محاسبات کوانتمی

[Only Math]

محاسبات كوانتومي

آيا تاكنون نام قانون مور را شنيده‌ايد؟ حدود 40 سال پيش، «گوردون مور» (Gordon Moor) از بنيان‌گذاران شركت «اينتل» با در نظر‌گرفتن روند تغيير ميزان پيچيد‌گي مدارهاي ميكرو‌الكترونيك پيش‌بيني كرد اين ميزان هر‌سال دو برابر شود.معيار اندازه‌گيري اين پيچيدگي تعداد ترانزيستور در واحد سطح بود. بر اساس اين پيش بيني، هر سال ‌IC هايي به بازار مي‌آمدند كه تعداد ترانزيستورهاي آن‌ها در واحد سطح، دو برابر سال قبل بود. اين پيش‌بيني كم‌كم به‌عنوان شاخصي براي پيش‌بيني آينده‌ي صنعت ميكروالكترونيك تبديل شد و نام قانون به خود گرفت .
اما لحظه‌اي تامل كنيد: دو برابر شدن تعداد ترانزيستورها يعني نصف شدن ابعاد آن‌ها!بديهي است كه براي كوچك‌شدن ابعاد ترانزيستورها حد پاييني وجود دارد. به اين معني كه اندازه‌ي چيپ‌هاي سيليكوني سرانجام به جايي ميرسد كه از حدود ابعاد اتمي بزرگ‌تر نخواهد ‌بود و فيزيك حاكم برابعاد اتمي ديگر از قوانين كلاسيك پيروي نمي‌كند.ومشكل دقيقا از همين‌جا شروع مي‌شود:
از يك‌سو براي افزايش سرعت پردازش داده‌ها بايد ترانزيستورهاي تراشه‌ها كوچك‌تر شوند تا الكترون‌ مسير كوتاه‌تري بپيمايد و از سوي ديگر كوچك شدن ابعاد تراشه‌ها سبب بروز مشكلات ترموديناميكي مي‌شود به اين معني كه دماي تراشه‌ها به سرعت افزايش مي‌يابد و در نهايت كاركرد كلي سيستم را كاهش مي‌دهد.
مجموعه‌ي تمام اين مشكلات پرسش جديدي را پيش روي دانشمندان نهاد:
آيا مي‌توان نوع جديدي از كامپيوتر بر اساس اصول كوانتم مكانيك طراحي كرد؟
فيزيكدان مشهور،«ريچارد فاينمن»، در زمره‌ي اولين افرادي بود كه در جستجوي پاسخي براي اين پرسش برآمد ودر اين راستا درسال 1982 ميلادي مدلي انتزاعي براي چگونگي انجام محاسبات مبتني بر اصول كوانتم مكانيك ارائه كرد. كامپيوتر‌كوانتومي بايد با كامپيوتر‌كلاسيك، يعني همين كامپيوتري كه در مقابل شما قرار‌دارد، تفاوت اساسي داشته‌ باشد. به اين نكته توجه كنيد كه اگر‌چه كامپيوتر‌هاي كنوني بر قله‌ي پيشرفت فناوري‌هاي رايانه‌اي ايستاده‌اند ، با‌نهايت شگفتي،بر‌اساس اصول كاركرد با اجداد غول‌پيكر 30 تني خود كه به 18000 لامپ خلا و500 مايل سيم مجهز بودند تفاوت چنداني ندارند. يعني اگر‌چه فشرده‌تر ونيز به‌طور چشم‌گيري درانجام فرآيندهاي محاسباتي سريع‌تر شده‌اند، نحوه‌ي عمل‌كرد آن‌ها اصولا ثابت مانده است.
واحد اطلاعات در كامپيوتر‌هاي كلاسيك بيت است كه با 0و1 نمايش داده مي‌شود وهر بيت به لحاظ فيزيكي به كمك يك سيستم ماكروسكوپي مانند مغناطيدگي ديسك سخت يا باردارشدن خازن مشخص مي‌شود اما در يك كامپيوتركوانتمي واحد اطلاعات كيوبيت (qbit) است و مقادير صفر، يك و يا حتي يك برهم‌نهي كوانتمي ازاين دو را در بر‌مي‌گيرد و بنابراين دودويي نيست پس ديگراز چارچوب منطق «بولي» تبعيت نمي‌كند وبه جاي آن ازچارچوب «منطق كوانتومي» پيروي مي‌‌كند. يك مثال براي اجرايي كردن ايده‌ي طراحي كامپيوتر‌هاي كوانتومي، استفاده از ذره‌هايي است كه دو حالت اسپيني دارند.(اسپين يك خاصيت ذاتي ذره است كه مشابه كلاسيك ندارد و با يك تقريب ساده‌‌انگارانه مي‌توان آن‌ راهم‌چون حركت وضعي زمين، چرخش الكترون به دور خودش دانست. )
درصورت ساخت كامپيوترهاي كوانتمي بزرگ، اين كامپيوترها قادر خواهند بود مسائلي را كه كامپيوتر‌هاي كنوني براي حل آن‌ها نياز به زمان و حافظه‌ي زيادي دارند با صرف زمان وهزينه‌ي كم‌تر (به طور نمايي سريع‌تر) حل كنند. مثلا اگر فرض كنيم تجزيه يك عدد بسياربزرگ به عوامل اول آن براي كامپيوترهاي كنوني به مدت زماني از مرتبه‌ي طول عمر عالم نيازداشته باشند، كامپيوترهاي كوانتومي اين عمل راتنها در مدت چند ثانيه انجام مي‌دهند.
محاسبات كوانتمي در مرز مشترك فيزيك، علوم‌كامپيوتر، تكنولوژي اطلاعات، وفناوري نانو قرار دارد. اين رشته‌ي نوظهور درطي ده سال گذشته توجه ويژه‌ي دولت‌ها وسرمايه‌گذاري‌هاي كلان صنايع را به خود اختصاص داده است.يكي از مهم‌ترين كاربرد‌هاي محاسبات كوانتومي ،رمزنگاري كوانتومي است كه در انتقال محرمانه‌ترين پيغام‌ها،نظير پيام‌هاي بانكي ونظامي استفاده مي‌شود.
اگرچه محاسبات كوانتومي هنوز دوران كودكي خود را سپري مي‌كند، پژوهش در هر دو حوزه‌ي تئوري وعملي با سرعت چشم‌گيري پيش مي‌رود.