دانش کوانتوم وارد دنیای رایانه ها می شود

هفته های گذشته جمعی از دانشمندان دانشگاه پرادو بااعلام خبری موجب ایجاد موجی هیجان انگیز در عرصه پیشرفت های فنی رایانه های کوانتومی شدند.

کد خبر: ۵۰۴۴۹

این دانشمندان موفق شدند با ساخت ترکیبی جدید گامی بلند برای گسترش مفهوم رایانه های کوانتومی بردارند؛ کشفی که در یک مرحله مقدماتی می تواند کاربردهای فراوانی در خصوص رمزنگاری و روشهای جستجوی فوق سریع بانکهای اطلاعاتی داشته باشد.
این تیم تحقیقاتی توانستند روشی موثر را ارائه کنند که با کمک آن رشته ای از اشیای کوانتومی نظیر الکترون ها به دو رشته کوچکتر شکافته شود و در این شکافت برای چرخش یا اسپین ذراتی که دارای مثلا چرخش فوقانی بودند، ثابت باقی بمانند و بخشهایی که اسپین مخالف پیدا می کنند جهتشان اصلاح شده و در راستای اولیه قرار بگیرد.
این روش در واقع نمونه ای از یک قطبی کننده یا پلارایزر کوانتومی است و با کمک آن این اجزای بسیار کوچک توانایی ایفای نقش به عنوان اجزای اصلی رایانه های کوانتومی را پیدا می کنند.
این عملکرد نوعی سوییچینگ اما در مقیاس کوانتومی را امکانپذیر می سازد.یکی از دانشمندان شرکت کننده در این طرح تحقیقاتی در این خصوص می گوید: برای نخستین بار ما این امکان را به دست آورده ایم تا در شکافهای اتمهای آرسنید گالیوم به جداسازی اسپینی بپردازیم و توانسته ایم الکترون هایی که در مسیر این نیمه رسانا حرکت می کرده اند را با کمک این حفره ها جدا کنیم.
این شکافها خاصیت اسپینی دارند و در این باره رفتاری مانند ذرات از خود نشان می دهند. مساله جداسازی و دسته بندی کردن این شکافها بر اساس جهت چرخش (اسپین) آنها تلاشی ماجراجویانه و چالشی بزرگ به حساب می آمد.
اینک با طراحی روشی که می تواند به طور موثر این جداسازی حفره ها را بر مبنای اسپین آنها انجام دهد امکان ساخت ابزارهای الکترونیکی برای کاربردی کردن این نوع جداسازی ها را به وجود آورده است ؛ روشی که با کمک آن می توان گامهای بسیار مهمی را درتحقق رویای رایانه های کوانتومی برداشت.
رایانه های کوانتومی - که هنوز مراحل اولیه طراحی و مرحله تحقیقاتی خود را سپری می کنند - یکی از ایده آل های صنایع رایانه ای است. با کمک این رایانه ها تحلیل و بررسی بسیاری از مسائلی که تا کنون به عنوان مشکلات زمان بر و پر هزینه برای ابر رایانه ها مطرح بوده است ، امکانپذیر می شود.
یکی از کاربردهایی که نسل آینده رایانه های کوانتومی را از نسل فعلی متمایز خواهد کرد، توانایی فوق العاده آنها در حل مسائل مربوط به رمزنگاری و جستجو در بانکهای اطلاعاتی بسیار وسیع است.
در این گونه از مسائل با مواردی روبه رو هستیم که در مرحله نخست ممکن است تعداد بیشماری پاسخ ابتدایی در باره آنها وجود داشته باشد و برای حل آنها باید میلیون ها عمل ریاضی و محاسبه سریع به وسیله ابزارهای رایانه ای انجام شود تا سرانجام گزینه نهایی و مطلوب به دست آید و این کار باید در حداقل زمان ممکن اتفاق بیفتد.
در تحلیل باید پاسخهایی که به نظر نادرست می آیند بسرعت از چرخه تحلیل خارج شوند تا محدوده تحلیل نهایی به حداقل کاهش یابد و این نیازمند استفاده از الگوریتم های پیچیده و طولانی است که اجرای آن برای سریع ترین رایانه های فعال نیز بسیار زمانگیر خواهد بود؛ چراکه در این رایانه ها باید تک تک پاسخهای احتمالی مساله پیش از آن که به طور کامل از چرخه پاسخهای ممکن حذف شود، مورد بررسی قرار بگیرد.
