۹ واقعیت درباره محاسبات کوانتومی که هوش از سرتان خواهد برد

کامپیوترهای کوانتومی به درد مرور وب، چک کردن ایمیل یا اجرای نرم‌افزارهای معمول نمی‌خورند. در عوض این کامپیوترها با تکیه بر مبانی مکانیک کوانتوم (شاخه‌ای از علم فیزیک که ۱۰۰ سال است دانش معمول بشر را به چالش کشیده است) ذره‌های بنیادین را دست‌کاری کرده و مسایلی را که تاکنون لاینحل مانده بودند، حل می‌کنند.

اگر فکر کنید که یک کامپیوتر کوانتومی با جادو کار می‌کند، چندان هم اشتباه نکرده‌اید. رویاهای داستان‌های علمی-تخیلی مثل سفر در زمان و تله‌پورت زمانی که درباره اشیایی به این کوچکی صحبت می‌کنیم (به چیزهایی کوچک‌تر از اتم فکر کنید) به رویدادهایی عادی تبدیل می‌شوند. قوانین معمول این‌جا دیگر صدق نمی‌کنند.

این موارد قابلیت‌هایی هیجان‌انگیز به همراه می‌آورند، به خصوص در گرایشی از ریاضیات که بهینه‌سازی(Optimization) نامیده می‌شود. بهینه‌سازی تقریبا همان چیزی است که از نام آن برداشت می‌کنید: یافتن بهترین جواب ممکن از میان مجموعه‌ای عظیم از جواب‌های احتمالی. برای چنین حوزه کوچکی از ریاضیات، محاسبات کوانتومی اساسی‌ترین مشکلات دنیای واقعی را حل می‌کنند. با انتخاب کدام مسیر یک کامیون می‌تواند در عین تحویل دادن تمام کالاها، کمترین مسافت را بپیماید؟ در یک فرودگاه شلوغ پروازها را چگونه تنظیم می‌کنید؟ این‌ها نمونه‌هایی از مسایل بهینه‌سازی هستند.

کامپیوترهای معمول برای انجام برخی از محاسبات بهینه‌سازی، بسیار ضعیف هستند. پروفسور دانیل لیدار (Daniel Lidar) مدیر علمی مرکز محاسبات کوانتومی لاکهید مارتین می‌گوید: "تلاش برای مشخص کردن تمام حالت‌های پیچ‌خوردگی یک پروتئین به زمانی چندین برابر عمر کیهان نیاز دارد، اما طبیعت همین کار را ظرف چند ثانیه یا حداکثر چند دقیقه انجام می‌دهد. به هر حال میلیاردها سال برای فکر کردن در این‌باره فرصت داشته است!"

به عبارتی دیگر می‌توانیم بگوییم محاسبات کوانتومی سعی می‌کند توانایی طبیعت برای تعامل با جهان را کنکاش کرده و تقلید کند. درک این مطالب به احتمال زیاد برای شما هم مشکل است، اما این تنها نوک قله کوه یخ است که از دل اقیانوس بیرون زده است. در ادامه ۹ واقعیت درباره محاسبات کوانتومی را مورد بررسی قرار خواهیم داد که احتمالا شما را هم به شدت شگفت‌زده خواهد کرد.

کامپیوترهای کوانتومی از مکانیک کوانتوم استفاده می‌کنند، و مکانیک کوانتوم دیوانه‌کننده است

قوانین حاکم بر دنیای ذرات میکروسکوپی که اتم‌ها را می‌سازند، به شدت با قوانین اشیا ماکروسکوپی که ما با چشم غیرمسلح می‌بینیم متفاوت است.

به عنوان مثال، ذرات کوانتومی در یک لحظه می‌توانند در دو محل مختلف باشند، می‌توانند در زمان به جلو یا عقب بروند و حتی از طریق چیزی که فیزیکدان‌ها به آن تونل زنی کوانتومی می‌گویند، تله‌پورت شوند! شبیه داستان‌های علمی-تخیلی به نظر می‌رسد، اما در دنیای کوانتومی این‌ها چیزهایی عادی هستند! و البته دانشمندان نمی‌توانند این موضوعات را به درستی تشریح کنند.

