کوانتوم، رایانه‌ای متعلق به فردا

مشخصات رایانه کوانتومی

نوع جدیدی از ماشین‌های محاسبه‌گر که توانایی ارایه فناوری‌های سطح بالای مشکل و پیچیده هوش مصنوعی مانند یادگیری ماشین2 و تشخیص خصوصیات طرح و نقشه را دارند. اگر نگاهی دقیق‌تر داشته باشیم، درمی‌یابیم که همه اینها نیازمند راه‌حلی است که ریاضی‌دانان آن را «مسایل دشوار بهینه‌سازی» می‌نامند. حل سخت‌ترین مسائل علمی مستلزم داشتن مزارعی چنان عظیم و گسترده از سرورهاست که هرگز قادر به ساخت آنها نخواهیم بود. تنها یک نوع جدیدی از این ماشین‌ها که رایانه کوانتومی نام دارد قادر است دراین زمینه به کمک ما بیاید.

این رایانه‌ها با بهره‌بردن از قوانین فیزیک کوانتومی توانایی و کارآمدی‌های محاسباتی لازم را فراهم می‌آورند. در حالی‌که مکانیک کوانتومی، که برای صدها سال شالوده و پایه و اساس نظریات تئوری فیزیکی بوده است، تصویری که از واقعیت آن ترسیم نموده هنوز در طی قرون به‌صورت معمایی باقی مانده است. این امر عمدتا به این دلیل است که مقیاس تاثیرات آزمایش‌ها و تجربیات روزمره کوانتومی ما، ناپیدا و نامحسوس و در حدی نزدیک به رقم صفر هستند و نمی‌توانند به‌صورت مستقیم مورد مشاهده قرارگیرند. در این بین رایانه‌های کوانتومی هستند که ما را با توانایی‌ها و قابلیت‌های خود شگفت‌زده می‌سازند.

1- فناوری پردازنده‌های کوانتومی C4 Chimera Chip

 اولین رایانه کوانتومی، دربردارنده پردازنده‌ای 16کیوبیتی بود که توانایی 64000محاسبه هم‌زمان در مقیاس کوانتوم را داشت. این رایانه 16کیوبیتی عملا قادر به محاسبات ساده رایانه‌ای است که کمی قدرتمندتر از رایانه‌های خانگی معمولی هستند.

هر کیوبیت واحد سنجش رایانه کوانتومی و هم‌ارز و معادل واحد بیت رایانه است (کیوبیت بیشتر = پردازش و داده بیشتر). کیوبیت‌ها واحدهای بیت کوانتومی هستند که به اقتضای شکل و فیزیک پرزدار سطح اتم می‌توانند وضعیت خاموش، روشن و یا هر دو وضعیت را با هم داشته باشند، و بهترین کاری که تاکنون در این مورد صورت گرفته است، گرفتن و در کنار هم قراردادن هر سه کوانتوم جهت انجام محاسبات رایانه‌ای است.

برای کدگذاری‌ها و پنهان‌سازی داده‌ای رایانه‌های کوانتومی با قابلیتی در سطح هزاران کیوبیت لازم است که چنین کارهایی را که رایانه‌های موجود کنونی قادر به انجام آنها نیستند را اجرا کند. در نمونه‌های پیشین محققان اتم‌ها را با لیزر بمباران می‌کردند و از تمهیدات دیگری نیز بهره می‌بردند تا ذرات را به جنبش و هیجان درآورده و به وضعیت کوانتوم فازی3 برسانند. در این زمان، موسسه دی‌ویو موفق شده است تا آن را با استفاده از اصل مهارتی به‌نام محاسبات فیزیک عایق حرارتی کوانتومی ساخت تراشه4 با ساخت پردازشگر C4 Chimera Chip عملی سازد.

از نظر سخت‌افزاری، این پردازنده‌های پیشرفته به‌وسیله جفت‌کردن مغناتیسی حلقه‌های تابیده ابررسانه که کیوبیت‌های  rf-squid fluxنامیده می‌شوند، به الگوریتم یا محاسبه عددی فیزیک عایق حرارتی کوانتوم واقعیت بخشیده است. این طراحی موجب محقق شدن چیزی است که مدل آیزینگ5 نام دارد و خود معرف ساده‌ترین مدل برای یک سیستم چند بدنه دارای اثر متقابل6 است و می‌تواند با روش‌های اثبات شده ساخت تراشه به مرحله تولید صنعتی برسد.

2-  فناوری RITD

محققان دانشگاه ایالتی اوهایو در امریکا به روشی دست یافته‌اند که به سبب آن قادر به ساختن دستگاه کوانتومی به‌نام دیود تونلی نوار مدفون تشدید شده7 یا RITD شده‌اند. که از یک اصل مهارتی تولید تراشه به‌نام تبخیر بی‌وضعیت یا فاقد موقعیت8 بهره برده‌اند که امروزه عموما جهت تولید تراشه‌های سنتی به‌کار می‌رود.