اتفاقی که در رایانه های (فعلا علمی - تخیلی) کوانتومی رخ خواهد داد یک روند خطی نخواهد بود، بلکه مشابه رخدادی که در یک پردازش موازی صورت می گیرد دهها گزینه می تواند همزمان مورد بررسی قرار گیرد و حتی مهمتر از آن روشهای ل ه طور همزمان مورد آزمون قرار گیرد.
باید توجه داشت این مساله به طراحی یک سیستم سریع مربوط نیست. نباید تصور کرد اگر این روش به وسیله یک ابر رایانه فعلی 10ساعت طول می کشد به وسیله رایانه کوانتومی 20دقیقه زمان می برد. مساله مهمتر از این ، کاهش زمانی یا افزایش سرعت است.
در واقع مساله به ماهیت کوانتومی اجزا تشکیل هنده بر می گردد و به واسطه خواص ذرات کوانتومی و استفاده از خواص آنها است که چنین پردازش هایی امکانپذیر می شود.
برای درک بهترموضوع فرض کنید یک زوج الکترون را در اختیار داریم که یکی از آنها دارای اسپین مثلا بالا باشد و دومی با اسپین مخالف گردش می کند.
حال اگر با کمک روشی بتوانیم بر اسپین یکی ازاین الکترون ها اثر بگذاریم و جهت چرخش آن را عوض کنیم جهت چرخش زوج آن نیز عوض می شود؛ اما نکته مهم و جذاب در این میان استقلال این اثر از فاصله است یعنی اثر متقابلی که این زوج الکترونی بر یکدیگر دارند عملا رویدادی همزمان و مستقل از فاصله و زمان است.
این تاثیر متقابل که عملا پارامتر زمان را از میان بر می دارد اگر کنترل شده باشد می تواند نقش سوییچی عادی را برای شما بازی کند.
فرض کنید جهت اسپین بالا را معادل صفر و جهت اسپین پایین را معادل یک در نظر بگیرید (یا بعکس 9 در این صورت هر زوج ذره برای شما می تواند نشاندهنده یک بیت کوانتومی باشد و همان نقش را بازی کند، بنابراین با مجموعه ای از زوجهای ذرات دارای خاصیت اسپین مخالف می توانید تمام محاسباتی را که با جریان های الکتریکی در یک پردازشگر رایانه ای انجام می دادید با کمک ذرات کوانتومی به انجام برسانید.
با این روش و با فرض این که روشی موثر برای به دام انداختن یکی از اعضای این زوج ذرات با اسپین مشخص را داشته باشیم و بتوانیم جهت آن را تغییر دهیم می توانم حجم بالایی از داده ها را در فواصل دوردست منتقل کنیم یا از آن مهمتر این که از آن درپردازش داده ها به طور همزمان استفاده کنیم.
بنابراین انجام محاسبات عددی عادی که به وسیله پردازشگرهای عادی رخ می دهد به وسیله رایانه های کوانتومی نیز با سرعتی فوق العاده بالاتر (در حد سرعت نور) مهیا می شود.
اما مشکل اصلی آنجاست که بتوانید وضعیت اسپین هریک از زوجها را پس از آن که محاسبات را انجام دادند به دست بیاوریم. با وجود آن که ما وضعیت این زوج ذرات را ابتدای محاسبات داریم ، اما زمانی که دهها و صدها عمل ریاضیاتی ( با کمک سوییچینگ های متوالی) روی آنها اثر می کند جهت چرخش بر اثر این محاسبات به طور کامل و غیر پیش بینی تغییر می کند.
حال باید برای تشخیص این بایتهای و تبدیل آنها با اعداد یا نمادهای آشنا جهت اسپین های نهایی را بدانیم. این همان نقطه ای از فناوری رایانه های کوانتومی است که با چالش جدی مواجه است. روشی که این گروه تحقیقاتی در هفته های اخیر به آن دست یافته اند دو گام بزرگ در این خصوص را برداشته است و امکان تشخیص اسپین و تزریق آن را مطرح می کند، اما هنوز مساله درست کردن ابتدایی یک اسپین اولیه مطرح است ، ولی با وجود این مشکل هم اکنون با یاری این پروژه که بخشی از آن با حمایت نهادهای دفاعی امریکا به انجام رسیده است امکان طراحی ترانزیستورهای کوانتومی وجود دارد و می توان آنها را ساخت.
این به معنی نزدیک شدن به حل مشکلات اصلی پیش روی دانشمندان در طراحی رایانه های کوانتومی است.