هیچ‌کس دقیقا نمی‌داند در داخل یک کامپیوتر کوانتومی چه می‌گذرد

یکی از پایه‌های اساسی مکانیک کوانتومی (و به صورت کلی علوم) این است که فعالیت ساده "مشاهده" خروجی یک رویداد مشخص را تغییر می‌دهد. [به این ترتیب نتیجه یک واقعه وقتی به آن نگاه می‌کنید، با زمانی که به آن نگاه نمی‌کنید متفاوت است.]

ما به دقت ابزارهای‌مان محدود هستیم و این موضوع به خصوص درباره چشمان کنجکاو دانشمندان صادق است. یک ذره کوانتومی که مورد مشاهده یا اندازه‌گیری قرار می‌گیرد برای همیشه تغییر کرده است!

بیت‌های صفر و یک دیجیتال را فراموش کنید، کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت‌ها کار می‌کنند و این‌ها چیزهایی وحشی هستند

یک کامپیوتر معمولی در هسته اصلی‌اش، فقط و فقط بیت‌ها را دستکاری می‌کند که درواقع نمادی از صفرها و یک‌ها هستند. یک کامپیوتر کوانتومی برای انجام پردازش‌هایش از بیت‌های کوانتومی استفاده می‌کند که کیوبیت نامیده می‌شوند. کیوبیت‌ها هم درست مانند بیت‌ها می‌توانند نشانگر صفر یا یک باشند، اما هنر اصلی آن‌ها در وضعیت سومی است که می‌توانند به خود بگیرند. این وضعیت "فراوضعیت" یا superposition نامیده می‌شود، به این معنی که در یک لحظه می‌توانند هم صفر و هم یک باشند!

ین قابلیت عجیب و غریب به این معنا خواهد بود که رشته‌ای از کیوبیت‌ها می‌تواند در یک لحظه نشانگر چیزهای متفاوتی باشد. به عنوان مثال یک مجموعه از کیوبیت‌ها که در حالت فراوضعیت قرار داشته باشند، می‌توانند در یک لحظه نشان‌دهنده چهار حالت مختلف مختلف باشند. [۰و۰] ، [۰و۱] ، [۱و۰] و [۱و۱].

به نظر شما هم زیادی پیچیده شد؟ مشکلی نیست. عده‌ای از هوشمندترین افراد دنیا که تمام عمرشان در این مورد تحقیق کرده‌اند هم مانند شما سردرگم هستند!

یک کامپیوتر کوانتومی مسایلی را حل می‌کند که حل‌شان برای کامپیوترهای معمولی ناممکن یا غیرعملی است

کامپیوترهای کوانتومی زمانی توانایی‌های خود را آشکار می‌کنند که نوبت به حل مسایل مربوط به بهینه‌سازی برسد. برخی از این مسایل آن‌قدر پیچیده هستند که یک کامپیوتر معمولی برای حل‌شان به زمانی بسیار زیاد (مثلا یک میلیارد سال) احتیاج خواهد داشت.

یکی از مثال‌های کلاسیک چنین مسایلی، مساله "تاجر دوره‌گرد" است. لیستی از شهرها و فاصله میان‌شان را در نظر بگیرید. تاجر دوره‌گردی وجود دارد که می‌خواهد به همه این شهرها سفر کند و در عین حال کوتاه‌ترین مسیر ممکن را بپیماید. تنها راه ممکن برای حل این مساله به کمک کامپیوترهای معمولی این است که تمام مسیرهای ممکن را محاسبه کنیم و طول هر یک را به دست بیاوریم تا در نهایت کوتاه‌ترین راه مشخص شود. اما این راه‌حل اصلا جذاب نیست!

بیت‌های کوانتومی را به یاد دارید که در یک زمان می‌توانستند بیش از یک حالت به خود بگیرند؟ چنین قابلیتی یعنی کامپیوتر کوانتومی می‌تواند در یک لحظه تعداد بیشماری حالت را به صورت همزمان آزموده و کوتاه‌ترین مسیر را ظرف چند ثانیه و نه چند میلیارد سال مشخص کند.

