چه چیزی می تواند اساس یک کامپیوتر کوانتومی شود. فقط در مورد چیزهای پیچیده: کامپیوتر کوانتومی چیست و چرا به آن نیاز است. بهترین راه برای بهبود عملکرد کیوبیت ... الماس
بشریت، مانند 60 سال پیش، دوباره در آستانه یک پیشرفت بزرگ در زمینه فناوری محاسبات است. خیلی زود ماشین های محاسباتی امروزی جای خود را به کامپیوترهای کوانتومی خواهند داد.
پیشرفت تا کجا پیش رفته است؟
در سال 1965، گوردون مور گفت که در یک سال تعداد ترانزیستورهایی که روی یک ریزتراشه سیلیکونی قرار می گیرند دو برابر می شود. این سرعت پیشرفت اخیراً کاهش یافته است و دو برابر شدن آن کمتر اتفاق می افتد - هر دو سال یک بار. حتی این سرعت باعث می شود که ترانزیستورها در آینده نزدیک به اندازه یک اتم برسند. بعد خطی است که نمی توان از آن عبور کرد. از نظر ساختار فیزیکی ترانزیستور، به هیچ وجه نمی تواند کوچکتر از مقادیر اتمی باشد. افزایش اندازه تراشه مشکل را حل نمی کند. عملکرد ترانزیستورها شامل آزاد شدن انرژی حرارتی است و پردازنده ها نیاز دارند سیستم کیفیتخنک کننده معماری چند هسته ای نیز مسئله رشد بیشتر را حل نمی کند. رسیدن به اوج در توسعه فناوری پردازنده های مدرنبه زودی اتفاق خواهد افتاد.
در زمانی که کاربران تازه شروع به داشتن کامپیوترهای شخصی کرده بودند، توسعه دهندگان این مشکل را درک کردند. در سال 1980، یکی از بنیانگذاران علم اطلاعات کوانتومی، پروفسور شوروی، یوری مانین، ایده محاسبات کوانتومی را فرموله کرد. یک سال بعد، ریچارد فیمن اولین مدل کامپیوتری با پردازنده کوانتومی را پیشنهاد کرد. مبانی نظریپل بنیوف فرمول بندی کرد که کامپیوترهای کوانتومی چگونه باید باشند.
چگونه یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند
برای اینکه بفهمیم چگونه کار می کند پردازنده جدید، شما باید حداقل دانش سطحی از اصول مکانیک کوانتومی داشته باشید. آوردن آن به اینجا فایده ای ندارد طرح بندی های ریاضیو فرمول ها را استخراج کنید. کافی است یک فرد معمولی با سه ویژگی متمایز مکانیک کوانتومی آشنا شود:
- وضعیت یا موقعیت یک ذره فقط با درجاتی از احتمال تعیین می شود.
- اگر یک ذره می تواند چندین حالت داشته باشد، در آن صورت در تمام حالت های ممکن در یک زمان قرار دارد. این اصل برهم نهی است.
- فرآیند اندازه گیری وضعیت یک ذره منجر به ناپدید شدن برهم نهی می شود. مشخص است که دانش در مورد وضعیت ذره به دست آمده توسط اندازه گیری با وضعیت واقعی ذره قبل از اندازه گیری متفاوت است.
از نقطه نظر عقل سلیم - مزخرف کامل. در دنیای معمولی ما، این اصول را می توان به صورت زیر نشان داد: درب اتاق بسته است، و در عین حال باز است. بسته و همزمان باز است.
این تفاوت قابل توجه بین محاسبات است. یک پردازنده معمولی در کد باینری کار می کند. بیت های کامپیوتری فقط می توانند در یک حالت باشند - دارای ارزش منطقی 0 یا 1 هستند. کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت ها کار می کنند که می توانند یک مقدار منطقی 0، 1، 0 و 1 داشته باشند. برای حل مشکلات خاص، آنها مزیت چند میلیون دلاری نسبت به ماشین های محاسباتی سنتی خواهند داشت. امروزه ده ها توصیف از الگوریتم های کار وجود دارد. برنامه نویسان خاص ایجاد می کنند کد برنامه، که می تواند بر اساس اصول جدید محاسبات کار کند.
