مجله درهم ورهم
مطالب مفید و زیبا ...
                                                        
درباره وبلاگ

این یه وبلاگ عمومیه و ماهم از این موضوع استفاده کردیم و مطالبی با موضوعات مختلف گذاشتیم تا چیزی کم و کسر نیاد و یه وبلاگ کسل کننده نباشه. اگه شما هم در مورد چیزی مطلبی خواستین تو قسمت نظرات بگین و ما سعی میکنیم حتما و در کمترین زمان یه تاپیک با موضوعی که شما خواستین بذاریم.
لحظات خوشی داشته باشین در پناه خداوند.
مدیر وبلاگ : Mr. Kouri
تبلیغات
نظرسنجی
کارکرد وبلاگ چطوره ؟؟؟







پیوندهای روزانه
آمار وبلاگ
  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :
جمعه 15 دی 1391 :: نویسنده : ῭ʌГΛŝĦ Ƙħąƞ΅


رایانه های کوانتومی Quantom Computer


تا چند دهه ی دیگر، رایانه های كوانتومی از داخل داستان های علمی تخیّلی و همچنین آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشمندان علوم رایانه، فیزیك و ریاضی دانان به بیرون خواهند آمد و به صورت كاربردی و عملی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. آن دسته از مسائل كه با محاسبات پیچیده ی خود، رایانه ی جبری امروز را به ستوه می آورند، توسط رایانه های كوانتومی حل خواهد شد. ما در این مقاله كه با فرض داشتن حداقل اطلاعات از دنیای رایانه تنظیم شده است، به مروری مختصر بر رایانه های كوانتومی و طرز عملكرد گونه هایی از آن ها پرداخته و گوشه هایی از توانایی های آن ها را معرفی خواهیم كرد و همچنین گذری بر محاسبات كوانتومی خواهیم داشت. قابل به ذكر است در این مقاله سعی شده است تا حد ممكن از وارد شدن به مباحث تخصصی فیزیك و ریاضی پرهیز شود. مقدمه میزان گسترده قدرت های پردازشی که توسط شرکت های رایانه ای تولید شده است، تا کنون قادر به فرو نشاندن عطش ما به سرعت و توان محاسباتی نبوده است. در سال 1947 ، یک مهندس کامپیوتر امریکایی به نام هوارد ایکن (Howard Aiken) مدعی شد که تنها 6 رایانه الکترونیکی دیجیتال برای برآوردن نیاز محاسباتی ایالات متحده، کافی است! اینچنین پیش بینی های نامعتبر، در باره ی میزان توان محاسباتی برای برآوردن نیاز روزافزون تکنولوژیکی ما، توسط افراد دیگری نیز گفته شد. احتمالا ایکن و دیگران، مواردی چون میزان حجیم اطلاعاتی که توسط تحقیقات دانشمندان تولید می شود، تکثیر رایانه های شخصی و یا ظهور اینترنت را که هرکدام به نوعی نیاز ما به توانایی محاسباتی را تقویت می کند، در نظر نگرفته بودند. آیا هیچوقت توان محاسباتی مورد نیاز خود را خواهیم داشت؟ اگر طبق قانون مُور، تعداد ترانزیستورها در ریزپردازنده در هر 18 ماه دوبرابر شود، سال 2020 یا 2030 با مدارهایی به مقیاس اتمی در ریزپردازنده ها روبرو خواهیم بود؛ و به طور منطقی قدم بعدی، ساخت رایانه های کوانتومی (QC) خواهد یود که قدرت اتم ها و مولکول ها را برای اجرای وظایف حافظه ای و پردازشی، به کار خواهند برد. QC ها بالقوه می توانند هر محاسبات معیّنی را سریع تر از هر رایانه ی پایه سیلیکنی دیگر، انجام دهند. فناوری های کوانتومی ابزاری در نسل پنجم رایانه‌ها هستند. محاسبه کوانتومی، ملکولی و نانو به صورت اساسی چهره رایانه‌ها را در سال‌های آتی تغییر خواهد داد. اولین بار فاینمن (Feynman) بود که ناتوانی رایانه کلاسیک، برای شبیه سازی دقیق یک سیستم کوانتومی هر چند نسبتاً کوچک (مثلا 100 ذره ) را مطرح ساخت. پیچیدگی سیستمهای کوانتومی با افزایش ذرات به شکل نمایی افزایش می یابد، بدین معنی که پارامترهایی که برای توصیف سیستم کوانتومی لازم میباشند، با افزایش اندازه ی سیستم به طور نمایی افزایش می یابند. در این صورت با افزایش اندازه ی سیستم تا اندازه ای معین، تعداد پارامترهای