع جدیدی از پردازش و محاسبات نیاز داریم.
رایانه‌های کوانتومی از پدیده‌های کوانتومی مانند برهم‌نهی(superposiotion) و درهم تنیدگی(entanglement) برای تولید حالت‌هایی استفاده می‌کنند که با استفاده از کیوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی بصورت نمایی مقیاس بندی می‌شوند. نمونه با استفاده از برهم‌نهی دو حالت معمول صفر و یک، به بی‌شمار حالت تبدیل می‌شوند. حالت‌های مجزا با درهم تنیدگی به یکدیگر مرتبط می‌شوند. بطوریکه دانستن و اندازه گیری یک حالت، حالت دوم را بدون نیاز به اندازه گیری شناسایی می‌کند.
برای دستکاری حالت های کوانتومی از پدیده‌ی کوانتومی دیگری به اسم تداخل استفاده می‌شود. البته از آنجا که ایجاد پدیده‌های کوانتومی و قردادن سیستم‌های فیزیکی در این حالت‌ها نیاز به تامین شرایط فیزیکی بسیار پیچیده‌ای همچون دماهای بسیار پایین در حد چند میلی کلوین و خلا بسیار بالا دارد، رایانه‌های کوانتومی مناسب برای برنامه نویسان تا سال‌ها دور از دسترس خواهد بود. علاوه بر این حالت های کوانتومی اغلب براحتی تحت تاثیر نوفه‌ها و تغییرات محیطی اطراف قرار می‌گیرند. این امر زمان در دسترس برای محاسبات کوانتومی را به شدت محدود می‌نماید.
شیوه ی نوین پردازش
شبیه سازی طبیعت و شیمی یکی از بارزترین کاربردهای یک ابررایانه‌ی کوانتومی است. بسیاری از پدیده‌های طبیعی بر مبنای مکانیک کوانتومی هستند. توانایی طراحی مواد پیشرفته، داروهای خاص و چگونگی واکنش های کاتالیزوری بین مولکول ها از جمله موارد بسیار پیچیده ای هستند که فهم آنها منجر به توسعه شگرف توانایی ها ما خواهد شد. در کلیه‌ی این موارد به کارگیری کوانتوم بیت‌ها با بی‌شمار حالت قابل توصیف، راه حل مناسبی است.
اصول محاسبات کوانتومی
همه سیستم های محاسباتی به قابلیت‌های پایه‌ی ذخیره و دستکاری اطلاعات وابسته هستند. کامپیوترهای فعلی از بیت‌ها بهره می‌برند که اطلاعات را بر اساس حالت‌های دوتایی صفر و یک ذخیره می کنند. همچنین فرایند دستکاری اطلاعات در این رایانه‌ها بر مبنای تغییر مغناطش بیت‌ها با اعمال میدان مغناطیسی است. اما رایانه‌های کوانتومی از پدیده‌های کوانتومی برای دستکاری اطلاعات استفاده می کنند که در کوانتوم بیت‌ها یا کیوبیت ها ذخیره می شوند.
خواص کوانتومی:
مهم ترین ویژگی های کوانتومی مورد استفاده سه پدیده‌ی زیر هستند:
- برهم نهی
- درهم تنیدگی
- تداخل
محاسبات کوانتومی:
راه‌های مختلفی برای حل یک مساله از طریق محاسبات کوانتومی وجود دارد. در حال حاضر نوعی الگوریتم طراحی شده برای سخت افزار کوانتومی وجود دارد که از محاسبات کوانتومی برای یافتن بهترین راه حل در میان راه حل های موجود استفاده می‌کند. این الگوریتم برای شبیه سازی یک مولکول استفاده می شود که کمترین حالت انرژی را در بین طول پیوندهای مولکولی مختلف دارد. برای هر طول پیوند ممکن، قسمت های حالت انرژی بر روی یک پردازنده‌ی کوانتومی مشخص می‌شوند. سپس ، برای پیکربندی الکترونیکی داده شده، جنبه‌های حالت کوانتومی اندازه گیری می‌شود و به انرژی موجود در مولکول مربوط می‌شوند. تکرار این فرآیند برای فواصل بین اتمی مختلف در نهایت منجر به طول پیوند با کمترین حالت انرژی می شود که نشان دهنده پیکربندی مولکولی تعادل است.
مقیاس بندی سیستم های کوانتومی:
الگوریتم‌های دیگری نیز برای رایانه های کوانتومی در آینده طراحی شده است که رایانه‌های کوانتومی اغماض گر خطا (fault-tolerant) شناخته می شوند. در این سیستم‌ها نیاز هست تا پردازش های متعدد کوانتومی بصورت پی در پی و به مدت طولانی انجام شود. بنابراین نیاز هست تا در دو جنبه بهبودهایی صورت بگیرد. نخستین جنبه تعداد کیوبیت ها است و دومین مورد نرخ خطای پایین. تعداد بیشتر کیوبیت ها امکان ذخیره‌ی اطلاعات بیشتر را فراهم می‌سازد و با نرخ خطای کمتر دستکاری حالت‌های این کیوبیت‌ها بصورت دقیق‌تری انجام می شود و انجام پردازش‌های طولانی منجر به رسیدن به جواب و نه نویز یا نوفه می‌شود. یک سنجه‌ی مفید در این رابطه حجم کوانتومی است. توسعه‌ی سیستم های با حجم کوانتومی بیشتر باعث کشف نخستین نمونه های کاربرد محاسبات کوانتومی و مزیت‌های آن خواهد شد.
بیشتر بخوانیم:
رایانه های کوچک زیست مصنوعی دانشگاه ETH Zurich
آیا می توان نوعدوستی را به الگوریتم های رایانه ای آموخت؟
منبع: IBM Q
استفاده وبازنشر این نوشتار تنها با ذکر لینک منبع و نام «مجله‌ی فناوریهای توان افزا و پوشیدنی» مجاز است.