کامپیوتر جدید کجا استفاده خواهد شد؟
یک رویکرد جدید در فرآیند محاسبات به شما امکان می دهد با حجم عظیمی از داده ها کار کنید و عملیات محاسباتی فوری را انجام دهید. با ظهور اولین کامپیوترها، برخی از مردم، از جمله مقامات دولتی، نسبت به استفاده از آنها در اقتصاد ملی تردید زیادی داشتند. امروزه هنوز افرادی هستند که در مورد اهمیت رایانه های نسل جدید کاملاً تردید دارند. برای مدت بسیار طولانی، مجلات فنی از انتشار مقالات در مورد محاسبات کوانتومی خودداری می کردند، زیرا این حوزه را یک ترفند متقلبانه رایج برای فریب سرمایه گذاران می دانستند.
یک روش جدید محاسباتی، پیش‌شرط‌هایی را برای اکتشافات علمی بزرگ در همه صنایع ایجاد می‌کند. پزشکی بسیاری از مسائل مشکل ساز را حل می کند، که اخیراً تعداد زیادی از آنها انباشته شده است. تشخیص سرطان در مراحل اولیه بیماری نسبت به الان امکان پذیر خواهد بود. صنایع شیمیایی قادر به سنتز محصولات با خواص منحصر به فرد خواهد بود.
دستیابی به موفقیت در فضانوردی دیری نخواهد آمد. پرواز به سیارات دیگر مانند سفرهای روزانه در اطراف شهر عادی خواهد شد. پتانسیل ذاتی در محاسبات کوانتومی مطمئناً سیاره ما را غیرقابل تشخیص تغییر خواهد داد.
ویژگی متمایز دیگری که کامپیوترهای کوانتومی دارند، توانایی محاسبات کوانتومی برای یافتن سریع کد یا رمز مورد نظر است. یک کامپیوتر معمولی یک راه حل بهینه سازی ریاضی را به صورت متوالی انجام می دهد و گزینه ها را یکی پس از دیگری امتحان می کند. رقیب کوانتومی با کل آرایه داده ها به طور همزمان کار می کند و مناسب ترین گزینه ها را با سرعت رعد و برق در زمان بی سابقه ای کوتاه انتخاب می کند. عملیات بانکیدر یک چشم به هم زدن رمزگشایی خواهد شد که برای کامپیوترهای مدرن غیرقابل دسترسی است.
با این حال، بخش بانکی نیازی به نگرانی ندارد - راز آن با روش رمزگذاری کوانتومی با پارادوکس اندازه گیری ذخیره می شود. هنگامی که می خواهید کد را باز کنید، سیگنال ارسالی مخدوش می شود. اطلاعات دریافت شده هیچ معنایی نخواهد داشت. سرویس‌های مخفی، که جاسوسی برای آنها یک روش معمول است، به امکانات محاسبات کوانتومی علاقه دارند.
مشکلات طراحی
مشکل در ایجاد شرایطی است که تحت آن یک بیت کوانتومی می تواند به طور نامحدود در حالت برهم نهی باقی بماند.
هر کیوبیت یک ریزپردازنده است که بر اساس اصول ابررسانایی و قوانین مکانیک کوانتومی کار می کند.
تعدادی از شرایط منحصر به فرد در اطراف عناصر میکروسکوپی یک ماشین منطقی ایجاد می شود. محیط:
- دما 0.02 درجه کلوین (-269.98 سانتیگراد)؛
- سیستم حفاظتی در برابر تشعشعات مغناطیسی و الکتریکی (تاثیر این عوامل را 50 هزار برابر کاهش می دهد).
- سیستم حذف حرارت و میرایی ارتعاش؛
- کمیابی هوا 100 میلیارد بار کمتر از فشار اتمسفر است.