سیستم کوانتومی به قدری زیاد میشوند که دیگر نمی توانند در حافظه ی شبیه ساز کلاسیکی (رایانه امروزی) قرار گیرند. مثلا اگر سیستمی داشته باشیم که از 100 اسپین تشکیل شده باشد، تعداد پارامترهایی که لازم است حالت آن را در حالت کلی توصیف کنیم2100 است كه از کل تعداد اتمهای جهان بیشتر میشود. در این صورت رایانه کلاسیکی به بزرگی کل جهان که هر بیت کلاسیکی حافظه ی آن فقط یک اتم باشد قادر به شبیه سازی دقیق چنین سیستمی درحال کلی نمی باشد. این محدودیت جدی، فاینمن را بر آن داشت که طرح شبیه ساز کوانتومی را پیشنهاد کند. این شبیه ساز خود یک پردازشگر می باشد که از سیستم کوانتومی تشکیل شده است. در این سناریو، اطلاعات ورودی روی حالتهای کوانتومی این پردازشگر ذخیره میشوند و بالطبع تحول زمانی این حالتها از معادله ی شرودینگر تبعیت میکند. تحول زمانی حالتها طبق یک الگوریتم خاص که آن را برای حل یک مسئله ی مشخص مطرح کرده ایم، صورت میگیرد. در این سناریو، رفتار اطلاعات از قوانین کوانتومی تبعیت میکند. این قوانین اثرات و نتایج جدیدی را در پی دارند که میتوانیم آنها را در پردازش اطلاعات بکار ببریم ، به طوری که ثابت میشود از پردازش اطلاعات کلاسیکی بسیار کارآمدتر میباشند. برای رسیدن به خواستگاه محاسبات کوانتومی، لازم نیست که خیلی به عقب برویم. در حالی که در قرن بیستم رایانه ها بطور وسیعی اطراف ما را احاطه کرده بودند، فرضیه محاسبات کوانتومی برای اولین بار در کمتر از 30 سال پیش توسط یک فیزیکدان در آزمایشگاه ملی آرگان (Argonne National Laboratory) بوجود آمد. پول بینایوف (Paul Benioff) به عنوان کسی که نظریه کوانتوم را برای رایانه ها، برای اولین بار در سال 1981 بکار بست، شناخته می شود. همان طور که می دانید، اکثر رایانه های دیجیتال بر پایه ی ماشین تورینگ بناشده اند. بینایوف فرضیه ی ساخت ماشین تورینگ کوانتومی را ارائه کرد. نیلز بور : « جهان کوانتومی وجود ندارد، بلکه توصیفی انتزاعی کوانتوم فیزیکی وجود دارد.» صرف نظر از اثبات وجود یا عدم وجود جهان کوانتومی به خوبی میدانیم که مکانیک کوانتومی رفتارهای عجیب ذاتاً کوانتومی برای سیستمهای کوانتومی پیش بینی میکند که مانستگی کلاسیکی ندارد. خوشبختانه، بدون وارد شدن در دهلیزهای مباحث فلسفی، این رفتارها را میتوان در آزمایشگاه مشاهده کرد و راز قدرت رایانه کوانتومی چیزی جز بکار بردن این اثرات کوانتومی در ذخیره و پردازش اطلاعات نیست. اصول فیزیک کوانتومی اجازه ساخت رایانه کوانتومی را به ما میدهد كه برتری آن را نسبت به رایانه های کلاسیک به ما نشان میدهد. تعریف رایانه کوانتومی همانطور که می دانید، ماشین تورینگ که توسط الن تورینگ (Alan Turing) در دهه ی 1930 ارائه شد، یک ابزار فرضی است که از یک نوار با طول نامحدود و یک هد خواندن-نوشتن تشکیل شده است. نوار به مربع های کوچکی تقسیم شده که هر مربع می تواند یک سمبل (0 یا 1) در خود نگه داشته و یا خالی باشد. هد خواندن-نوشتن این سمبل ها و یا فضای خالی را می خواند و در نتیجه دستور اجرای یک برنامه مشخص را دریافت می کند. حتماً با مطالب فوق آشنا هستید، خوب، در ماشین تورینگ کوانتومی (quantum Turing machine) هد خواندن-نوشتن همچنان موجود است. اما تفاوت در این است که نوار در یک وضعیت کوانتومی قرار دارد و این به این معنی است که سمبل ها در روی نوار می توانند در هر کدام از حالات 0 ، 1 و یا انطباقی (برهم نهی) (superposition) از 0 و 1 باشند! به عبارت دیگر سمبل ها در هر لحظه هم 0 هستند و هم 1 (و تمام نقاط بین این دو). در نتیجه، در حالی که ماشین تورینگ معمولی در هر لحظه تنها توانایی انجام یک محاسبه را داراست، ماشین تورینگ کوانتومی می تواند