کامپیوتر کوانتومی یا Quantum Computer چیست

کامپیوتر کوانتومی (Quantum computer) ماشینی است که از قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای رایانش استفاده می‌کند.

رویای محاسبات 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 به ماشین محاسبه مکانیکی آنها نسبت داد.

با گذشت زمان و تا ابتدای قرن بیستم تلاش‌های زیادی جهت بهبود ماشین محاسبات مکانیکی صورت گرفت که همه آن‌ها بر پایه ریاضیات دهدهی (decimal) بود یعنی این ماشین‌ها محاسبات را همان‌طور که ما روی کاغذ انجام می‌دهیم انجام می‌دادند.

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 به تدریج سایر علوم رشد کرد.

ریاضیدانان شروع به معرفی سیستم‌های جدیدی برای پیاده‌سازی الگوریتمی کردند که در نتیجه آن سیستم‌های انتزاعی و محاسباتی به وجود آمدند.

در این میان سهم برخی بیشتر از سایرین بود و آنچه امروزه آن را دانش رایانه یا الکترونیک دیجیتال می‌نامیم مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی به نام آلن تورینگ (Alan Turing) است.

وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آن را ماشین تورینگ می‌نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح مرتبط با آن است.

وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عددنویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین‌های مکانیکی مرسوم بود انقلابی عظیم را در این زمینه به وجود آورد.

کامپیوترهای کوانتومی با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد.

یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها ، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود.

اگر چه رایانش کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آن‌ها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کیوبیت‌ها انجام شده است.

یک کیوبیت برخلاف بیت که تنها در یکی از دو حالت 0 و یا 1 است می‌تواند هر حالتی بین این دو مقدار را داشته باشد. بیت کوچک‌ترین واحد پردازش اطلاعات در رایانه های کلاسیک است.

یک کامپیوتر کوانتومی که دارای تعدادی بیت کوانتومی است اساساً با کامپیوتر کلاسیک که دارای همان تعداد بیت است متفاوت است.

برای مثال برای نشان دادن n بیت کوانتومی روی رایانه کلاسیک احتیاج به ذخیره n ضریب مختلط است. اگرچه به نظر می‌رسد که بیت کوانتومی می‌تواند اطلاعات را به طور نمایی بیشتر از بیت کلاسیک در خود نگه دارد نباید از این حقیقت که احتمال انطباق در همه حالت‌هایشان هستند چشم پوشی کنیم.

به این معنی که وقتی حالت نهایی بیت کوانتومی اندازه‌گیری شود آن‌ها فقط حداقل در یکی از تنظیمات که قبلاً اندازه‌گیری شده‌اند یافت می‌شوند.

علاوه بر این اگر فکر کنیم که بیتهای کوانتومی فقط در یک حالت ممکن از قبل از اندازه‌گیری وجود داشته‌اند نادرست است چرا که این حقیقت وجود دارد که آن‌ها در حالت‌های منطبق قبل از اینکه اندازه‌گیری شوند روی نتایج احتمالی محاسبات تأثیر مستقیم دارند.

برای مثال کامپیوتر کلاسیک اولیه را در نظر بگیرید که با حافظه ۳ بیت کار می‌کند. رایانه در هر زمان یک احتمال با ۸ حالت مختلف دارد. اگر یک رایانه درست کار کند پس قطعاً حالتی وجود دارد که احتمال وجود آن ۱ است.

اگر هر بیت بتواند در دو حالت صفر یا یک وجود داشته باشد کیوبیت‌ها می‌توانند در هر لحظه صفر ، یک یا هر دوی آن‌ها یا هر عددی بین آن‌ها را داشته باشند.

به علاوه چنین قابلیتی در کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند همه این داده‌های گوناگون را یکجا و در یک زمان پردازش کنند چون محدودیت تنها دو حالت صفر و یک وجود ندارد.

چنین کاری باعث افزایش سرعت پردازش مسائل در رایانه‌های کوانتومی به اندازه چندین میلیون برابر رایانه‌های کلاسیک خواهد بود. کیوبیت‌ها می‌توانند در اتم‌ها ، یون‌ها یا حتی کوچک‌تر مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها ذخیره شوند.

تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه رایانه‌های کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی مثل تجزیه و تحلیل رمز یا Cryptanalysis حمایت می‌کنند.

اگر رایانه های کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند برای مثال می‌توان از الگوریتم شور (Shor’s Algorithm) نام برد.

البته باید توجه داشت که توابعی که توسط رایانه‌های کلاسیک محاسبه پذیر نیستند توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. رایانه‌های کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.

در سال ۲۰۱۱ شرکت رایانه‌ای D-Wave Systems اولین کامپیوتر کوانتومی قابل عرضه در بازار را معرفی کرد. این کامپیوتر D-Wave One نام دارد و از یک پردازنده ۱۲۸ کیوبیتی بهره می‌گیرد.

در سال ۲۰۱۳ هم کامپیوتر کوانتومی D-Wave Two از همین شرکت عرضه شد و تعدادی از محققان در مورد عملکرد صحیح این دو رایانه ابراز تردید کردند.

شرکت گوگل روز چهارشنبه ۲۳ اکتبر سال ۲۰۱۹ به طور رسمی اعلام کرد به برتری کوانتومی دست یافته است. محققان این شرکت در مقاله‌ای در نشریه علمی نیچر گفته‌اند با دستیابی به این فناوری جدید انجام محاسبه‌ هایی که با پیشرفته‌ترین رایانه حال حاضر جهان ۱۰ هزار سال طول می‌کشد در ۳ دقیقه و ۲۰ ثانیه امکان‌پذیر شده است.