یک انحراف جزئی در محیط باعث می شود کیوبیت ها فورا حالت برهم نهی خود را از دست بدهند و در نتیجه عملکرد نادرستی ایجاد می شود.
جلوتر از بقیه سیاره
اگر گوگل به همراه ناسا سال گذشته کامپیوتر کوانتومی D-Wave را از یک شرکت تحقیقاتی کانادایی خریداری نکرده بود، می‌توان به خلاقیت ذهن تب‌آلود یک نویسنده داستان‌های علمی تخیلی نسبت داد. 512 کیوبیت
با کمک آن، رهبر بازار فناوری رایانهمسائل یادگیری ماشین را در مرتب سازی و تجزیه و تحلیل مجموعه داده های بزرگ حل خواهد کرد.
اسنودن، که ایالات متحده را ترک کرد، نیز یک بیانیه افشاگرانه مهم بیان کرد - NSA همچنین قصد دارد کامپیوتر کوانتومی خود را توسعه دهد.
2014 - آغاز دوران سیستم های D-Wave
جوردی رز، ورزشکار موفق کانادایی، پس از قراردادی با گوگل و ناسا، ساخت یک پردازنده 1000 کیوبیتی را آغاز کرد. مدل آینده از نظر سرعت و حجم محاسبات حداقل 300 هزار برابر از اولین نمونه اولیه تجاری فراتر خواهد رفت. کامپیوتر کوانتومیکه عکس آن در زیر قرار دارد، اصولا اولین گزینه تجاری جهان است تکنولوژی جدیدمحاسبات
او با آشنایی خود در دانشگاه با کارهای کالین ویلیامز در زمینه محاسبات کوانتومی، به توسعه علمی تشویق شد. باید گفت که ویلیامز امروز در شرکت رز به عنوان مدیر پروژه تجاری کار می کند.
موفقیت یا فریب علمی
خود رز به طور کامل نمی داند کامپیوترهای کوانتومی چیست. در طی ده سال، تیم او از ساخت یک پردازنده 2 کیوبیتی به اولین خلاقیت تجاری امروزی تبدیل شده است.
رز از همان ابتدای تحقیقات خود به دنبال ساخت پردازنده ای با حداقل تعداد کیوبیت 1000 بود. و او قطعاً مجبور بود یک گزینه تجاری داشته باشد - به منظور فروش و کسب درآمد.
بسیاری با دانستن وسواس و هوش تجاری رز سعی دارند او را به جعل متهم کنند. ظاهراً معمولی ترین پردازنده به عنوان کوانتومی شناخته می شود. این نیز با این واقعیت تسهیل می شود که فناوری جدید عملکرد خارق العاده ای را هنگام انجام انواع خاصی از محاسبات نشان می دهد. در غیر این صورت، مانند یک کامپیوتر کاملا معمولی رفتار می کند، فقط بسیار گران است.
چه زمانی ظاهر می شوند
زمان زیادی برای انتظار نیست یک گروه تحقیقاتی که توسط خریداران مشترک نمونه اولیه سازماندهی شده است، در آینده نزدیک نتایج تحقیقات روی D-Wave را گزارش خواهد کرد.
شاید به زودی زمانی فرا برسد که کامپیوترهای کوانتومی درک ما از دنیای اطرافمان را متحول کنند. و تمام بشریت در این لحظه به بیشتر خواهد رسید سطح بالاتکامل آن
هفته گذشته اخباری منتشر شد مبنی بر اینکه گوگل در توسعه یک کامپیوتر کوانتومی پیشرفت کرده است -
این شرکت درک کرد که چنین رایانه ای چگونه از پس آن بر می آید
با اشتباهات خودت چندین سال است که درباره رایانه‌های کوانتومی صحبت می‌شود: مثلاً روی جلد مجله تایم بود. اگر چنین رایانه هایی ظاهر شوند، پیشرفتی مشابه ظاهر رایانه های کلاسیک - یا حتی جدی تر - خواهد بود. نگاه به من توضیح می دهد که چرا کامپیوترهای کوانتومی عالی هستند و گوگل دقیقا چه کاری انجام داده است.
کامپیوتر کوانتومی چیست؟
کامپیوتر کوانتومی مکانیزمی است در تقاطع علوم کامپیوتر و فیزیک کوانتومی، پیچیده ترین شاخه فیزیک نظری. ریچارد فاینمن، یکی از بزرگترین فیزیکدانان قرن بیستم، زمانی گفت: "اگر فکر می کنید فیزیک کوانتومی را درک می کنید، پس آن را درک نمی کنید." بنابراین، لطفاً توجه داشته باشید که توضیحات زیر به طرز باورنکردنی ساده شده است. مردم سال های زیادی را صرف درک فیزیک کوانتومی می کنند.
فیزیک کوانتومی با ذرات بنیادی کوچکتر از اتم سر و کار دارد. نحوه ساختار این ذرات و نحوه رفتار آنها با بسیاری از ایده های ما در مورد جهان در تناقض است. یک ذره کوانتومی می تواند همزمان در چندین مکان و در چندین حالت به طور همزمان باشد. تصور کنید که یک سکه پرتاب کرده اید: در حالی که در هوا است، نمی توانید بگویید که آیا سرش بالا می آید یا دم. این سکه در عین حال مانند سر و دم است. ذرات کوانتومی تقریباً اینگونه رفتار می کنند. به این اصل برهم نهی می گویند.
کامپیوتر کوانتومی هنوز یک دستگاه فرضی است که از اصل برهم نهی استفاده می کند (و سایر خواص کوانتومی)
برای محاسبات یک کامپیوتر معمولی با استفاده از ترانزیستور کار می کند،
که هر اطلاعاتی را صفر و یک می دانند. کد باینری می تواند کل جهان را توصیف کند - و هر مشکلی را در آن حل کند. آنالوگ کوانتومی ضربان کلاسیکیک ذراع نامیده می شود (کیوبیت، کو - از کلمه کوانتوم، کوانتوم). با استفاده از اصل برهم نهی، یک ذراع می تواند به طور همزمان باشد
در حالت 0 و 1 - و این نه تنها قدرت را در مقایسه با رایانه های سنتی به میزان قابل توجهی افزایش می دهد، بلکه به شما امکان می دهد مشکلات غیر منتظره را نیز حل کنید.
که کامپیوترهای معمولی قادر به انجام آن نیستند.
اصل برهم نهی تنها چیز است
کامپیوترهای کوانتومی بر چه چیزی ساخته خواهند شد؟
خیر با توجه به این واقعیت که کامپیوترهای کوانتومی فقط در تئوری وجود دارند، دانشمندان هنوز در مورد نحوه دقیق کارکرد آنها حدس می زنند. برای مثال، اعتقاد بر این است که کامپیوترهای کوانتومی از درهم تنیدگی کوانتومی نیز استفاده خواهند کرد.
این پدیده ای است که آلبرت انیشتین آن را "غیرعادی" نامیده است. او به طور کلی مخالف نظریه کوانتومی بود، زیرا با نظریه نسبیت او همخوانی ندارد). معنای پدیده این است که دو ذره در جهان می توانند به هم متصل شوند و بالعکس: اگر مارپیچ بودن
(چنین مشخصه ای از وضعیت ذرات بنیادی وجود دارد، ما وارد جزئیات نمی شویم)ذره اول مثبت است، سپس مارپیچ دوم همیشه منفی خواهد بود و بالعکس. این پدیده به دو دلیل "خزنده" نامیده می شود. اولاً، این اتصال فوراً سریعتر از سرعت نور کار می کند. ثانیاً، ذرات درهم تنیده را می توان در هر فاصله ای از یکدیگر قرار داد.
از یکدیگر: به عنوان مثال، در انتهای مختلف کهکشان راه شیری.
چگونه می توان از کامپیوتر کوانتومی استفاده کرد؟
دانشمندان به دنبال کاربردهایی برای کامپیوترهای کوانتومی هستند و در عین حال به دنبال چگونگی ساخت آنها هستند. نکته اصلی این است که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به سرعت اطلاعات را بهینه کند و به طور کلی با داده های بزرگی که ما جمع آوری می کنیم، اما هنوز نحوه استفاده از آن را درک نکرده ایم، کار کند.