چندین محاسبه را به طور همزمان اجرا کند. رایانه های امروزی، همانند ماشین تورینگ، با دستکاری بیت هایی که در یکی از دو وضعیت 0 یا 1 هستند، کار می کنند. رایانه های کوانتومی به این دو وضعیت محدود نشده اند؛ این رایانه ها اطلاعات را به صورت بیت های کوانتومی، یا کوبیت (qubit) ، که می توانند در حالت انطباق باشند، کد می کنند. برای درک بهتر این موضوع دو بیت را در نظر بگیرید. در حالی که این دو بیت در یک لحظه تنها می توانند یکی از حالات 00 ، 01 ، 10 ، 11 را داشته باشند (یعنی یکی از اعداد 0 تا 3) اما دو کوبیت می توانند تمام این 4 حالت را به طور همزمان داشته باشند(تمام اعداد 0 ، 1 ، 2 و 3). پس یک رایانه کوانتومی می تواند n2 حالت ممکن را با هم بررسی کند. کوبیت ها ارائه کننده ی اتم، یون، فوتون یا الکترون و وسایل کنترلی مربوطه می باشند که با یکدیگر کار کرده تا به عنوان حافظه کامپیوتر و پردازنده عمل کنند. برخی، از سطوح انرژی یون‌های به‌دام ‌افتاده در میدان‌های الکتریکی به عنوان صفر و یک ‌های کوانتومی استفاده کرده‌اند. دیگران در قطبی کردن فوتون‌ها به دنبال کوبیت‌ها گشته‌اند. اما هنوز برخی دیگر، از اسپین‌های کوانتومی درون مولکول‌های کلروفرم و اسپین‌های الکترون درون نانوکریستال‌ها که به عنوان نقطه‌های کوانتومی شناخته می‌شوند، استفاده می‌کنند. به دلیل اینکه رایانه های کوانتومی می توانند حالت های چند وضعیتی را بطور هم زمان دارا باشند، لذا این پتانسیل وجود دارد که میلیون ها بار سریعتر از قوی ترین ابررایانه های امروزی باشند. برهم نهی کوبیت ها، خاصّیتی است که توانایی ذاتی محاسبات موازی را به رایانه های کوانتومی می دهد. به عقیده این فیزیکدان، دیوید دویچ (DavidDeutsch) ، خاصیت موازات به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد تا بطور همزمان بر روی میلیون ها محاسبه کار کنند، در حالی که رایانه ی رومیزی شما تنها قادر به انجام یکی از آن محاسبات در آن زمان می باشد. در سال 1985، دویچ مقاله نظری مهمی را منتشر کرد که نشان می داد اصولا هر فرآیند فیزیکی را می توان به خوبی با کامپیوترهای کوانتومی مدل سازی کرد. بعد از انتشار مقاله دویچ، تحقیقات برای دستیابی به کاربردهای جدیدتر برای چنین دستگاهی آغاز شد. یک رایانه کوانتومی 30-کوبیتی قدرت پردازشی برابر با قدرت پردازش یک رایانه متداول امروزی که می تواند بر روی 10 ترافلاپ (teraflop)(هر ترافلاپ برابر است با یک تریلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) کارکند را ارائه می كند؛ در حالی که رایانه های رومیزی معمولی امروزی در مقیاس سرعت گیگافلاپ (gigaflops)( یک میلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) کار می کنند. رایانه های کوانتومی همچنین از خاصیت دیگر ماشین های کوانتومی به نام درهم تنیدگی (entanglement) بهره می برند. یکی از مشکلات ایده ی رایانه های کوانتومی این است که اگر شما به ذره های درون اتمی نگاه کنید، می توانید آن ها را جابجا کنید و بدین وسیله ارزش آن ها را تغییر دهید. اگر برای تشخیص ارزش یک کوبیت در حالت انطباق به آن نگاه کنید، کوبیت هر یک از دو ارزش 0 و 1 را ارائه خواهد کرد، اما نه هردوی آن ها که این مسئله رایانه ی کوانتومی نازنین شما را به یک رایانه ی دیجیتال معمولی تبدیل خواهد کرد. با توجه به فیزیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز درون اتمی را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذرّه های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد. اما هیچ راهی برای دانستن قطعی اینکه آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم، وجود ندارد. البته آنچه