برخی فکر می‌کنند که کامپیوترهای کوانتومی محاسبات را در جهانی دیگر انجام می‌دهند

واقعا هیچ کس نمی‌تواند مشخص کند که کیوبیت‌ها چگونه در یک زمان می‌توانند بیش از یک حالت داشته باشند. این موضوع در طبیعت پیچیده ذرات کوانتومی نهفته است و تا کنون کسی نتوانسته است راز آن را فاش کند. اما این‌که ما چیزی را نمی‌فهمیم به این معنا نیست که وجود ندارد.

دانشمندان ایده‌های مختلفی درباره دلیل چنین امری دارند. برخی از آن‌ها به نظریه "چند جهانی" اعتقاد دارند. این نظریه در فیزیک نظری معتقد است تعداد زیادی (احتمالا بی‌نهایت) جهان یا واقعیت دیگر نیز وجود دارد. در این مدل، یک کامپیوتر کوانتومی که در یک جهان در حال حل مساله تاجر دوره‌گرد است، ممکن است برخی از محاسبات را در جهان‌های موازی دیگر به انجام برساند و برخی از مسیرها را در دنیاهای دیگر بررسی کند تا زمان مورد نیاز برای انجام محاسبات را به شدت کاهش دهد.

کامپیوتر خانگی شما برخی از کارها را درست به خوبی یک کامپیوتر فوق‌العاده گران‌قیمت کوانتومی انجام می‌دهد

کامپیوتر کوانتومی که در حال پیدا کردن بهترین مسیر برای آن تاجر دوره‌گرد است، کارش را درست براساس همان مبانی ریاضی انجام می‌دهد که کامپیوتر خانگی شما برای محاسبات به آن‌ها تکیه می‌کند. منظور ما محاسبات جبری ساده (جمع و تفریق و . . .) است که همین حالا هم تا حد ممکن بهینه شده‌اند!

هیچ راه بهتری برای جمع کردن مجموعه‌ای از اعداد وجود ندارد، جز این‌که آن‌ها را به ترتیب با هم جمع کنیم. راه ساده‌تری برای ضرب وجود ندارد، فقط ضرب کردن وجود دارد! در چنین شرایطی کارایی کامپیوتر شما درست به اندازه همان کامپیوتر کوانتومی است.

اگر کامپیوترهای کوانتومی دسترس‌پذیرتر و ارزان‌تر شوند، تحولی عظیم در حوزه رمزنگاری بوجود خواهند آورد

کامپیوترهای کوانتومی علاوه بر این‌که برای بهینه‌سازی مناسب هستند، تغییری شگرف در تصور ما از امنیت داده‌ها و رمزنگاری ایجاد خواهند کرد.

این‌جا صحبت از کدهای تقریبا غیرقابل شکستن برای برقراری ارتباط امن میان هر دو نقطه دلخواه است.

کامپیوترهای کوانتومی برای این‌که درست کار کنند باید به شدت سرد شوند

سفر کلوین (حدود منفی ۲۷۳ درجه سانتیگراد) یا صفر مطلق سردترین دمایی است که می‌توان تصور کرد (یا شاید اندازه گرفت). این دمایی است که در آن جنبش تمام اتم‌های یک شیی متوقف شده و در نتیجه هیچ گرمایی تولید نمی‌شود.

دمای داخل کامپیوتر کوانتومی D-Wave Systems تقریبا روی ۰٫۰۲ درجه کلوین تنظیم شده است!

کامپیوترهای کوانتومی از آن‌چه تصور می‌کنید سریع‌تر هستند

پروفسور کاترین مک‌گوچ (Catherine McGeoch) از دانشگاه آم‌هرست (Amherst) احتمالا نخستین کسی است که به نوعی سرعت کامپیوترهای کوانتومی را با کامپیوترهای معمولی مقایسه کرده است.

با حل مسایل مشابه او به این نتیجه رسیده است که نمونه‌های کوانتومی هزاران بار سریع‌تر هستند.

نقل از پزشک

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات