محاسبات كوانتومي چيست و چرا منتظر انقلاب محاسباتي هستيم؟

خوشبختانه در دوره‌اي از تاريخ قرار داريم كه تكنولوژي بيش از هر زمان ديگر در كانون توجهات قرار گرفته و روزانه ميلياردها نفر در سراسر جهان به‌طور مستقيم و غير مستقيم با تكنولوژي‌هاي جذاب، پيچيده و حيرت‌انگيزي سروكار دارند كه بي‌وقفه در حال پيشرفت هستند. ما تاكنون چندين نقطه‌عطف عظيم همچون انقلاب كامپيوتر‌هاي شخصي و موبايل‌هاي هوشمند را در اين حوزه شاهده بوده‌ايم كه به‌تبع مشاغل و شيوه زندگي افراد را كاملا دستخوش تغيير كرده است. بااين‌حال، شايد به‌توان اين دستاوردها را مقدمه‌اي براي ايجاد انقلابي عظيم‌تر به‌نام رايانش كوانتومي توصيف كرد.

در دهه ۱۹۵۰ مردم فقط در اتاق‌هاي بزرگ مجهز به سيستم تهويه مناسب، به كامپيوترهاي غول‌آسا دسترسي داشتند. در اواخر دهه ۷۰ تا ۸۰ ميلادي، مردم به واسطه انقلاب ريزكامپيوتر‌ها در خانه‌هاي خود از وجود كامپيوتر بهره‌مند شدند و تا دهه ۹۰ مردم از لپ‌تاپ‌هايي بهره مي‌بردند كه مي‌توانستند آن را در كيف خود حمل كنند. اكنون ما كامپيوتر‌هايي به شكل موبايل‌ هوشمند در جيب‌ خود حمل مي‌كنيم كه هزاران برابر از كامپيوترهاي اوليه سريع‌تر هستند. بااين‌حال، به‌انديشه متخصصين مي‌رسد كه به‌زودي در اين چرخه به بن‌بست خواهيم خورد؛ زيرا باوجود سال‌ها پيشرفت‌ چشمگير در اين حوزه و ايجاد دوراني مدرن و هيجان‌انگيز، كامپوترهاي كلاسيك با محدوديت‌ها و اشكالاتي مواجه و از حل آن‌ها عاجز هستند. اين دقيقا همان جايي است كه رايانش كوانتومي نمايان مي‌شود.

يكي از مهم‌ترين محدوديت‌هاي كامپيوتر‌هاي كلاسيك به كوچك‌سازي ترانزيستورها مربوط مي‌شود. درحال‌حاضر شركت‌هاي تراشه‌سازي واحدهاي ترانزيستور را تقريباً به اندازه يك اتم كوچك كرده‌اند كه پيشرفت شگرف و غير قابل باوري محسوب مي‌شود. براي درك بهتر آن، تصور كنيد كه در سيليكوني به ابعاد يك سكه كوچك مي‌توان ميلياردها ترانزيستور را تعبيه كرد! اما حتي اگر يك كامپيوتر كلاسيك به ما در انجام كارهاي شگفت‌انگيز كمك كند، زير كاپوت در واقع فقط يك ماشين حساب هستند كه از دنباله‌اي از بيت‌ها استفاده مي‌كند.

احتمالا ميلياردها نفر در سراسر جهان روزانه با انواع و اقسام كامپيوترها، از موبايل‌هاي هوشمند گرفته تا ابركامپوترها سروكار دارند. به زبان ساده، كامپيوترهاي كنوني را مي‌توان دستگاه‌هاي بسيار متخصصدي درانديشه متخصصين گرفت كه به متخصصان امكان مي‌دهد رايانامه بفرستند، خريد الكترونيك كنند، با دوستانشان در شبكه‌هاي اجتماعي تعامل داشته باشند يا حتي در دنياي غني گيمينگ غوطه‌ور شوند؛ اما همان‌طوركه پيش‌تر گفته شد، اين دستاوردهاي پيشرفته با پردازنده‌هاي چند ده هسته‌اي، كارت‌هاي گرافيك بسيار قوي و... در بطن خود شامل يك ماشين حساب خسته و قديمي هستند كه قدمت آن به دهه‌ها پيش باز مي‌گردد و از دستورالعمل‌هاي از پيش تعيين‌شده‌اي به نام برنامه استفاده مي‌كنند.

كامپيوتر‌هاي كنوني را مي‌توان به يك شعبده‌بازي تشبه كرد كه كارهاي عجيب و غير قابل باوري جلوي چشم بينندگان انجام مي‌دهد؛ اما به‌واقع، شعبده‌باز تنها از اصول پايه‌اي براي فريب بينندگان در زير آستين يا كلاهش استفاده مي‌كند. كامپيوتر‌هاي مرسوم داراي دو ترفند هستند كه به‌نوعي تمامي بنياد آن‌ها را شكل داده است. آن‌ها مي‌توانند اعداد را در حافظه ذخيره و اعداد ذخيره‌شده را با عمليات ساده رياضي (مانند جمع و تفريق) پردازش كنند. افزون بر اين، آن‌ها مي‌توانند با پيچاندن عمليات ساده در يك مجموعه به نام الگوريتم، كارهاي پيچيده‌تري انجام بدهند. هر دو ترفند كليدي كامپيوتر‌هاي كلاسيك (ذخيره و پردازش)، با استفاده از سوئيچ‌هايي به نام ترانزيستور

كامپيوتر‌هاي امروزي از واحدهاي پردازش موسوم به بيت استفاده مي‌كنند. بيت جرياني از پالس‌هاي الكتريكي يا نوري نشان‌دهنده اعداد ۱ يا صفر است و در حقيقت، تمامي فعاليت‌هايمان از توييت‌ها و رايانامه‌ها گرفته تا آهنگ‌ها و محتواي ويديويي، در اصل رشته‌هاي طولاني اين ارقام باينري هستند. در اين ميان، ترانزيستورها وظيفه ذخيره و پردازش اين اعداد باينري را بر عهده دارند. اين سوييچ‌هاي بسيار كوچك را در دنياي روزمره مي‌توان كليدهاي پريز برق تشبيه كرد كه مي‌توانند روشن يا خاموش باشند. از حالت روشن آن‌ها مي‌توان براي ذخيره‌سازي اعداد باينري «۱» و حالت خاموش آن‌ها براي اعداد باينري «۰» استفاده كرد.