بیایید این گزینه را تصور کنیم (البته بسیار ساده شده): شما در آستانه تیراندازی با کمان به یک هدف هستید و باید محاسبه کنید که برای ضربه زدن چقدر باید هدف بگیرید. فرض کنید باید ارتفاع را از 0 تا 100 سانتی متر محاسبه کنید. یک کامپیوتر معمولی هر مسیر را به نوبه خود محاسبه می کند: ابتدا 0 سانتی متر، سپس 1 سانتی متر، سپس 2 سانتی متر و غیره. کامپیوتر کوانتومی همه گزینه ها را به طور همزمان محاسبه می کند - و فورا گزینه ای را تولید می کند که به شما امکان می دهد به هدف ضربه بزنید. به این ترتیب می توانید بسیاری از فرآیندها را بهینه کنید:
از پزشکی (مثلاً برای تشخیص زودتر سرطان)قبل از هوانوردی (به عنوان مثال، خلبان های خودکار پیچیده تر بسازید).
همچنین نسخه ای وجود دارد که چنین رایانه ای قادر به حل مشکلاتی خواهد بود کامپیوتر معمولیبه سادگی قادر نیست - یا که هزاران سال محاسبات او را می طلبد. یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند با پیچیده‌ترین شبیه‌سازی‌ها کار کند: به عنوان مثال، محاسبه کنید که آیا موجودات هوشمندی غیر از انسان در جهان وجود دارند یا خیر. این امکان وجود دارد که ایجاد کامپیوترهای کوانتومی منجر شود
به ظهور هوش مصنوعی. تصور کنید که ظهور کامپیوترهای معمولی با دنیای ما چه کرد - کامپیوترهای کوانتومی می توانند تقریباً همین پیشرفت را داشته باشند.
چه کسی کامپیوترهای کوانتومی را توسعه می دهد؟
همه. دولت ها، ارتش، شرکت های فناوری. ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تقریبا برای هر کسی مفید خواهد بود. به عنوان مثال، در میان اسناد منتشر شده توسط ادوارد اسنودن، اطلاعاتی وجود داشت که NSA پروژه ای به نام "نفوذ اهداف پیچیده" دارد که شامل ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی برای رمزگذاری اطلاعات است. مایکروسافت به طور جدی درگیر کامپیوترهای کوانتومی است - آنها اولین تحقیقات خود را در این زمینه در سال 2007 آغاز کردند. IBM در حال توسعه است و چندین سال پیش اعلام کرد که یک تراشه با سه کیوبیت ساخته است. در نهایت، گوگل و ناسا در حال همکاری هستند
با شرکت D-Wave که می گوید در حال حاضر در حال تولید است
اولین پردازنده کوانتومی تجاری (یا بهتر است بگوییم دومی، حالا مدل آنها D-Wave Two نام دارد)، اما هنوز مانند کوانتومی کار نمی کند -
به شما یادآوری کنیم که آنها وجود ندارند.
چقدر به خلقت نزدیکیم
کامپیوتر کوانتومی؟
هیچ کس نمی تواند با اطمینان بگوید. اخبار در مورد پیشرفت های فناوری (مانند اخبار اخیر در مورد گوگل)مدام ظاهر می شویم، اما می توانیم خیلی دور باشیم
از یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار، و بسیار نزدیک به آن. فرض کنید مطالعاتی وجود دارد که نشان می دهد برای ایجاد یک کامپیوتر کافی است
با چند صد ربع به طوری که به عنوان یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار کار می کند. D-Wave ادعا می کند که یک پردازنده 84 کیوبیتی ایجاد کرده است -
اما منتقدانی که پردازنده خود را تحلیل کرده اند می گویند که کار می کند،
مانند یک کامپیوتر کلاسیک، نه مانند یک کامپیوتر کوانتومی. همکاری گوگل
با D-Wave، آنها معتقدند که پردازنده آنها به سادگی در مراحل اولیه توسعه است و در نهایت مانند یک کوانتومی کار خواهد کرد. به هر حال الان
کامپیوترهای کوانتومی یک مشکل اصلی دارند - خطاها. هر رایانه ای مرتکب اشتباه می شود، اما رایانه های کلاسیک به راحتی می توانند با آنها کنار بیایند - اما رایانه های کوانتومی هنوز این کار را نمی کنند. هنگامی که محققان متوجه اشکالات آن شوند، ظهور یک کامپیوتر کوانتومی تنها چند سال دیگر خواهد بود.