در رایانه های کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. این احتمال بودن یا نبودن است که نبودن یا بودن کامپیوترهای کوانتومی را تعیین می کند. برای ساخت یک رایانه کوانتومی واقعی بی عیب، دانشمندان باید راه هایی غیر مستقیم برای سنجش کوبیت ها پیدا کنند. درهم تنیدگی یک راه بالقوه را ارائه می دهد. در فیزیک کوانتومی، اگر شما یک نیروی خارجی به دو اتم اعمال کنید، این عمل باعث درهم تنیدگی آن ها می شود و در نتیجه اتم دوم می تواند خواص اتم اول را بپذیرد. بنابراین با حذف نیرو، اتم در تمامی مسیرها به گردش درمی آید. در لحظه ای که نیرو مختل می شود، اتم یک مدار گردشی (spin) یا یک ارزش را انتخاب می کند؛ در همان لحظه، اتم درهم تنیده ی دوم مدار گردشی یا ارزش مخالف را انتخاب می کند. این مسئله به دانشمندان کمک می کند تا بتوانند ارزش کوبیت ها را به طور غیر مستقیم تشخیص دهند. هم دوسی (coherence) ، سد راه رایانه های کوانتومی در راه ساخت این رایانه ها موانع جدی مهندسی و فناوری وجود دارد. از جمله، همان طور که گفته شد، چون این رایانه ها از خاصیتی موسوم به درهم تنیدگی ذرات اتمی نظیر الكترون‌ هااستفاده می‌كنند كه در آن یك الكترون از یك مجموعه دوتایی، اطلاعات خود را به شكلكوانتومی به الكترون دیگر منتقل می‌كند، این خطر وجود دارد كه این اطلاعات بر طبقیك پدیده كوانتومی دیگر موسوم به "از دست رفتن انسجام سیستم"(Decoherence) به الكترون‌های دیگری كه جزو این مجموعه دوتایی نیستند، اما در هماننزدیكی قرار دارند، منتقل شوند و به این ترتیب امنیت اطلاعات و نیز صحت پردازش آنهادر معرض خطر قرار گیرد. پدیده از دست رفتن انسجام می‌تواند به عنوان مثال بهواسطه ی وجود یك میدان مغناطیسی ناخواسته در محیط به وجود آید. این میدان احتمالاًمی‌تواند به وسیله حركت خود الكترون‌ها در درون اتم‌ های موادی كه برای پردازشاطلاعات مورد استفاده قرار گرفته‌اند، تولید شود .راهی كه تاكنون برای مقابله بااین خطر به ذهن دانشمندان رسیده بود، آن است كه دمای محیط را تا حد كاملاً نزدیك بهصفر مطلق، پایین بیاورند. اما به نوشته هفته‌نامه علمی "ساینس" یك گروه ازمحققان در موسسه فناوری فدرال سوئیس در زوریخ، پس از بررسی پدیده از دست رفتنانسجام سیستم در بلورهای فلوراید هولمیوم لیتیوم، مشاهده كردند كه بلورها در دمای یكدرجه بالای صفر مطلق می‌توانند مانع بروز این پدیده كه برای رایانه ها ی كوانتومینامطلوب است، بشود. ممكن است برخی تصور كنند، یك درجه بالای صفر مطلق یعنی یك درجه كمتر از منهای ۲۷۳ درجه سانتیگراد، چندان تفاوتی با صفر مطلق نداشته باشد، اما واقعیت این است كه تفاوت بین منهای ۲۷۲ درجه سانتیگراد و منهای ۲۷۳ درجه سانتیگراد بسیار چشمگیر است. در حالیكه دست یافتن به دومی بسیار بسیار دشوار و احیاناً غیر ممكن است، دست یافتن به اولی نسبتاًٌ آسان است و با صرف انرژی به مراتب كمتری می توان آن را تحقق بخشید. به همین دلیل، كشف پژوهشگران سوئیسی گام بلند و مؤثری در زمینه تكمیل رایانه ها ی كوانتومی به شمار می‌آید تجسم محاسبه کوانتومی الگوریتم های رایانه کوانتومی، اندیشیدن بر حسب عوامل احتمالی را می طلبد، که این مسئله تغییری مفهومی برای برنامه نویسان امروز است. از بعضی جهات این مسئله شبیه به تغییر دید در اولین استفاده از برنامه نویسی شئ گرا (OOP) (Object Oriented Programming) ، برنامه نویسی تابعی و یا چند نخی است. اما از جهتی دیگر این تغییر بسیار بنیادی تر است؛ زیرا کلاس گسترده ای از مسائل نابرابری (احتمالات) را در مقابل ما می گشاید. بیاید مسئله زیر را با هم بررسی کنیم. می خواهیم مسیری را از درون یک مارپیج پیچیده پیدا کنیم. هر زمان که ما