محاسبات کوانتومی چیست و چطور کار می‌کند؟_آینده

 در کامپیوترهای کوانتومی، واحد اطلاعات کیوبیت (Qubit) است که می‌تواند صفر یا یک و یا حتی ترکیبی از هر دو باشد. قصه کوانتوم از همین‌جا اغاز می‌شود و قرار است انقلابی بزرگ در عرصه‌های گوناگون در جهان تشکیل کند.

محاسبات کوانتومی در واقع چندرشته‌ای است و از علوم کامپیوتر تا فیزیک و ریاضیات را در برمی‌گیرد. برای حل مسائل پیچیده با شدت بالا به محاسبات کوانتومی پناه می‌برند.

پایه‌های محاسبات کوانتومی

در کامپیوترهای کلاسیک همانند همین لپ‌تاپ‌ها یا تلفنهای تلفن همراهی که در دست دارید، همه‌چیز با «بیت» ساخته می‌شود. هر بیت هم فقط می‌تواند دو حالت داشته باشد: صفر یا یک. برای مثال خاموش یا روشن باشد یا «بله و خیر» را نشان دهد.

اما در کامپیوتر کوانتومی، واحد اطلاعات کیوبیت است. یک کیوبیت سه حالت دارد: می‌تواند صفر یا یک باشد و یا می‌تواند ترکیبی از هر دو (برهم‌نهی یا Superposition) باشد.

رادار کوانتومی در فناوری دفاعی، یکی از گسترش یافتهترین فناورهای راداری است که می‌تواند اشیای رادارگریز را در با دقتی بالا شناسایی کند. در این ویدیو به فناوری رادار کوانتوم پرداخته شده است.

برای این که بهتر این قضیه را فهمیدن کنید کافی است فکر کنید یک بیت همانند یک سکه باشد که شیر یا خط را در حالت «بیت» مشخص می کند اما در حالت کیوبیت یک حالت سوم هم وجود دارد که می‌تواند چرخیدن در هوا باشد. بعد هم شیر است، هم خط و هم هر نسبتی بین این دو!

در دنیای کوانتوم، سه اصل کلیدی وجود دارد. اصل اول با گفتن «برهم‌نهی» شناخته می‌شود. در این حال، یک کیوبیت می‌تواند هم‌زمان در چند حالت باشد. برای مثال یک کیوبیت می‌تواند 30 درصد صفر و 70 درصد هم یک باشد.

محاسبات کوانتومی

حالت دوم «درهم‌تنیدگی» (Entanglement) نام دارد. این حالت به وقتی مربوط می‌شود که دو کیوبیت به هم «تنیده» خواهد شد. در این شرایط، تحول یکی، فورا روی فرد دیگر تاثییر می‌گذارد حتی اگر کیلومترها از یکدیگر فاصله داشته باشند. این علتمی‌شود که اطلاعات بین کیوبیت‌ها به طور زیاد سریع منتقل شود.

در نهایت حالت سوم را «تداخل کوانتومی» (Interference) می‌گویند. در این حالت کوانتوم می‌تواند مسیرهای گوناگون محاسبه را ترکیب کند. این چنین امکان پذیر مسیرهای غلط یکدیگر را حذف کنند  مسیر درست تحکیم شود.

این سه ویژگی علتمی‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی بتواند در آن واحد، میلیاردها حالت گوناگون را بازدید کند. کامپیوترهای کلاسیک باید این‌ها را یکی‌یکی امتحان کنند.

محاسبات کوانتومی چطور انجام می‌شود؟

محاسبات در کامپیوترهای کلاسیک، الگوریتمی همانند به حل یک پازل دارد یعنی تکه به تکه جلو می‌روید. در کوانتوم، الگوریتم همانند به این است که همه تکه‌های پازل را به طور هم‌زمان امتحان کنید و سپس با «تداخل کوانتومی» فقط ترکیب درست را باقی بگذارید.

فکر کنید به جستوجو یک رمز عبور 4 رقمی مناسب هستید. کامپیوتر کلاسیک باید حداکثر 100 هزار حالت را یکی‌یکی تست کند. اما کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه 100 هزار حالت را به‌صورت هم‌زمان امتحان کند و زیاد سریع به جواب درست برسد.

انقلاب محاسبات کوانتومی در جهان

محاسبات کوانتومی می‌تواند صنایع را منقلب کند. برای مثال در قسمت یادگیری ماشین (ML) به بهبود فرایند تجزیه و تحلیل مقادیر عظیمی از داده‌ها پشتیبانی می‌کند. تحقیقات در محاسبات کوانتومی محدودیت‌های فیزیکی پردازش اطلاعات را بازدید می‌کند و در فیزیک بنیادی نوآوری‌هایی به وجود می‌آورد. این تحقیقات به پیشرفت‌هایی در تعداد بسیاری از عرصه‌های علمی و صنعتی، همانند شیمی، بهینه‌سازی و همانند‌سازی مولکولی منجر می‌شود. این چنین حوزه‌ای رو به رشد برای خدمات مالی برای پیش‌بینی حرکات بازار و برای تشکیل جهت بهبود عملیات است.

محاسبات کوانتومی می‌تواند تحقیق و گسترش، بهینه‌سازی زنجیره فراهم و تشکیل را بهبود بخشد. به گفتن مثال، می‌توانید محاسبات کوانتومی را برای افت هزینه‌های مرتبط با فرآیند تشکیل و مختصر کردن زمان‌های چرخه با بهینه‌سازی عناصری همانند برنامه‌ریزی مسیر در فرآیندهای پیچیده به کار ببرید. کاربرد دیگر بهینه‌سازی کوانتومی پرتفوی وام است تا وام‌دهندگان بتوانند اندوخته را آزاد کنند، نرخ‌های منفعت را افت دهند و پیشنهادات خود را بهبود بخشند.

به طور کلی محاسبات کوانتومی می‌تواند در داروسازی و شیمی، هوش مصنوعی، امور مالی و حتی آب‌هوا، اثرگذار باشد. با این حال، محاسبات کوانتومی تا این مدت اشتباهات تعداد بسیاری دارد. از آن‌جا که کیوبیت‌ها به نویز و لرزش‌های کوچک زیاد حساس می باشند، هر نوعی محاسبه‌ای را خراب می‌کنند. علاوه بر آن، ساخت کامپیوترهای کوانتومی به زیرساخت‌های تعداد بسیاری نیاز دارد. حرف های می‌شود این نوع از کامپیوترهایی که پردازش‌ها و محاسبات کوانتومی را انجام خواهند داد باید در دمای نزدیک به صفر مطلق نگه‌داری شوند. همه این موارد علتشده‌اند که تا این مدت ناظر همه‌گیری کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی نباشیم اما با پیشرفت علم و فناوری، بی‌تردید این تکنولوژی هم گسترش اشکار خواهد کرد.