به‌عبارت ديگر، هر يك از صفرها يا يك‌ها، عدد دوتايي يا بيت ناميده مي‌شود و جالب است بدانيد كه با يك رشته هشت بيتي، مي‌توان ۲۵۵ كاراكتر مختلف نظير A-Z ، a-z ، 0-9 و رايج‌ترين نمادها را ذخيره كرد. كامپيوترها با استفاده از مدارهايي به نام دروازه‌هاي منطقي محاسبه مي‌شوند كه از تعدادي ترانزيستور متصل به هم ساخته شده‌اند. دروازه‌هاي منطقي الگوهاي بيت‌هايي را كه در حافظه‌هاي موقت به نام رجيستر ذخيره مي‌شوند، مقايسه و سپس آن‌ها را به الگوهاي جديدي از بيت‌ها تبديل مي‌كنند و اين معادل چيزي است كه مغز ما آن را جمع و تفريق يا ضرب مي‌نامد. از انديشه متخصصين فيزيكي، الگوريتمي كه محاسبه خاصي را انجام مي‌دهد، به شكل يك مدار الكترونيكي ساخته‌شده از تعدادي دروازه منطقي است و خروجي از يك دروازه به عنوان ورودي بعدي وارد مي‌شود.

آنچه كه گفته شد شگفت‌انگيز به انديشه متخصصين مي‌رسد؛ اما اين همان جايي است كه توان محاسباتي كامپيوترهاي مرسوم به اشباع‌شدن نزديك مي‌شود. هرچه اطلاعات بيشتري براي ذخيره‌سازي نياز باشد، به بيت‌ها و ترانزيستورهاي بيشتري نياز خواهد بود؛ بنابراين، ترانزيستورها وظيفه بسيار مهمي در كامپيوترهاي كنوني بر عهده دارند و اين در حالي است كه ما به محدوديت كوچك‌سازي آن‌ها نزديك مي‌شويم.

درحال‌حاضر، غول‌هاي تراشه‌ساز نظير TSMC در حال تحقيق و توسعه روي تراشه‌هاي يك نانومتري هستند. اصلي‌ترين چالش شركت‌هاي سازنده تراشه يافتن ساختار ترانزيستور و همچنين مواد ترانزيستوري مناسب است. در اين ميان، تماس‌هاي ترانزيستوري كه نيرو را به ترانزيستور مي‌رسانند، براي عملكرد آن‌ها (ترانزيستورها) بسيار حياتي هستند. كوچك‌سازي بيشتر فناوري‌هاي استفاده‌شده در صنعت نيمه‌هادي مقاومت در تماس را افزايش مي‌دهد و به موجب آن، عملكرد آن‌ها نيز محدود مي‌شود؛ بنابراين، TSMC و ساير تراشه‌سازان بايد ماده تماسي را پيدا كنند كه مقاومت بسيار كمي داشته باشد، جريان‌هاي زيادي را انتقال دهد و از همه مهم‌تر براي توليد در حجم انبوه مقرون‌به‌صرفه باشد و اين شايد در ساليان آينده به پاشنه آشيل صنعت تبديل شود.

به‌طور كلي، ما با استفاده از روش‌هاي كلاسيك به محدوديت‌هاي بهره‌وري انرژي نزديك شده‌ايم و بر‌‌‌اساس گزارشي از انجمن صنايع نيمه هادي، تا سال ۲۰۴۰ ديگر قادر به تغذيه محاسباتي تمام ماشين آلات در سراسر جهان نخواهيم بود. دقيقاً به همين دليل است كه صنعت كامپيوتر در تلاش است تا كامپيوترهاي كوانتومي را در مقياس تجاري كار كند. ايجاد كامپيوترهاي كوانتومي مفيد به‌هيچ‌وجه كار ساده‌اي نخواهد بود؛ اما به‌واقع ماحصل آن مي‌تواند دنياي محاسبات را به مرحله‌اي جديد برساند.

انديشه متخصصينيه كوانتوم شاخه‌اي از فيزيك است كه به دنياي اتم‌ها و ذرات كوچك‌تر (زير اتمي) درون آن‌ها مي‌پردازد. در حقيقت، محاسبات كوانتومي نيز مبناي خود را بر اصولي پايبند كرده است كه دانشمندان سال‌ها در كوچك‌ترين ذرات طبيعت نظير اتم‌ها، فوتون‌ها يا الكترون‌ها مشاهده كرده‌اند. باب سوتور، متصدي اصلي بخش كوانتومي IBM، به زيبايي مي‌گويد كه محاسبات كوانتومي راه ما براي تقليد از طبيعت براي حل اشكالات فوق‌العاده دشوار، اما قابل حل آن‌ها است.

ممكن است فكر كنيد كه اتم‌ها نسخه بسيار كوچك ساير عناصر جهان باشند و دقيقا مانند آن‌ها رفتار مي‌كنند؛ اما كاملا در اشتباه هستيد. در مقياس اتمي، قوانين تغيير مي‌كنند و بسياري از قوانين كلاسيك فيزيك كه ما در دنياي روزمره خود آن‌ها مسلم مي‌دانيم، ديگر متخصصد و معنايي نخواهند داشت. شايد به‌توان دنياي كوانتومي را بسيار غريب و در عين حال آشنا توصيف كرد كه بسيار از دانشمندان را سردرگم و شيفته خود كرده است.