یک مسیر را انتخاب می کنیم ، بلافاصله با انشعاب های جدید روبرو می شویم. با اینکه می دانیم مسیری برای خروج وجود دارد، اما گم شدن به سادگی امکان پذیر است. یک الگوریتم بسیار معروف برای مسئله مارپیچ، قانون دست راست است. اگرچه ممکن است کوتاه ترین راه را نیابیم، اما حداقل وارد دالان های تکراری نمی شویم. در مبحث رایانه ای، این قانون به درخت بازگشتی کاهشی (recursive tree descent) نیز مشهور می باشد. حالا بیاید مسئله دیگری را بررسی کنیم. در ورودی مارپیچ می ایستیم و مقداری گاز رنگی وارد مارپیچ می کنیم تا همه ی دالان ها را بپوشاند. همچنین دوست ما در خروجی مارپیچ ایستاده است. هنگامی که او وزش گاز رنگی را مشاهده می کند که در حال خارج شدن از مارپیچ است، به سادگی از ذرّات گاز می پرسد که از کدام مسیر گذر کرده اند! با احتمال زیاد، اولین ذرّه ای که مورد پرسش قرار می گیرد، کوتاه ترین راه ممکن را پیموده است. طبیعتاً ذرّات گاز نمی توانند در مورد سفر خود چیزی به ما بگویند، اما QC ها در وضعیتی بسیار شبیه به داستان ما عمل می کنند. در واقع آنها تمام فضای مسئله را پر خواهند کرد و تنها زحمت، پرسیدن راه صحیح است. (خارج کردن راه های اشتباه از فضای پاسخ ها ) qcl (Quantum Computing Language) ، شبیه ساز رایانه های کوانتومی شبیه سازی رایانه های کوانتومی بر روی یک رایانه ی کلاسیک سنتی مسئله ی مشکلی است. منابعی که برای شبیه سازی یک رایانه کوانتومی مورد نیاز است، با توجه به میزان حافظه کوانتومی تحت شبیه سازی، به طور نمایی افزایش پیدا می کنند. با این وجود شبیه سازی یک رایانه ی کوانتومی حتی با تعداد محدودی کوبیت، قابلیّتی فراتر از رایانه های امروزی دارد. qcl تنها رایانه های کوانتومی بسیار کوجک را شبیه سازی می کند، اما خوشبختانه به اندازه کافی قدرتمند می باشد تا بتواند ایده ی پشت چند الگوریتم کوانتومی مفید را نمایان کند. احتمالا مانند ابررایانه های دیروز، اولین رایانه های کوانتومی آینده مرکب از چند سخت افزار عجیب و غریب خواهند بود که بر روی یک هسته مرکزی قرار دارند که ماشین حالت کوانتومی را نگهداری و دستکاری می کند و در اطراف آن ها سخت افزارهایی حیاتی خواهند بود که آن ها را حمایت کرده و به کاربران محیط برنامه نویسی متعارفی را ارائه خواهند داد. qcl بوسیله فراهم کردن ساختار برنامه ای ِ کلاسیک با نوع داده کوانتومی و همچنین توابع بخصوصی برای اجرای عملیات بر روی آن ها، یک چنین محیطی را شبیه سازی می کند. qcl مفسری محاوره ای با گرامری شبیه به C دارد. رایانه های کوانتومی امروز رایانه های کوانتومی می توانند روزی جانشین تراشه های سیلیکنی شوند، همان طور که روزی ترانزیستور جای لامپ خلاء را گرفت. اما در حال حاظر این تکنولوژی نیاز به پیشرفت دارد و رایانه های کوانتومی دور از دسترس ما هستند. بیشتر تحقیقاتی هم که تا کنون در این زمینه انجام شده، جنبه ی تئوری دارند. پیشرفته ترین رایانه های کوانتومی هنوز توانایی این را ندارند که بر روی بیش از 16 کوبیت کار کنند، این بدین معنی است که تا کاربرد عملی فاصله ی زیادی دارند. اگرچه پتانسیل موجود تضمین می کند که روزی رایانه های کونتومی بتوانند محاسباتی که به طور باورنکردنی زمان بر هستند را به سرعت و به آسانی انجام دهند. در سالهای اخیر چندین کلید پیشرفت در زمینه رایانه های کوانتومی به دست آمده است. پس در ادامه به چند رایانه کوانتومی که ایجاد شده اند، می پردازیم. 