چه چیزی اصلاح خطاها را دشوار می کند؟
در کامپیوترهای کوانتومی؟
برای ساده تر، خطاها در کامپیوترهای کوانتومی را می توان به دو سطح تقسیم کرد. اولین مورد اشتباهاتی است که هر کامپیوتری مرتکب می شود، از جمله اشتباهات کلاسیک. هنگامی که 0 به دلیل نویز خارجی - به عنوان مثال، پرتوهای کیهانی یا تشعشع - به طور غیر ارادی به 1 تغییر می کند، می تواند در حافظه کامپیوتر ظاهر شود. این خطاها به راحتی قابل حل هستند، همه داده ها برای چنین تغییراتی بررسی می شوند. و گوگل به تازگی با این مشکل در کامپیوترهای کوانتومی برخورد کرده است: آنها زنجیره ای از 9 کیوبیت را تثبیت کردند.
و او را از اشتباهات نجات داد. با این حال، یک هشدار برای این پیشرفت وجود دارد: گوگل با خطاهای کلاسیک در محاسبات کلاسیک برخورد کرده است. سطح دومی از خطا در کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد و درک و توضیح آن بسیار دشوارتر است.
کوبیت ها بسیار ناپایدار هستند، آنها در معرض ناهمدوسی کوانتومی هستند - این یک اختلال در ارتباط در یک سیستم کوانتومی تحت تأثیر محیط است. پردازنده کوانتومی باید تا حد امکان از تأثیرات محیطی جدا شود (اگرچه گاهی اوقات عدم انسجام در نتیجه فرآیندهای داخلی رخ می دهد)تا خطاها به حداقل برسد. در عین حال، خطاهای کوانتومی را نمی توان به طور کامل حذف کرد، اما اگر به اندازه کافی نادر باشند، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند کار کند. در عین حال، برخی از محققان بر این باورند که 99 درصد از قدرت چنین رایانه ای هدایت خواهد شد
برای از بین بردن خطاها، اما 1٪ باقی مانده برای حل هر مشکلی کافی است.
به گفته فیزیکدان اسکات آرونسون، دستاورد گوگل را می توان سومین دستاورد دانست
با نیمی از هفت مرحله مورد نیاز برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی - به عبارت دیگر، ما در نیمه راه هستیم.
کمی در مورد کامپیوترهای کوانتومی و اینکه آیا آنها زندگی ما را تغییر خواهند داد یا خیر
بسیاری از ما در مورد کامپیوتر کوانتومی شنیده ایم، اما همه نمی دانند که چیست و مهمتر از همه، چه مشکلاتی را می توان با آن حل کرد. چندین سال است که کامپیوترهای کوانتومی به طور فعال مورد مطالعه قرار گرفته اند. بهترین ذهن هاصلح؛ حتی روی جلد مجله تایم با این عنوان ظاهر شد: "این وعده حل برخی از دشوارترین مشکلات بشریت را می دهد، اما هیچ کس نمی داند واقعا چگونه کار می کند."
اکنون کامپیوترها توسط بسیاری از دانشمندان و شرکت های بزرگ مانند گوگل، آی بی ام، مایکروسافت و دیگران مورد تحقیق قرار می گیرند. به گفته آنها، اگر هنوز بتوان چنین رایانه ای را ایجاد کرد، یک پیشرفت واقعی خواهد بود که با کشف رایانه های کلاسیک قابل مقایسه است.