درحال‌حاضر، بسياري از مباني كوانتومي ناشناخته باقي مانده است؛ اما به قطعيت مي‌توان گفت كه اين حوزه داراي ظرفيت بسياري براي دگرگون ساختن بسياري از صنايع است. كنترل موفقيت‌آميز اين ذرات در كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند باعث انفجار قدرت محاسباتي شود كه به‌طور خارق‌العاده‌اي نوآوري را در بسياري از زمينه‌ها كه نياز به محاسبات پيچيده دارند، مانند كشف دارو، مدل‌سازي آب‌وهوا و بهينه‌سازي مالي پيش مي‌برد.

ايده اصلي نهفته در كامپيوتر‌هاي كوانتومي اين است كه مي‌توان از خواص و قوانين فيزيك كوانتوم براي ذخيره‌سازي و انجام عمليات روي داده‌ها استفاده كرد. كامپيوترهاي كوانتومي با تكيه‌بر ويژگي‌هاي كوانتوم ذرات زيراتمي، برخي محاسبات را سريع‌تر از كامپيوترهاي كلاسيك انجام مي‌دهند. در كامپيوترهاي سنتي، محاسبات پردازشي در مبناي ۲ انجام مي‌شود و هر بيت در وضعيت خاموش يا روشن قرار مي‌گيرد؛ اما واحد اطلاعات كوانتومي، كيوبيت (qbit)، با استفاده از ويژگي‌هاي مبتني‌بر كوانتوم مي‌تواند وضعيت خاموش و روشن يا هر مقداري بين آن‌ها را ارائه دهد كه به آن برهم‌نهي مي‌گويند. (در ادامه به‌تفصيل توضيح داده مي‌شود).

مباني اصلي كامپيوتر كوانتومي به حدود چهار دهه پيش و انديشه متخصصينيه ساخت كامپيوتر كلاسيك با برخي از اِلِمان‌هاي مكانيك كوانتوم، به وسيله فيزيك‌دان آمريكايي، پائول بني‌اُف (Paul Benioff) بازمي‌گردد و در طي سال‌ها، افراد زيادي به تحقيق‌وتوسعه و انديشه متخصصينيه‌پردازي در اين باره پرداخته‌اند؛ اما عده‌اي از جامعه علمي بر اين باورند كه ديويد دويچ، اولين انگيزه و بنياد تحقيق در مورد كامپيوتر كوانتومي را پايه‌گذاري كرده است.

افرادي همچون ريچارد فاينمن، ديويد دويچ و يوري مانين در سلسله‌مراتب تحقيقات خود به ايده مدل مكانيكي كوانتومي از يك ماشين تورينگ دست يافتند كه نشان مي‌داد از يك كامپيوتر كوانتومي مي‌توان براي شبيه‌سازي چيزهايي استفاده كرد كه به‌سادگي نمي‌توان آن‌ها را از طريق كامپيوتر كلاسيك و با استفاده از فيزيك كلاسيك شبيه‌سازي كرد. براي مثال، در سال ۱۹۹۴ دان سيمون در انديشه متخصصينيه‌اي نشان داد كه يك كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند از انديشه متخصصين نمايي سريع‌تر از يك كامپيوتر كلاسيك باشد. كامپيوترهاي كوانتومي قصد جايگزيني كامپيوتر‌هاي كلاسيك را ندارند؛ زيرا آن‌ها ابزار متفاوت، گران و بسيار پيچيده‌اي هستند كه به ما براي حل اشكالات پيچيده‌اي كه خارج از توانايي‌هاي يك كامپيوتر كلاسيك است، كمك خواهند كرد.

اساساً، ورود به دنياي داده‌هاي بزرگ كه در آن اطلاعات مورد نياز براي ذخيره رشد مي‌كند، نياز به تعداد بيشتري بيت و ترانزيستور براي پردازش آن وجود دارد. در بيشتر موارد كامپيوتر‌هاي كلاسيك محدود به انجام يك كار در يك زمان هستند؛ بنابراين هرچه اشكال پيچيده‌تر باشد، زمان بيشتري براي انجام پردازش‌ها صرف مي‌شود؛ اشكالي كه نياز به قدرت و زمان بيشتري نسبت به كامپيوتر‌هاي امروزي دارد و يك اشكال حل نشدني ناميده مي‌شود. اين‌ها اشكالاتي هستند كه پيش‌بيني مي‌شود كامپيوترهاي كوانتومي با بهره‌گيري از خواص عجيب و بسيار متمازشان آن‌ها را حل كنند. براي درك بهتر كاركرد كامپيوترهاي كوانتومي بهتر است كه قبل از آغاز هر چيز، با دو پديده بسيار مهم كوانتومي يعني برهم‌نهي و درهم‌تنيدگي آشنا شويد.

كيوبيت‌ها عناصر اصلي و زيربنايي هستند كه كامپيوتر‌هاي كوانتومي قدرت پردازشي‌شان را از آن‌ها مي‌گيرند. درواقع، كيوبيت‌ها همتاي كوانتومي بيت‌ها در كامپيوترهاي سُنتي محسوب مي‌شوند كه در بخش‌هاي پيشين با آن آشنا شديم. يكي از تفاوت‌هاي بزرگ كامپيوترهاي سُنتي و كوانتومي به مفهوم برهم‌نهي مربوط مي‌شود. كامپيوتر كلاسيك مي‌تواند مبتني‌بر حالت A يا B (در اصطلاح باينري يك يا صفر) باشد؛ درحالي‌كه كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند از تركيب اين دو هم استفاده كند.

معمولاً افرادي كه در زمينه نورشناسي و پرتوهاي نوري فعاليت دارند، ممكن است يك ديد نسبي نسبت به برهم‌نهي داشته باشند؛ زيرا پرتو نور گاهي اوقات طوري رفتار مي‌كند كه گويي از ذرات همچون يك جريان مداوم از گلوله‌هاي توپ تشكيل شده است و گاهي اوقات همانند موج‌هاي انرژي در فضا موج مي‌زنند. اين «دوگانگي موج ذره» ناميده مي‌شود و يكي از ايده‌هايي است كه از انديشه متخصصينيه كوانتوم سرچشمه مي‌گيرد. درك اين كه چيزي مي‌تواند هم‌زمان دو چيز مانند يك ذره و يك موج باشد، دشوار، ديوانه‌كنند و با تجربه روزمره ما كاملاً بيگانه است.