1998 محققان آزمایشگاه Los Alamos و MITموفق شدند یک کوبیت را در بین سه اسپین هسته ای در هر مولکول محلول مایعی از alanine(آمینواسیدی که برای تجزیه و تحلیل واپاشی حالت کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرد) یا trichloroethylene(محلول هیدروژن و کلروکربن که برای تصحیح خطای کوانتومی استفاده می شود) انتشار دهند. انتشار کوبیت خراب شدن آن را سخت تر می کند، لذا به محققان این امکان را داد تا از برهم تنیدگی برای مطالعه غیر مستقیم فعل و انفعالات بین حالات، برای تجزیه و تحلیل اطلاعات کوانتومی استفاده کنند. 2000 در ماه مارس، رایانه کوانتومی 7 کوبیتی توسط دانشمندان آزمایشگاه ملی Los Alamos معرفی شد. این رایانه کوانتومی از تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR) برای دستکاری اجزاء در هسته ی اتم استفاده می کرد. 2001 دانشمندان IBM و دانشگاه استنفورد به طور موفقیت آمیزی الگوریتم شور را توسط یک رایانه کوانتومی 7 کوبیتی برای پیداکردن عوامل اول عدد 15 پیاده سازی کردند. الگوریتم شور روشی برای پیدا کردن عوامل اول یک عدد است که نقش اصلی را در رمزنگاری بازی می کند. آن ها موجب شده اند میلیاردها میلیارد سلول رایانه ای خاصی که در محیط آزمایشگاهی طراحی شده اند به رایانه های کوانتومی هفت کیوبیتی تبدیل شوند که گونه ساده ای از مشکلات ریاضی را حل می کنند که اساس رمزنگاری دستگاه های امنیت امروزی است. 2005 مؤسسه اپتیک و اطلاعات کوانتومی در دانشگاه اینسبروک اعلام کردن که دانشمندان اولین کوبایت (Qubyte) ، یعنی رشته ای 8 کوبیتی ، را با استفاده از تله ی یونی (ion trap) ساخته اند. 2007 شرکت کانادایی D-Waveاعلام کرد که رایانه کوانتومی 16 کوبیتی را ساخته است. این رایانه توانست بازی سودوکو و تعداد دیگری ار مسائل ریاضی را حل کند. اما منتقدان معتقدند تا رایانه کوانتومی کاربردی دهه ها سال فاصله است و بسیاری از ادعاهایی که در پایگاه الکترونیکی D-Waveوجود دارد غیر ممکن هستند. اگر رایانه های کوانتومی کاربردی بتوانند ساخته شوند ، در تجزیه و عامل یابی اعداد بزرگ و همچنین رمزنگاری اطلاعات سرّی بسیار سودمند خواهند بود. این رایانه ها خواهند توانست پایگاه داده های بسیار بزرگ را در کسری از زمان جستجو کنند. همچنین رایانه های کوانتومی خواهند توانست به طور واقعی اعداد تصادفی تولید نمایند ، چیزی که تمام رایانه های امروزی از انجامش عاجزند. کاربردهای دیگر می تواند استفاده از این رایانه ها برای ساخت ماشین های کوانتومی و یا حداقل طراحی رایانه های کوانتومی دیگر باشد. اما این رایانه ها هنوز قدم های ابتدایی توسعه خود را بر می دارند و بسیاری از دانشمندان علوم کامپیوتر معتقدند که تا فناوری ساخت رایانه های کوانتومی کاربردی، سال ها فاصله وجود دارد. رایانه های کوانتومی باید حداقل چندین جین کوبیت داشته باشند تا بتوانند مسائل دنیای واقعی را حل کنند و همچنین به عنوان روش های محاسباتی ماندگار استفاده شوند. 2009 استفاده از نور به عنوان سوخت و محاسبه عوامل عدد در یک چشم به هم زدن دانشمندان در بریستول موفق به ساخت ابتدایی اولین رایانه بر روی یک ریزتراشه شدند که برای محاسبات خود بجای الکتریسیته از نور استفاده می کند. این تراشه کوچک، تنها با چند میلیمتر عرض، شاید بتواند منادی رایانه ها برای شکستن کدهای امنیتی پیچیده ی بانک ها باشد. پرفسور جِرمی اُبراین (Jeremy O’Brien) ، سرپرست مرکز فوتون های کوانتومی دانشگاه بریستول می گوید : « خبر بزرگ این است که ما توانستیم این مهم را بر روی یک تراشه پیاده سازی کنیم. » چیزی که پرفسور به آن اشاره نمی کند این است که این تراشه یک رایانه کوانتومی کاملاً عملیاتی است که بر اساس پدیده ی قدرتمند مکانیک کوانتومی بنا نهاده شده است. پرفسور اُبراین تأکید می کند که این رایانه ابتدایی است و کاری بیشتر از محاسبه ای که شما برای ضرب عامل ها و بدست آوردن عدد 15 انجام می دهید، نمی