همه چیز در خصوص کامپیوتر کوانتومی

همه چیز در خصوص کامپیوتر کوانتومی

نام نویسنده: آرمین اسحاقی 2022-06-22 18:01:11

همه چیز در خصوص کامپیوتر کوانتومی

 

کامپیوتر های کوانتومی ماشین ها و ابزار هایی هستند که از علم فیزیک کوانتوم برای ذخیره اطلاعات و انجام محاسبات استفاده می کنند. این روش برای ابرکامپیوتر ها بسیار کار آمد خواهد بود. کامپیوتر های کلاسیک و معمولی شامل گوشی های هوشمند، لپ تاپ و … می شوند که اطلاعات ذخیره شده را در بیت های باینری 0 و 1 ذخیره و رمزگزاری می کنند. اما در کامپیوتر های کوانتومی، واحد اصلی حافظه یک بیت کوانتومی یا کیوبیت می باشد.

ابرکامپیوتر ها چه ضعف هایی دارند؟

معمولا در زمانی که متخصصان و محققان با مشکلات بسیار سخت مواجه می شوند به ابرکامپیوتر ها رجوع می کنند. معمولا این سیستم ها دارای چندین پردازنده و کارت گرافیک قدرتمند بوده و در تلاش است که پردازش های فوق سنگین را مدیریت کند. دلیل به مشکل خوردن این سیستم ها، پیچیدگی یک مسئله یا پردازش در مدیریت تعدادی زیادی متغیر است. در چنین مواقعی ابرکامپیوتر ها مشکل شما را حل نخواهند کرد!

چرا به کامپیوتر های کوانتومی احتیاج داریم؟

کامپیوتر کوانتومی به کمک قوانین مکانیک کوانتومی برای حل مسائل سختی که کامپیوتر های کلاسیک قادر به حل آنها نیستند، استفاده می کند. در حال حاضر IBM Quantum سخت افزار کوانتومی واقعی را در دسترس هزاران توسعه دهنده قرار داده است. پردازنده های کوانتومی قدرتمند سرعت محاسبات و ظرفیت مورد نیاز را افزایش می دهند. یک ابر کامپیوتر ممکن است خیلی از پردازش های فوق سنگین را به درستی و در زمان کوتاه انجام ندهد. به این مثال کمی دقت کنید:

پروتئین‌ها رشته‌های بلندی از اسیدهای آمینه بوده که وقتی به حالت‌های پیچیده تغییر شکل می دهند به ماشین‌های بیولوژیکی مفیدی تبدیل می‌شوند. دانستن این نکته که پروتئین ها به چه شکلی تا می شوند کمی سخت بوده و پیامدهای مهمی برای زیست شناسی و پزشکی دارد.

یک ابرکامپیوتر ممکن است بتواند پروتئین را با نیروی زیاد تا کند. بدین صورت که از پردازنده های خود برای بررسی روش های ممکن به جهت انجام این عمل قبل شروع پردازش استفاده کند؛ ولی هرچقدر این عمل طولانی تر و توالی پروتئین ها پیچیده تر شود، کامپیوتر شما دچار مشکل خواهند شد.

هر کامپیوتری برای مدیریت ترکیبات ممکن، حافظه و توان کافی را نخواهد داشت. لذا الگوریتم لازم برای حل مسئله پیدا نشده و سیستم دچار مشکل می شود. در خصوص این پروتئین ها الگوریتم کوانتومی اولیه ای وجود داشته که می تواند الگو های تا شونده را به روش های جدید و کار آمد بدون دردسر هایی که کامپیوتر های کلاسیک دارند، مدیریت و حل کند.

کامپیوتر های کوانتومی چگونه کار می کنند؟

کامپیوتر های کوانتومی ماشین های ظریف و کوچکتری نسبت به ابرکامپیوتر ها هستند. دارای پردازنده کوانتومی IBM و یک سیستم سخت افزاری که تقریبا به اندازه یک ماشین است. شامل سیستم های خنک کننده بوده که در عملیات های فوق سنگین فوق العاده عمل می کند. کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت ها (CUE-Bits) برای اجرای الگوریتم های کوانتومی چند بعدی استفاده می کند.

ابر سیال ها (Superfluids)

پردازنده این کامپیوتر ها نیاز به خنک کننده قدرتمند دارد. دمای آنها تقریبا باید حدود یک صدم درجه بالای صفر باشد، لذا شما به ابر سیالات فوق خنک برای ایجاد ابر رسانا نیاز دارید.

ابر رسانه ها (Superconductors)

در دمای بسیار پایین، پردازنده ها اثر کوانتومی مهمی از خود نشان می دهند به طوری که الکترون ها بدون مقاومت در آنها حرکت می کند. این مسئله آنها را به ابر رسانه تبدیل می کند. زمانی که الکترون ها از ابررسانه ها عبور می کنند، با هم هماهنگ شده و جفت کوپر را تشکیل می دهد. این جفت ها قادر خواهند بود بار را از طریق موانع یا عایق ها فرایند تونل زنی کوانتومی، حمل کنند. دو ابر رسانایی که در دو قسمت یک عایق قرار گرفته اند، یک اتصال به نام جوزفسون تشکیل خواهند داد.

کنترل (Control)

کامپیوتر های کوانتومی از اتصالات جوزفسون به عنوان کیوبیت های ابررسانه استفاده خواهند کرد. با پرتاب این فوتون های مایکروویو به طرف این کیوبیت ها، رفتار آنها قابل کنترل بوده و آنها قادر خواهند بود واحد های جداگانه اطلاعات کوانتومی را نگه داشته، تغییر داده و بخوانند.

بر هم نهی (Superposition)

وجود کیوبیت ها خیلی مفید نیست، اما می تواند یکی حرکت مهم را انجام دهد. قراردادن اطلاعات کوانتومی در حالت بر هم نهی نشان دهنده ترکیبی از تمام تنظیمات ممکن کیوبیت است. تعدادی از کیوبیت ها در این فرایند می توانند فضاهای محاسباتی پیچیده و چندبعدی را ایجاد کنند. این مسائل به شکل جدیدی در این فضا نشان داده خواهد شد.

در هم تنیدگی (Entanglement)

در هم تنیدگی یک اثر مکانیکی کوانتومی بوده که رفتار دو چیز مجزا را به هم مرتبط می کند. زمانی که دو کیوبیت ها در هم تنیده شوند، تغییرات یک کیوبیت مستقیما در دیگری اثر خواهد گذاشت. لذا الگوریتم های کوانتومی از این روابط به وجود آمده برای یافتن راه حل هایی به جهت حل مسائل پیچیده استفاده خواهند کرد.

منبع