بااين‌حال، در انديشه متخصصينيه كوانتوم اين فقط يك چيز ديوانه كننده است كه مي‌تواند رخ بدهد. بارزترين مثال در اين مورد انديشه متخصصينيه گيج‌كننده‌اي است كه به «گربه شرودينگر» شناخته مي‌شود. به‌طور خلاصه، در دنياي عجيب انديشه متخصصينيه كوانتوم، مي‌توانيم شرايطي را متصور بود كه موجودي شبيه به گربه مي‌تواند هم‌زمان زنده و مرده باشد!

وقتي وارد دنياي ذرات اتمي و زير اتمي مي‌شويد، همه‌چيز شروع به رفتارهاي غير منتظره مي‌كند. در حقيقت، اين ذرات مي‌توانند در بيش از يك حالت در يك زمان وجود داشته باشند. اين توانايي است كه كامپيوتر‌هاي كوانتومي از آن استفاده مي‌كنند و اين ويژگي خاص را كيوبيت‌ها براي كامپيوترهاي كوانتومي به ارمغان مي‌آورند. براي نشان دادن تفاوت، يك كُره را تصور كنيد. بيت (واحد پردازش كامپيوترهاي مرسوم) مي‌تواند در هر يك از دو قطب كُره باشد؛ اما يك كيوبيت (واحد پردازش كامپيوترهاي كوانتومي) مي‌تواند در هر نقطه از كُره وجود داشته باشد.

اگر متوجه نشده‌ايد، بياييد با ارائه مثالي ساده موضوع را بهتر درك كنيم. در دنياي كنوني، يك اسكيت بورد مي‌تواند در يك زمان فقط در يك مكان يا موقعيت، مانند سمت چپ سطح شيب‌دار (نشان‌دهنده عداد صفر باشد) يا سمت راست (نشان‌دهنده اعداد يك) قرار گرفته باشد؛ اما برهم‌نهي اين امكان را به اسكيت‌سوار مي‌دهد كه مانند يك اتم رفتار كند و در ميان اعداد صفر و يك قرار گيرد. اسكيت‌سوار عملاً مي‌تواند در هر دو مكان به‌طور هم‌زمان حضور داشته باشد.

به‌طور كلي، برهم‌نهي نشان مي‌دهد كامپيوتري كه از كيوبيت استفاده مي‌كند، مي‌تواند حجم عظيمي از اطلاعات را ذخيره كرده و از انرژي كمتري نسبت به كامپيوترهاي كلاسيك استفاده كند. با ورود به حوزه كوانتومي محاسبات كه ديگر به قوانين سُنتي و محدودكننده فيزيك پايبند نيستند؛ ازاين‌رو مي‌توانيم پردازنده‌هايي بسازيم كه بيشتر از يك ميليون‌بار سريع‌تر از پردازنده‌هاي امروزي هستند.

يكي ديگر از ويژگي‌هاي كامپيوتر‌هاي كوانتومي پديده درهم‌تنيدگي است كه شايد عجيب و ترسناك‌ترين ويژگي كوانتومي باشد. اين نوعي پيوستگي كوانتومي بين كيوبيت‌ها است. تصور كنيد كه يك يون به‌عنوان كيوبيت عمل مي‌كند و در تركيب فوق صفر و يك قرار دارد و آن را با يك يون دوم درگير مي‌كنيد. اين دو يون درهم‌تنيده رابطه خاصي را حفظ خواهند كرد. درواقع، جالب‌بودن ماجرا را جايي درك خواهيد كرد كه متوجه شويد، اعمال تغييرات در يكي از يون‌ها بر ديگري نيز تأثير مي‌گذارد و اين مي‌تواند در حالي اتفاق بيفتد كه هر دو يون با فاصله بسيار دوري (مانند فاصله ميان دو سياره) از هم جدا شده باشند!

فرض مشترك ما اين است كه اشياء داراي خواصي قابل ديد و خواص نهان هستند و معتقديم كه اعمال تغييرات در يكي، نمي‌تواند بر ديگري تأثير بگذارد؛ درهم‌تنيدگي كوانتومي كه آلبرت اينشتين آن را «اقدام وحشتناك از راه دور» مي‌نامد، اين فرض را رد مي‌كند و استدلال‌هاي بي‌عيب‌ونقص و شواهد غيرقابل انكاري را ارائه مي‌دهد؛ بنابراين، درهم‌تنيدگي كوانتومي پديده‌اي است كه در مقياس كوانتومي مشاهده مي‌شود كه در آن ذرات درهم‌تنيده به‌نوعي به هم متصل مي‌شوند؛ به‌طوري كه اعمال انجام‌شده روي يكي از ذرات، بدون توجه به فاصله بين دو ذره، بر ديگري تأثير مي‌گذارد.

هيچ‌كس واقعاً نمي‌داند كه درهم‌تنيدگي چرا و چگونه كار مي‌كند؛ بنابراين نمي‌خواهيم كه شما را با توضيحات جزوه رايگانيِ پيچيده بيشتر گمراه كنيم. فقط كافي است بدانيد كه در كامپيوتر‌هاي مرسوم، دوبرابر‌شدن تعداد بيت‌ها قدرت پردازش آن‌‌ها را دو برابر مي‌كند؛ اما به لطف درهم‌تنيدگي، ‌افزودن كيوبيت اضافي به كامپيوتر‌هاي كوانتومي باعث افزايش نمايي در قابليت خرد‌كردن تعداد آن مي‌شود. سپس كامپيوتر‌هاي كوانتومي كيوبيت‌ها را در نوعي زنجيره ديزي كوانتومي درگير كرده تا جادوي ديوانه‌وار خود را انجام بدهند.