کند اما این محاسبه را با استفاده از مکانیک کوانتومی انجام می دهد. « این یک رایاته کوانتومی ناقابل است که به شما چیزی می گوید که در حال حاضر آن را می دانید، اما این رایانه بر پایه ی اصول محاسبه ی کوانتومی کار می کند. » دستگاه حاضر برای انجام محاسبات تنها از 4 فوتون یا ذرّات نور استفاده می کند. « این مدار چهار فتون به عنوان ورودی می گیرد و چهار فوتون به بیرون پرتاب می کند و در این جریان عوامل عدد 15 را بدست می آورد. » مسئله با اهمیت این است که این رایانه راه حل را با استفاده از تأثیرات مکانیک کوانتومی از جمله انطباق و در هم تنیدگی بدست می آورد. اولین QC برنامه پذیر با استفاده از تعدادی یون فوق سرد، لیزرهای قوی و چند الكترود، محققان قادر به ساخت اولین QC برنامه پذیر شدند. این سیستم جدید نشان داد كه توانایی تطبیق با 160 روال پردازشی كه بطور تصادفی انتخاب شده بودند را داراست. نسخه های قبلی رایانه های كوانتومی، به شدت محدود به دامنه ی كوچكی از وظایفی مشخص بودند. اما برای سودمند شدن، این رایانه ها باید همانند رایانه های كلاسیك امروزی قابلیت برنامه پذیری داشته باشند. گروه محققان به سرپرستی دیوید هنِك (David Hannek) از مؤسسه ملی استاندارد و فناوری در بولدر ایالت كلرادو، رایانه كوانتومی خود را بر پایه ی دو یون بریلیوم سرد شده كه تنها كمی بالاتر از صفر مطلق قرار داشتند، بنا نهادند. این یون ها كه بوسیله ی میدان مقناطیسی بر روی یك تراشه ی آلومینیومی با روكش طلا، در تله انداخته شده بودند، نقش كوبیت را بازی می كردند. لیزر كوتاه بطور پیوسته یون ها را برای اجرای عملیات پردازشی، دستكاری كرده و از طرفی، همزمان یون های منیزیوم، ‌یون های بریلویم را سرد و بی حركت می كنند. هنك و همكاران وی، هر برنامه را 900 بار اجرا كردند و به طور متوسط 79 درصد پردازش ها با موفقیت انجام شد. با این وجود، تحقیق های قبلی موفقیت 99/99 درصدی را تخمین زده بودند اما هنك معتقد است كه با لیزری قوی تر و چند تغییر و پالایش دیگر، موفقیت سیستم را می توان افزایش داد. دانشمندان علوم كامپیوتر و فیزیك دانان معتقدند كه یكی از مهیّج ترین موارد این تحقیقات، امكان ساخت QC در مقیاس بزرگتر است. زیرا فناوری استفاده شده در این سیستم برای دو كوبیت، قابل گسترش به سیستم های بسیار بزرگ تر است. نتیجه گیری در این مقاله به بررسی رایانه های كوانتومی پرداختیم و پس از شناخت اساس كار آن ها و آشنایی با دنیای كوانتومی، با خواصی چون درهم تنیدگی و هم دوسی، مزایا و معایب آن ها آشنا شدیم. سپس برای درك هر چه بهتر توانایی QC ها، تجسمی از محاسبات كوانتومی ارائه گردید و همچنین زبان qcl به عنوان شبیه ساز رایانه های کوانتومی معرفی و در پایان آخرین موفقیت ها در عرصه ی رایانه های کوانتومی عنوان شد.
تا چند دهه ی دیگر، رایانه های كوانتومی از داخل داستان های علمی تخیّلی و همچنین آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشمندان علوم رایانه، فیزیك و ریاضی دانان به بیرون خواهند آمد و به صورت كاربردی و عملی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. آن دسته از مسائل كه با محاسبات پیچیده ی خود، رایانه ی جبری امروز را به ستوه می آورند، توسط رایانه های كوانتومی حل خواهد شد. ما در این مقاله كه با فرض داشتن حداقل اطلاعات از دنیای رایانه تنظیم شده است، به مروری مختصر بر رایانه های كوانتومی و طرز عملكرد گونه هایی از آن ها پرداخته و گوشه هایی از توانایی های آن ها را معرفی خواهیم كرد و همچنین گذری بر محاسبات كوانتومی خواهیم داشت. قابل به ذكر است در این مقاله سعی شده است تا حد ممكن از وارد شدن به مباحث تخصصی فیزیك و ریاضی پرهیز شود.