معایب سیستم محاسباتی رایانه‌ای کوانتومی

* تولید گرما و مساله خنک‌کردن

دانشمندان در گذشته در مورد ساخت مدل 1000 کیوبیتی آن شک و تردید داشتند. زیرا بر این عقیده بودند که روش و فناوری فیزیک عایق گرما9 که توسط  شرکت دی‌ویو در سرمایش مدارهای الکترونیکی در وضعیت ابررسانا، به‌کار برده می‌شود  موجب می‌شود تا کیوبیت‌ها به آهستگی در میدان مغناتیسی، حالت‌ها و اشکال متنوع و گوناگونی را به خود بگیرند، که ممکن است باعث شود قادر نباشند تا در آن مقیاس وسیع سرعت خود را حفظ کنند.

* مساله امنیت

دانشمندان همچنین عقیده داشتند که محاسبات رایانه‌ای کوانتومی، با ایجاد شکاف و رخنه در ترتیب و برنامه رمزنویسی و پنهان‌نگاری با فراهم آوردن مقدار نامحدودی از منابع پردازش‌کننده به‌صورت هم‌زمان، امنیت جاری رایانه‌ای را منسوخ و غیرمتداول خواهد کرد.

موارد کاربرد و نتیجه گیری

روش تولید تراشه RTID  

اگرچه خود دستگاه هنوز نیاز بیشتری به تکامل یافتن دارد، اما RTID می‌تواند برای تولید تراشه‌های رایانه مافوق یا فرا کم‌مصرف10 به‌کار برده شود که قادرند با مقادیر کمی از ولتاژ برق عمل کرده و گرمای اضافی کمتری تولید کنند. این فناوری دست‌یابی به روش ساخت دستگاه‌های تصویربرداری مافوق تفکیک‌پذیری بالا11 را امکان‌پذیر ساخته که می‌تواند در محدوده‌ای ماورای طول‌موج‌های قابل دید برای چشم انسان عمل کند که امکان انجام بسیاری از کارها، از تصویربرداری پیشرفته پزشکی گرفته تا ایجاد قدرت دید فوق‌العاده جهت داشتن دید خوب در شرایط بد طوفان‌های همراه باران،کولاک برف، مه، شن و گردوخاک شدید را فراهم می‌کند.

* گوگل و رایانه‌های کوانتومی

گوگل و موسسه دی‌ویو طی 3سال گذشته با هم به همکاری پرداخته‌اند تا با توسعه دادن به رایانه‌های کوانتومی و با قدرتمند کردن موتورهای جستجوی اینترنتی، تصاویر ثابت در پایگاه داده متشکل از تصاویر، ویدویوها و فایل‌های pdf گوگل، توسط این رایانه‌های کوانتومی، تحولی را در این زمینه در موتورهای جستجوی تصاویر بوجود آورند.

* رویای هکرها و مسوولان امنیت

بیت‌های داده درون رایانه‌های موجود، در حالی‌که حرکت‌های قدم مانندی را به‌صورت (اگر: صفر – آنگاه: یک) اجرا می‌کنند، دائما با حرکتی ضربه‌ای بین صفر و یک در رفت‌وآمد هستند، اما فیزیک کوانتومی به ذراتی مانند اتم‌ها، الکترون‌ها و پروتون‌ها اجازه می‌دهد تا بتوانند در آن واحد، در دو مکان حضور داشته باشند. این به آن معناست که آنها به‌صورتی هم‌زمان نماینده صفر و یک بوده و هر دو را با هم به نمایش می‌گذارند. این امر به آنها اجازه می‌دهد تا قادر به انجام محاسبات پیچیده‌تری باشند. محققان معتقدند که با درهم آمیختن این بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها، قادرند تا دستوراتی را که در حال حاضر دور از دسترس هستند، اجرا کنند.

* هواشناسی

 مسلم است که رایانه کوانتومی بی‌درنگ برای فعالیت در امر تجزیه و تحلیل نقشه‌های جریانات آب و هوایی و تغییر فصل نیز به خدمت گرفته خواهد شد. بنابراین ما قادر خواهیم بود وضعیت هوا را دقیقا و بدون هیچ اشتباهی در چنین ساعت و روزی در سال آینده پیش‌بینی کنیم.

پی‌نوشت

1. Qubit

2. Machine Learning

3. Fuzzy quantum state

4. Adiabatic quantum computing

5. Ising

6. Interacting many-body system

7. Resonant Interband Tunneling Diode

8. Vapor desposition

9. Superconducting  

10. Ultra low power computer chips

11. Ultra high resolution imaging devices

منابع

http://googleresearch.blogspot.com

http://www.scientificamerican.com

http://news.techworld.com

http://www.engadget.com

جواد ودودزاده