عملاً در بخش‌هاي پيشين با نيمي از كاركرد كامپيوترهاي كوانتومي (برهم‌نهي و درهم‌تنيدگي) آشنا شديم؛ اما اگر بخواهيد يك كامپيوتر كوانتومي را تعريف يا توصيف كنيد، چه چيزي در ذهنتان خطور مي‌كند؟ شايد شما يك كامپيوتر معمولي را ببينيد كه فقط بزرگ‌تر است و جادوي فيزيكي اسرارآميزي در بطن آن‌ها جريان دارد؛ اما بگذاريد ساده بگويم، لپ‌تاپ، كامپيوتر روميزي يا اَبَركامپيوتر‌ها را فراموش كنيد. يك كامپيوتر كوانتومي از انديشه متخصصين ظاهر و از همه مهم‌تر نحوه پردازش اطلاعات اساساً بسيار متفاوت است.

درحال‌حاضر روش‌هاي مختلفي براي ساخت كامپيوتر كوانتومي و مهم‌ترين اجزاي آن‌ها، يعني كيوبيت‌ها وجود دارد و شركت‌ها به‌نوعي در حال آزمون‌وخطا براي دست‌ يافتن به فرمولي بهتر از رقبا هستند. براي مثال، گوگل و IBM از مدارهاي ابررسانا استفاده مي‌كنند كه تقريبا در صفر مطلق خنك مي‌شوند. از طرف ديگر، هاني‌ول طراحي تله‌يوني كيوبيت‌ها را از اتم‌هاي ايتربيم مجهز به بار الكتريكي توليد مي‌كند. كيوبيت‌هاي اينتل الكترون‌هاي منفردي هستند كه توسط ويژگي مكانيكي كوانتومي چرخش از ديگران متمايز مي‌شوند و Xanadu براي كيوبيت‌هايش از فوتون بهره مي‌گيرد و پردازنده‌هاي كوانتومي آن در دماي اتاق كار مي‌كنند؛ اما بياييد با توصيف يكي از طرح‌هاي برجسته (مدارهاي ابررسانا) براي توضيح نحوه عملكرد آن شروع كنيم.

يك رشته لامپ را تصور كنيد كه وارونه آويزان است كه درواقع پيچيده‌ترين چيزي محسوب مي‌شود كه تا به حال ديده‌ايد. به جاي يك پيچ باريك سيم، دسته‌هاي نقره‌اي آن‌ها را سازماندهي كرده و به زيبايي در اطراف يك هسته بافته شده است. آن‌ها در لايه‌هايي چيده شده‌اند كه با پايين رفتن باريك مي‌شوند و سپس صفحات طلايي ساختار را به بخش‌هايي تقسيم مي‌كنند.

قسمت بيروني اين كالبد را به‌دليل شباهت انكارناپذير «لوستر» مي‌نامند. اين يخچال فوق شارژ است كه از مخلوط هليوم مايع مخصوص براي خنك‌كردن تراشه كوانتومي كامپيوتر تا صفر مطلق (سردترين دماي انديشه متخصصيني ممكن) استفاده مي‌كند‌. در چنين دماهاي پاييني، مدارهاي ابررساناي كوچك در تراشه خواص كوانتومي خود را به‌دست مي‌آورند؛ خواصي كه براي انجام كارهاي محاسباتي كه عملاً در كامپيوتر‌هاي كلاسيك غيرممكن است، مورد استفاده قرار مي‌گيرد. دستگاه‌هاي كوانتومي اغلب بسيار متفاوت از نمونه‌هاي قديمي خود هستند؛ اما در يك استثنا، قطعه مركزي برخي از پيشرفته‌ترين كامپيوترهاي كوانتومي هنوز يك تراشه است؛ بااين‌تفاوت كه اين ماده از سيليكون ساخته نشده، بلكه از موادي ابررسانا ساخته شده است.

ابررساناها مواد عجيب و غير معمولي نيستند؛ زيرا آلومينيوم يكي از مهم‌ترين آن‌ها است و نيوبيوم (فلز كم‌ياب) يكي ديگر از مواردي است كه معمولاً مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بااين‌حال، ابررساناها موادي حياتي هستند كه درصورت خنك‌شدن تا دماي مشخص و بدون هيچ‌گونه مقاومتي، مي‌توانند الكتريسيته را هدايت كنند و مصرف انرژي را كاهش بدهند؛ اين امر در جهاني كه بيش از هميشه نياز به كاهش مصرف انرژي دارد، امري اجتناب‌ناپذير و بسيار حياتي محسوب مي‌شود.

شايد در ذهنتان سؤال ايجاد شود كه چرا ابررساناها كانديداي خوبي براي فناوري‌هاي كوانتومي هستند؟ جواب تاحدودي قابل پيش‌بيني است. از آنجا كه ابررسانايي به‌خودي خود يك پديده كوانتومي ماكروسكوپي است، حامل‌هاي بار الكتريكي در يك ابررسانا ابتدا جفت و سپس در يك حالت كوانتومي متراكم مي‌شوند كه گويي يك اتم بزرگ هستند. با استفاده از تماس‌هاي كوچك بين ابررساناها و اتصالات جوزفسون، محققان مي‌توانند انواع مدارهاي كوانتومي را به دلخواه مهندسي كرده و الگوريتم‌هاي كوانتومي را روي آن‌ها اجرا كنند.

بنابراين مي‌توان گفت كه ابررساناها خواص كوانتومي در مقياس اشياء روزمره را آشكار و آن‌ها را به كانديداهاي بسيار جذابي براي ساخت كامپيوتر‌هايي تبديل مي‌كنند؛ كامپيوترهايي كه مي‌توانند در انجام برخي وظايف، از بهترين اَبَركامپيوتر‌هاي كنوني بهتر عمل كنند. در نتيجه، تقاضاي روزافزوني از طرف شركت‌هاي پيشرو فناوري مانند اي‌بي‌ام، گوگل و مايكروسافت براي ساخت كامپيوتر كوانتومي در مقياس صنعتي با استفاده از ابررساناها وجود دارد.