مقدمه
میزان گسترده قدرت های پردازشی که توسط شرکت های رایانه ای تولید شده است، تا کنون قادر به فرو نشاندن عطش ما به سرعت و توان محاسباتی نبوده است. در سال 1947 ، یک مهندس کامپیوتر امریکایی به نام هوارد ایکن (Howard Aiken) مدعی شد که تنها 6 رایانه الکترونیکی دیجیتال برای برآوردن نیاز محاسباتی ایالات متحده، کافی است! اینچنین پیش بینی های نامعتبر، در باره ی میزان توان محاسباتی برای برآوردن نیاز روزافزون تکنولوژیکی ما، توسط افراد دیگری نیز گفته شد. احتمالا ایکن و دیگران، مواردی چون میزان حجیم اطلاعاتی که توسط تحقیقات دانشمندان تولید می شود، تکثیر رایانه های شخصی و یا ظهور اینترنت را که هرکدام به نوعی نیاز ما به توانایی محاسباتی را تقویت می کند، در نظر نگرفته بودند.
آیا هیچوقت توان محاسباتی مورد نیاز خود را خواهیم داشت؟ اگر طبق قانون مُور، تعداد ترانزیستورها در ریزپردازنده در هر 18 ماه دوبرابر شود، سال 2020 یا 2030 با مدارهایی به مقیاس اتمی در ریزپردازنده ها روبرو خواهیم بود؛ و به طور منطقی قدم بعدی، ساخت رایانه های کوانتومی (QC) خواهد یود که قدرت اتم ها و مولکول ها را برای اجرای وظایف حافظه ای و پردازشی، به کار خواهند برد. QC ها بالقوه می توانند هر محاسبات معیّنی را سریع تر از هر رایانه ی پایه سیلیکنی دیگر، انجام دهند. فناوری های کوانتومی ابزاری در نسل پنجم رایانه‌ها هستند. محاسبه کوانتومی، ملکولی و نانو به صورت اساسی چهره رایانه‌ها را در سال‌های آتی تغییر خواهد داد.
اولین بار فاینمن (Feynman) بود که ناتوانی رایانه کلاسیک، برای شبیه سازی دقیق یک سیستم کوانتومی هر چند نسبتاً کوچک (مثلا 100 ذره ) را مطرح ساخت. پیچیدگی سیستمهای کوانتومی با افزایش ذرات به شکل نمایی افزایش می یابد، بدین معنی که پارامترهایی که برای توصیف سیستم کوانتومی لازم میباشند، با افزایش اندازه ی سیستم به طور نمایی افزایش می یابند. در این صورت با افزایش اندازه ی سیستم تا اندازه ای معین، تعداد پارامترهای سیستم کوانتومی به قدری زیاد میشوند که دیگر نمی توانند در حافظه ی شبیه ساز کلاسیکی (رایانه امروزی) قرار گیرند. مثلا اگر سیستمی داشته باشیم که از 100 اسپین تشکیل شده باشد، تعداد پارامترهایی که لازم است حالت آن را در حالت کلی توصیف کنیم2100 است كه از کل تعداد اتمهای جهان بیشتر میشود. در این صورت رایانه کلاسیکی به بزرگی کل جهان که هر بیت کلاسیکی حافظه ی آن فقط یک اتم باشد قادر به شبیه سازی دقیق چنین سیستمی درحال کلی نمی باشد. این محدودیت جدی، فاینمن را بر آن داشت که طرح شبیه ساز کوانتومی را پیشنهاد کند. این شبیه ساز خود یک پردازشگر می باشد که از سیستم کوانتومی تشکیل شده است. در این سناریو، اطلاعات ورودی روی حالتهای کوانتومی این پردازشگر ذخیره میشوند و بالطبع تحول زمانی این حالتها از معادله ی شرودینگر تبعیت میکند. تحول زمانی حالتها طبق یک الگوریتم خاص که آن را برای حل یک مسئله ی مشخص مطرح کرده ایم، صورت میگیرد. در این سناریو، رفتار اطلاعات از قوانین کوانتومی تبعیت میکند. این قوانین اثرات و نتایج جدیدی را در پی دارند که میتوانیم آنها را در پردازش اطلاعات بکار ببریم ، به طوری که ثابت میشود از پردازش اطلاعات کلاسیکی بسیار کارآمدتر میباشند.

ادامه دارد ...




نوع مطلب : دنیای شیرین - ( علمی )، 
برچسب ها :
لینک های مرتبط :






 
   
شبکه اجتماعی فارسی کلوب | Buy Mobile Traffic | سایت سوالات