محاسبات كوانتومی


آیا تاكنون نام قانون مور را شنیده.اید؟ حدود 40 سال پیش، «گوردون مور» (Gordon Moor) از بنیان.گذاران شركت «اینتل» با در نظر.گرفتن روند تغییر میزان پیچید.گی مدارهای میكرو.الكترونیك پیش.بینی كرد این میزان هر.سال دو برابر شود.معیار اندازه.گیری این پیچیدگی تعداد ترانزیستور در واحد سطح بود. بر اساس این پیش بینی، هر سال .IC هایی به بازار می.آمدند كه تعداد ترانزیستورهای آن.ها در واحد سطح، دو برابر سال قبل بود. این پیش.بینی كم.كم به.عنوان شاخصی برای پیش.بینی آینده.ی صنعت میكروالكترونیك تبدیل شد و نام قانون به خود گرفت .

اما لحظه.ای تامل كنید: دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها یعنی نصف شدن ابعاد آن.ها!بدیهی است كه برای كوچك.شدن ابعاد ترانزیستورها حد پایینی وجود دارد. به این معنی كه اندازه.ی چیپ.های سیلیكونی سرانجام به جایی میرسد كه از حدود ابعاد اتمی بزرگ.تر نخواهد .بود و فیزیك حاكم برابعاد اتمی دیگر از قوانین كلاسیك پیروی نمی.كند.ومشكل دقیقا از همین.جا شروع می.شود:

از یك.سو برای افزایش سرعت پردازش داده.ها باید ترانزیستورهای تراشه.ها كوچك.تر شوند تا الكترون. مسیر كوتاه.تری بپیماید و از سوی دیگر كوچك شدن ابعاد تراشه.ها سبب بروز مشكلات ترمودینامیكی می.شود به این معنی كه دمای تراشه.ها به سرعت افزایش می.یابد و در نهایت كاركرد كلی سیستم را كاهش می.دهد.

مجموعه.ی تمام این مشكلات پرسش جدیدی را پیش روی دانشمندان نهاد:

آیا می.توان نوع جدیدی از كامپیوتر بر اساس اصول كوانتم مكانیك طراحی كرد؟

فیزیكدان مشهور،«ریچارد فاینمن»، در زمره.ی اولین افرادی بود كه در جستجوی پاسخی برای این پرسش برآمد ودر این راستا درسال 1982 میلادی مدلی انتزاعی برای چگونگی انجام محاسبات مبتنی بر اصول كوانتم مكانیك ارائه كرد. كامپیوتر.كوانتومی باید با كامپیوتر.كلاسیك، یعنی همین كامپیوتری كه در مقابل شما قرار.دارد، تفاوت اساسی داشته. باشد.

به این نكته توجه كنید كه اگر.چه كامپیوتر.های كنونی بر قله.ی پیشرفت فناوری.های رایانه.ای ایستاده.اند ، با.نهایت شگفتی،بر.اساس اصول كاركرد با اجداد غول.پیكر 30 تنی خود كه به 18000 لامپ خلا و500 مایل سیم مجهز بودند تفاوت چندانی ندارند. یعنی اگر.چه فشرده.تر ونیز به.طور چشم.گیری درانجام فرآیندهای محاسباتی سریع.تر شده.اند، نحوه.ی عمل.كرد آن.ها اصولا ثابت مانده است.

واحد اطلاعات در كامپیوتر.های كلاسیك بیت است كه با 0و1 نمایش داده می.شود وهر بیت به لحاظ فیزیكی به كمك یك سیستم ماكروسكوپی مانند مغناطیدگی دیسك سخت یا باردارشدن خازن مشخص می.شود اما در یك كامپیوتركوانتمی واحد اطلاعات كیوبیت (qbit) است و مقادیر صفر، یك و یا حتی یك برهم.نهی كوانتمی ازاین دو را در بر.می.گیرد و بنابراین دودویی نیست پس دیگراز چارچوب منطق «بولی» تبعیت نمی.كند وبه جای آن ازچارچوب «منطق كوانتومی» پیروی می..كند.

یك مثال برای اجرایی كردن ایده.ی طراحی كامپیوتر.های كوانتومی، استفاده از ذره.هایی است كه دو حالت اسپینی دارند.(اسپین یك خاصیت ذاتی ذره است كه مشابه كلاسیك ندارد و با یك تقریب ساده..انگارانه می.توان آن. راهم.چون حركت وضعی زمین، چرخش الكترون به دور خودش دانست. )

درصورت ساخت كامپیوترهای كوانتمی بزرگ، این كامپیوترها قادر خواهند بود مسائلی را كه كامپیوتر.های كنونی برای حل آن.ها نیاز به زمان و حافظه.ی زیادی دارند با صرف زمان وهزینه.ی كم.تر (به طور نمایی سریع.تر) حل كنند. مثلا اگر فرض كنیم تجزیه یك عدد بسیاربزرگ به عوامل اول آن برای كامپیوترهای كنونی به مدت زمانی از مرتبه.ی طول عمر عالم نیازداشته باشند، كامپیوترهای كوانتومی این عمل راتنها در مدت چند ثانیه انجام می.دهند.

محاسبات كوانتمی در مرز مشترك فیزیك، علوم.كامپیوتر، تكنولوژی اطلاعات، وفناوری نانو قرار دارد. این رشته.ی نوظهور درطی ده سال گذشته توجه ویژه.ی دولت.ها وسرمایه.گذاری.های كلان صنایع را به خود اختصاص داده است.یكی از مهم.ترین كاربرد.های محاسبات كوانتومی ،رمزنگاری كوانتومی است كه در انتقال محرمانه.ترین پیغام.ها،نظیر پیام.های بانكی ونظامی استفاده می.شود.

اگرچه محاسبات كوانتومی هنوز دوران كودكی خود را سپری می.كند، پژوهش در هر دو حوزه.ی تئوری وعملی با سرعت چشم.گیری پیش می.رود.