‌همان‌طوركه پيش‌تر متوجه شديم، پردازنده‌هاي كامپيوتر‌هاي سُنتي به‌صورت دوتايي كار مي‌كنند و ميلياردها ترانزيستوري كه اطلاعات لپ‌تاپ يا موبايل‌هاي هوشمندتان را كنترل مي‌كنند، روشن (۱) يا خاموش (۰) هستند. با استفاده از مجموعه‌اي از مدارها، به نام «دروازه»، كامپيوتر‌ها عمليات منطقي را بر‌‌‌اساس وضعيت آن سوئيچ‌ها (ترانزيستورها) انجام مي‌دهند. كامپيوتر‌هاي كلاسيك به گونه‌اي طراحي شده‌اند كه از قوانين انعطاف‌ناپذيري پيروي كنند. اين موضوع آن‌ها را بسيار قابل اعتماد مي‌كند؛ اما همچنين آن‌ها را براي حل برخي از اشكالات مناسب نمي‌كند؛ اما همتايان كوانتومي آن‌ها، با جايگزين‌كردن كيوبيت‌ها به‌جاي بيت‌هاي مرسوم، مي‌توانند اين محدوديت‌ها را كنار گذاشته و انعطاف‌پذيري پيشتري را در محاسبات به ارمغان بياوند.

اگر از يك كامپيوتر معمولي بخواهيد راه خود را از پيچ و خم محدوديت‌ها و پردازش‌هاي سنگين خارج كند، به نوبه خود تك تك شاخه‌ها و مسيرهاي پيشرو را امتحان مي‌كند و همه آن‌ها را به صورت جداگانه رد مي‌كند تا شاخه مناسب را پيدا كند. اين در حالي است كه يك كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند همه مسيرهاي پيشرو را در يك زمان به‌صورت موازي طي كند؛ ويژگي‌اي كه درواقع مربوط به همان پيديده برهم‌نهي مي‌شود.

روش كلاسيك براي نشان دادن مكانيك كوانتومي، تاباندن نور از طريق يك مانع با دو شكاف است. مقداري از نور از شكاف بالا و برخي از پايين عبور مي‌كنند و امواج نور به يكديگر ضربه مي‌زنند تا يك الگوي تداخل ايجاد شود. حال نور بايد كاهش يابد تا فوتون‌هاي جداگانه را يك به يك شليك كند. از انديشه متخصصين منطقي، هر فوتون بايد از طريق يك شكاف واحد عبور كند و هيچ چيزي براي دخالت ندارند؛ اما به هر حال، هنوز با الگوي تداخل رو‌به‌رو مي‌شويد.

در اينجا آنچه با‌توجه‌‌به مكانيك كوانتومي اتفاق مي‌افتد، نمايان مي‌شود و تا زماني كه آن‌ها را روي صفحه تشخيص ندهيد، هر فوتون در وضعيت برهم‌نهي قرار مي‌گيرد و گويي همه مسيرهاي ممكن را يكجا طي مي‌كند. به اين معنا كه تا زماني كه حالت برهم‌نهي تحت انديشه متخصصين ازبين برود تا يك نقطه واحد روي نمايشگر نشان داده شود. سپس ويژگي‌هايي نظير درهم‌تنيدگي به دانشمندان اين امكان را مي‌دهد كه چندين كيوبيت را حتي با يكديگر در تماس نباشند، در يك حالت واحد قرار بدهند. درحالي‌كه كيوبيت‌هاي جداگانه در تركيب دو حالت وجود دارند، اين امر با افزايش تعداد كيوبيت‌هاي بيشتر به‌صورت نمايي افزايش مي‌يابد.

اگر مقاله را تا به ايجا دنبال كرده باشيد، قطعاً متوجه پتانسيل عظيم رايانش كوانتومي و نقش آن در آينده محاسبات شده‌ايد. بااين‌حال، اين تنها آغاز ماجرا است و عملي ساختن ايده‌هاي آن براي استفاده از كامپيوترهاي كوانتومي در محيط‌ها و شرايط مختلف هنوز يك چالش اساسي است. به‌عبارت ديگر، با وجود اثبات مفاهيم و دلايل هيجان‌انگيز رايانش كوانتومي، منصفانه است كه بگوييم جهان به‌زودي‌ قادر به پذيرش اين تكنولوژي نخواهد بود و به پتانسيل و قدرت عظيم رايانش كوانتومي نزديك نشده است.

قدرت يك كامپيوتر كوانتومي در اين واقعيت نهفته است كه سيستم را مي‌توان در تركيبي از تعداد بسيار زيادي حالت قرار داد. گاهي اوقات از اين واقعيت براي استدلال اينكه ساخت يا كنترل كامپيوتر كوانتومي غيرممكن است، استفاده مي‌شود. اصل مباحثه اين است كه تعداد پارامترهاي مورد نياز براي توصيف وضعيت آن بسيار زياد است. كنترل يك كامپيوتر كوانتومي و اطمينان از اينكه حالت آن تحت تأثير منابع مختلف خطا قرار نمي‌گيرد، يك چالش مهندسي خواهد بود. بااين‌حال، اشكال در حالت كوانتومي پيچيده آن‌ها نيست، بلكه اين است كه اطمينان حاصل شود كه مجموعه اصلي سيگنال‌هاي كنترل آنچه را كه بايد انجام بدهند، انجام خواهند داد و كيوبيت‌ها همان‌طوركه انتظار مي‌رود رفتار مي‌كنند.

چندين دهه است كه كامپيوترهاي مرسوم مبتني بر ترانزيستور و معماري‌هاي آشنا ساخته مي‌شوند و به‌عبارتي، ما به تبحر خاصي در ساخت و توسعه اين ماشين‌هاي پردازشي دست يافته‌ايم. در سوي ديگر،  ساخت ماشين‌هاي كوانتومي به معناي ابداع مجدد كل ايده كامپيوتر از ابتدا تا به كنون است. در اين مسير طبيعتاً اشكالات فراواني نظير ساخت كيوبيت‌هاي مقاوم‌تر، كنترل دقيق و داشتن آن‌ها به اندازه كافي براي انجام كارهاي واقعا مفيد وجود دارد. در مرحله بعد، يك اشكال بزرگ در مورد خطاهاي ذاتي در يك سيستم كوانتومي است كه از انديشه متخصصين متخصص «نويز» ناميده مي‌شود.