کامپیوتر کوانتومی و مشکلات غیرقابل حل
کامپیوتر کوانتومی یک دستگاه محاسباتی است که بر اساس اصول مکانیک کوانتومی کار می کند که به حق می توان آن را پیچیده ترین شاخه فیزیک نامید. مکانیک کوانتومی در آغاز قرن بیستم آغاز شد و رفتار سیستم‌های کوانتومی و عناصر آن را مطالعه می‌کند. یک ذره کوانتومی می تواند در چندین مکان و حالت به طور همزمان باشد، بنابراین طبق تعریف مکانیک کوانتومی کاملاً با نسبیت عام در تضاد است. اما بیایید وارد علم نشویم، بلکه به موضوع اصلی خود - کامپیوتر کوانتومی - برگردیم.در آغاز قرن مشخص شد که استفاده از نمودارهای الکتریکیبرای ایجاد دستگاه های محاسباتی محدودیت هایی دارد و عملاً به همه آنها رسیده است. اکنون بشریت روز به روز با مشکلات جدیدی مواجه است که رایانه های کلاسیک برای حل آنها کافی نخواهند بود. ساده ترین مثال برای چنین مسئله ای فاکتورگیری اعداد بزرگ است. اکثر سیستم های رمزنگاری برای این منظور ساخته شده اند. این ممکن است بی‌اهمیت به نظر برسد، اما اگر کسی بتواند به سرعت تعداد زیادی را در فاکتورهای اصلی قرار دهد، تراکنش‌ها در تمام بانک‌های جهان در دسترس او قرار می‌گیرد.
یکی دیگر از وظایف به همان اندازه مهم که کامپیوترهای مدرن هرگز نمی توانند با آن کنار بیایند، مدل سازی سیستم های کوانتومی و مولکول های DNA است. بر این اساس، می‌توان نتیجه گرفت که ایجاد رایانه‌های کوانتومی راه‌حلی بسیار امیدوارکننده است که این و بسیاری از مشکلات دیگر را حل خواهد کرد.
چگونه یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند
یک کامپیوتر کلاسیک بر روی ترانزیستورها و تراشه های سیلیکونی کار می کند که از کد دودویی صفر و یک برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند. بیت، به عنوان یک واحد حداقل اطلاعات، دو حالت اساسی دارد: 1 و 0. تغییرات در این حالت ها را می توان به راحتی کنترل کرد: اشیا می توانند در یک مکان خاص باشند یا نباشند. به همین دلیل است که بسیاری از اشیاء فیزیکی در دنیای بیرون را می توان با استفاده از ترکیب پیچیده بیت ها به دنیای مجازی منتقل کرد. عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی بر اساس اصل برهم نهی خواهد بود و به جای بیت ها از کیوبیت ها (بیت های کوانتومی) استفاده می شود که به طور همزمان می توانند در انواع حالت ها (1 و 0 همزمان) باشند. به گفته دانشمندان، به همین دلیل، رایانه های کوانتومی برای کلاس های خاصی از مسائل، میلیون ها برابر قدرتمندتر از رایانه های فعلی خواهند بود. ده ها الگوریتم مختلف برای عملکرد یک کامپیوتر کوانتومی قبلاً شرح داده شده است و حتی زبان های برنامه نویسی خاصی نیز در حال توسعه هستند.
به طور کلی، جهان برای مدت طولانی از فناوری های کوانتومی استفاده می کند. لیزرها، توموگراف ها و میکروسکوپ های فوق حساس بر اساس اثرات جرمی ایجاد شده توسط گروه های بزرگی از ذرات کوانتومی یا امواجی هستند که از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می کنند. وظیفه اصلی استفاده از این اثرات برای ذرات منفرد است و نه برای گروه ها به عنوان یک کل.
کامپیوتر کوانتومی برای چه مواردی استفاده می شود؟
در حالی که دانشمندان در حال کار بر روی ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی هستند، آنها همچنین به دنبال برنامه های کاربردی برای آن هستند. نکته اصلی این واقعیت است که چنین رایانه ای می تواند فوراً محاسبات را انجام دهد و با مقادیر زیادی داده کار کند.