نويزهاي محيطي هرگونه محاسبه كامپيوترهاي كوانتومي را به‌طور جدي به خطر مي‌اندازند. البته بايد به اين نكته اشاره كرد كه راه‌هايي همچون تصحيح خطا براي مقابله با اين اشكالات وجود دارد؛ اما آن‌ها معمولاً پيچيدگي بيشتري را ايجاد مي‌كنند. همچنين مسئله اساسي نحوه دريافت داده‌ها از داخل و خارج از كامپيوتر كوانتومي وجود دارد كه خود يك اشكال محاسباتي پيچيده است. برخي از منتقدان معتقدند اين مسائل قابل حل نيست؛ درحالي‌كه برخي ديگر اشكالات مذكور را مي‌پذيرند و بر اين باور هستند كه مي‌توان آن‌ها را به مرور برطرف كرد.

تعامل كيوبيت‌ها با محيط خود به گونه‌اي كه باعث تجزيه و در نهايت از بين رفتن رفتار كوانتومي آن‌ها شود، «همدوسي كوانتومي» ناميده مي‌شود. حالت كوانتومي كيوبيت‌ها بسيار شكننده است و كوچك‌ترين ارتعاش يا تغيير دما و اختلالات معروف به نويز در كوانتوم مي‌تواند‌ منجر به ناكارآمد‌شدن آن‌ها شود. به همين دليل است كه محققان تمام تلاش خود را مي‌كنند تا كيوبيت‌ها را در يخچال‌هاي فوق سرد و محفظه‌هاي خلاء محافظت كنند.

با وجود پيشرفت‌هاي روزافزون براي دستيابي به محاسبات كوانتومي با خطاي كم، محققان هنوز موفق نشده‌اند خطاهاي دروازه‌هاي دوكيوبيتي، يكي از عناصر سازنده محاسبات كوانتومي را ازبين ببرند و اشكالات متعدد در اين زمينه همچنان ادامه دارد؛ ازاين‌رو، آن‌ها براي مقابله با اين نويزها به‌اصطلاح به فرايند تصحيح خطا روي مي‌آورند. تصحيح خطاي كوانتومي براي دستيابي به محاسبات كوانتوميِ مقاوم دربرابر خطا امري ضروري است و مي‌تواند نه‌تنها با نويز موجود در اطلاعات كوانتومي ذخيره‌شده، بلكه با دروازه‌هاي كوانتومي و آماده‌سازي و اندازه‌گيري‌هاي معيوب مقابله كند.

به‌عبارت‌ديگر، به‌‌دليل اينكه ايزوله‌كردن حقيقي سيستم‌هاي كوانتومي بسيار سخت و دشوار است، سيستم‌هاي تصحيح خطاي محاسبات كوانتومي ايجاد شده‌اند. كيوبيت‌ها بيت‌ ديجيتال داده نيستند؛ ازاين‌رو، نمي‌توان از روش‌هاي متداول تصحيح خطا، ازجمله روش افزونگي سه‌گانه استفاده كرد. معمولا دانشمندان براي تصحيح خطا در كامپيوترهاي كوانتومي، از الگوريتم‌هاي كوانتومي هوشمند و افزودن كيوبيت‌هاي بيشتر بهره مي‌گيرند.

در كامپيوتر‌هاي سُنتي، اين اشكالات در اغلب مواقع با افزودن بيت توازن حل مي‌شود. بيت توازن يا بيت همزادي بيتي منفرد است كه مي‌تواند به رشته‌اي باينري اضافه شود. درواقع، براي نشان دادن زوج يا فرد‌بودن تعداد بيت‌هايي كه ۱ هستند، به بيت‌ها اضافه مي‌شود و هدف از آن برابري ارائه روشي ساده براي مطالعه خطاهاي بعدي است. روش مذكور به‌دليل ماهيت متفاوت كيوبيت‌ها در كامپيوتر‌هاي كوانتومي كارساز نيست و تلاش براي اندازه‌گيري آن‌ها داده‌ها را از بين مي‌برد. تحقيقات قبلي حاكي از آن بودند كه يكي از راه‌حل‌هاي ممكن براي اين اشكال، مي‌تواند گروه‌بندي كيوبيت‌ها به خوشه‌هايي به نام كيوبيت‌هاي منطقي باشد.

با اين حال، به احتمال زياد هزاران كيوبيت استاندارد براي ايجاد يك واحد يكپارچه و بسيار قابل اعتماد نياز است كه به‌عنوان كيوبيت منطقي شناخته مي‌شود. اين امر بسياري از ظرفيت محاسباتي يك كامپيوتر كوانتومي را از بين مي‌برد. كيوبيت منطقي كيوبيتي فيزيكي يا انتزاعي است كه باتوجه‌‌به الگوريتم‌هاي كوانتوم يا مدار كوانتومي مشخص‌شده عمل مي‌كند و بسته به تبديل واحد از زمان انسجام كافي برخوردار است تا گيت‌هاي منطقي كوانتوم از آن‌ بتوانند استفاده كنند. گفتني است هر كيوبيت منطقي مي‌تواند به هزار كيوبيت فيزيكي نياز داشته باشد. براي مثال، محاسبات كوانتومي مهم ازجمله الگوريتم‌هاي Shor كه براي شكستن رمزگذاري كنوني استفاده مي‌شود، به هزاران كيوبيت منطقي نياز دارد.

درحقيقت، پرداختن به مكانيسم‌هاي خطا را مي‌توان به پوست‌كندن پياز تشبيح كرد كه پوست‌گرفتن يك لايه، لايه ديگر را نشان مي‌دهد. به‌كارگيري كيوبيت‌هاي منطقي بسياري از ظرفيت محاسباتي يك كامپيوتر كوانتومي را از بين مي‌برد و كيوبيت‌هايي كه اضافه مي‌شوند، خود مستعد خطا هستند و با افزوده‌شدن آن‌ها اشكالات نيز گسترش مي‌يابد. نكته ديگر اين است كه تاكنون، محققان نتوانسته‌اند بيش از ۱۲۸ كيوبيت استاندارد توليد كنند؛ بنابراين ما هنوز سال‌ها با كامپيوتر‌هاي كوانتومي با كاركرد مفيد فاصله داريم.

يكي از اميدواركننده‌ترين متخصصدهاي كامپيوترهاي كوانتومي شبيه‌سازي رفتار ماده تا سطح مولكولي است. توليدكنندگان خودرو مانند فولكس واگن و دايملر از كامپيوتر‌هاي كوانتومي براي شبيه‌سازي تركيب شيميايي باتري‌هاي خودروهاي برقي استفاده مي‌كنند تا راه‌هاي جديدي را براي بهبود عملكرد آن‌ها پيدا كنند. در اين ميان، شركت‌هاي دارويي از آن‌ها براي تجزيه‌وتحليل و مقايسه تركيباتي كه مي‌تواند منجر به ايجاد داروهاي جديد شود، بهره مي‌گيرند.

اين ماشين‌هاي غول‌آسا و بسيار پيشرفته همچنين براي اشكالات مربوط به بهينه‌سازي عالي هستند؛ زيرا مي‌توانند تعداد زيادي از راه حل‌هاي بالقوه را به سرعت خُرد كنند. براي مثال ايرباس از كامپيوتر‌هاي كوانتومي براي محاسبه به‌صرفه‌ترين مسيرهاي صعود و فرود هواپيما استفاده مي‌كند و فولكس واگن از سرويسي رونمايي كرده است كه مسيرهاي بهينه براي اتوبوس‌ها و تاكسي‌ها را در شهرها محاسبه مي‌كند تا ازدحام را به حداقل برساند. برخي از محققان همچنين تصور مي‌كنند كه مي‌توان از اين ماشين‌ها براي سرعت بخشيدن به هوش مصنوعي استفاده كرد.

به‌طور كلي، چندين سال طول مي‌كشد تا كامپيوترهاي كوانتومي به پتانسيل كامل خود برسند. هم‌اكنون، دانشگاه‌ها و مشاغل كه روي آن‌ها كار مي‌كنند با كمبود محققان ماهر در اين زمينه و كمبود تأمين‌كننده برخي از اجزاي اصلي مواجه هستند. اما اگر اين ماشين‌هاي محاسباتي عجيب‌وغريب به وعده‌هاي خود عمل كنند، مي‌توانند كل صنايع را متحول و نوآوري جهاني را شكوفا كنند. اين همان دليلي است كه بسياري از دولت‌ها و شركت‌هاي فناوري در تلاش براي دستيابي به برتري كوانتومي هستند.

برتري كوانتومي نقطه عطفي است كه در آن يك كامپيوتر كوانتومي مي‌تواند محاسبات رياضي را كه به‌طور قابل ملاحظه‌اي حتي از توانايي قوي‌ترين اَبَركامپيوتر‌ها نيز خارج است، تكميل كند. هنوز دقيقاً مشخص نيست كه چند كيوبيت براي دستيابي به اين هدف لازم است؛ زيرا محققان الگوريتم‌هاي جديدي را براي افزايش عملكرد كامپيوتر‌هاي كلاسيك پيدا مي‌كنند و سخت‌افزارهاي كنوني نيز همچنان بهتر مي‌شوند. محاسبات كوانتومي سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرايط آزمايشگاهي در حال توسعه بوده است؛ اما پيشرفت‌هاي جديد، اين فناوري انقلابي را به سمت متخصصدهاي عملي سوق مي‌دهد. دستاوردهايي از جمله سيستم خنك‌كننده قوي‌تر، تراشه‌هاي پيشرفته‌تر، افزايش ظرفيت پردازش، پيشرفت در فرايند تصحيح خطا و... يادآوري مي‌كنند كه شايد تا عمومي‌شدن اين نوع كامپيوتر در صنايع و تجارت‌هاي خاص، فاصله‌اي نداشته باشيم.

مباحثه‌هاي زيادي وجود دارد كه نشان مي‌دهد، دستيابي به اين نقطه عطف چقدر مهم خواهد بود. به جاي اينكه منتظر اعلام برتري باشيم، شركت‌ها درحال‌حاضر آزمايش كامپيوتر‌هاي كوانتومي ساخته‌شده توسط شركت‌هايي مانند آي‌بي‌ام، ريگتي و دي-ويو را آغاز كرده‌اند. شركت‌هاي چيني مانند علي بابا نيز به كامپيوتر‌هاي كوانتومي دسترسي دارند. برخي از مشاغل در حال خريد كامپيوتر‌هاي مذكور هستند؛ درحالي‌كه برخي ديگر از رايانش ابري مبتني بر كوانتوم بهتره مي‌گيرند.

در اين مقاله سعي داشتيم كه مباحث و مباني رايانش كوانتومي را به‌صورت قابل فهمي ارائه بدهيم و اگر در بعضي از بخش‌ها كمي گمراه شديد، نگران نباشيد؛ چراگه قطعا تنها نيستيد. ازآنجاكه كل حوزه محاسبات كوانتومي هنوز تا حد زيادي انتزاعي و انديشه متخصصيني است، تنها چيزي كه ما واقعاً بايد بدانيم اين است كه محاسبات كوانتومي درصورت تحقق وعده‌ها و گذار از چالش‌هاي متعدد، يك رنسانس جديد را در آينده صنايع ايجاد خواهد كرد و تأثير زيادي در نحوه انجام تجارت، اختراع داروها و مواد جديد، حفاظت از داده‌ها، كاوش در فضا، پيش بيني حوادث آب‌وهوايي و بسياري از زمينه‌هاي ديگر خواهد داشت.