با کمک کامپیوترهای کوانتومی می توان بسیاری از فرآیندها را بهینه کرد: از پزشکی گرفته تا مهندسی مکانیک. برای مثال، افراد می‌توانند سرطان را در مراحل اولیه تشخیص دهند یا خلبان‌های خودکار پیچیده‌تری بسازند. همانطور که قبلا ذکر شد، با کمک یک کامپیوتر کوانتومی می توان به سرعت اعداد بزرگ را فاکتور گرفت و مولکول های DNA را شبیه سازی کرد. همچنین نظریه ای وجود دارد مبنی بر اینکه یک کامپیوتر کوانتومی با مشکلاتی که یک کامپیوتر معمولی قادر به حل آنها نیست یا هزاران سال محاسبات را صرف آنها می کند، کنار می آید. این، برای مثال، ایجاد هوش مصنوعی یا جستجوی موجودات هوشمند در جهان غیر از انسان است. در هر صورت، همه دانشمندان اتفاق نظر دارند که ایجاد چنین کامپیوتری یک پیشرفت واقعی خواهد بود، شاید یکی از اصلی ترین آنها در تاریخ بشریت.
تصحیح خطا مشکل اصلی کامپیوترهای کوانتومی است
خطاها در کامپیوترهای کوانتومی را می توان به دو سطح اصلی تقسیم کرد. خطاهای سطح 1 برای همه رایانه ها از جمله رایانه های کلاسیک مشترک است. چنین خطاهایی شامل تغییرات غیرارادی کیوبیت ها به دلیل نویز خارجی (به عنوان مثال: پرتوهای کیهانی یا تشعشعات) است. این مشکل به تازگی توسط متخصصین حل شده است گوگل. برای حل این مشکل، تیمی از دانشمندان به رهبری جولیان کلی یک مدار کوانتومی ویژه 9 کیوبیتی ایجاد کردند که خطاهای سیستم را جستجو می کند. کیوبیت‌های باقی‌مانده مسئول ذخیره‌سازی اطلاعات هستند، بنابراین آنها را بیشتر از استفاده از یک کیوبیت حفظ می‌کنند. با این حال، مشکل اصلی از بین نرفته است؛ سطح دوم خطاها باقی مانده است.
کیوبیت ها ذاتاً ناپایدار هستند؛ آنها فوراً اطلاعاتی را که می خواهید در رایانه کوانتومی ذخیره کنید، فراموش می کنند. هنگامی که یک کیوبیت در معرض محیط قرار می گیرد، ارتباط درون سیستم کوانتومی مختل می شود (فرایند ناهمدوسی). برای خلاص شدن از شر این، پردازنده کوانتومی باید تا حد امکان از تأثیر عوامل خارجی جدا شود. چگونه انجامش بدهیم؟ - در حال حاضر یک راز باقی مانده است. به گفته کارشناسان، 99 درصد از توان چنین رایانه ای صرف تصحیح خطاها می شود و تنها 1 درصد برای حل هر مشکلی کافی است. البته خطاها را نمی توان به طور کامل حذف کرد، اما اگر تا حد معینی به حداقل برسد، یک کامپیوتر کوانتومی قادر به کار خواهد بود.
بشریت چقدر به ساخت کامپیوترهای کوانتومی نزدیک است؟
اکنون پاسخ دادن به این سؤال بسیار دشوار است - تقریباً غیرممکن. اخبار در مورد پیشرفت در این زمینه به طور مرتب ظاهر می شود، اما نمی توان گفت که آنها جهانی هستند. همه علاقه مند به ایجاد رایانه های کوانتومی هستند: از ارتش گرفته تا شرکت های فناوری. D-Wawe که به طور فعال با گوگل و ناسا همکاری می کند، ادعا می کند که یک پردازنده 84 کیوبیتی ایجاد کرده است، اما منتقدان
