امروز به بررسی یکی از پیشرفته‌ترین و هیجان‌انگیزترین فناوری‌های حال حاضر، یعنی کامپیوتر کوانتومی یا رایانش کوانتومی (به انگلیسی: Quantum computer) می‌پردازیم. این کامپیوترها که قابلیت پردازش اطلاعات به طرز بی‌نظیری دارند، می‌توانند محاسباتی را که برای قوی‌ترین ابر کامپیوترهای کلاسیک میلیون‌ها سال زمان می‌برد، در چند دقیقه انجام دهند.
در این مقاله از بای وایز که به طور اختصاصی و با استفاده از نظریات و تجربیات یکی از پژوهشگران و متخصصین علم فیزیک و نجوم تهیه شده است، به توضیح اصول کار کامپیوترهای کوانتومی، ویژگی‌های متمایز آنها نسبت به کامپیوترهای کلاسیک، و همچنین کاربردهای بالقوه و چالش‌های مربوط به این تکنولوژی پرداخته ایم.
کامپیوتر کوانتومی چیست: انقلابی در محاسبات
گوگل یه تراشه کوانتومی ساخته که می‌تونه محاسبه‌ای که برای سریع‌ترین ابر کامپیوتر دنیا ۱۰ میلیون میلیارد میلیارد سال طول می‌کشه رو فقط طی ۵ دقیقه انجام بده ! آقا این کامپیوترای کوانتومی چطوری اینقدر قدرتمندند؟
بعضیا میگن قدرت کامپیوتر کوانتومی به خاطر توانایی استفاده از جهان‌های موازی هستش راست میگم ولی صبر کنید بابا جان ! اصلاً کامپیوتر کوانتومی چی هستش ؟ فرقش با کامپیوتر عادی چیه و اصلاً به چه دردی می‌خوره که این همه دارن واسش هزینه می‌کنن و این وسط ربطش به جهان موازی چیه ؟!
محیطی سرد برای محاسباتی داغ
داخل یک محفظه خنک کننده که دماش فقط کمی از صفر مطلق بالاتر هستش و از باقی دنیا جدا نگه داشته میشه یه کامپیوتر کوانتومی قرار داره کامپیوتر کوانتومی قراره با قدرت محاسبات شگفت انگیزشون جهان ما رو متحول کنن مثلاً محاسبه‌ای که انجامش برای یه کامپیوتر معمولی ۱۰۰۰۰ سال طول می‌کشه رو یه کامپیوتر کوانتومی می‌تونه فقط طی یک ثانیه انجام بده ولی کامپیوترهای کوانتومی قرار نیست از نسل بعدی کامپیوترها باشن بلکه از اساس یه چیز کاملاً متفاوتی هستن
درک دنیای کوانتوم
برای اینکه بفهمیم کامپیوتر کوانتومی چیه و چطوری کار می‌کنه لازمه که اول یه خرده در درباره دنیای کوانتوم براتون بگم ! دنیای کوانتومی با دنیای روزمره ما خیلی فرق داره فیزیک کوانتوم زبان فهم دنیای ذرات ریز و اتمی هستش و تو این دنیا چیزای عجیب و مرموزی رخ میده که با درک ما نمیخونه، مثلاً تو دنیای کوانتومی همه چیز گسسته هستش و مثل دنیای معمولی هر مقداری نمی‌تونه به خودش بگیره یا اینکه تو جهان کوانتومی همه چیز با احتمال مشخص میشه و هر ذره‌ای با احتمالات مختلف می‌تونه همزمان تو مکانی متفاوتی وجود داشته باشه.
تولد ایده کامپیوتر کوانتومی
تو دهه ۱۹۸۰ ریچارد فاینمن فیزیک دان مشهوری که برنده جایزه نوبل هم هستش با یه مسئله مواجه شد. فاینمن یکی از فیزیکدانای نابغه‌ای بود که تو توسعه نظر کوانتوم کارای مهمی کرده یه روز جناب فاینمن از خواب بلند شد و خواست برای حل یکی از مسائلش یه شبیه‌سازی کامپیوتری با همون کامپیوتر زغالی قدیمی انجام بده ولی متوجه شد که کامپیوتر معمولی از اساس نمی‌تونن اصلاً چنین شبیه‌سازی رو انجام بدن برای همین با خودش فکر کرد که شاید بشه اصلاً یه کامپیوتری ساخت که خودش رفتار کوانتومی داشته باشه و بتونه اینطوری مسئله رو حل کنه و اینجا بود که ایده کامپیوتر کوانتومی متولد شد در حقیقت فاینمن پایه‌گذار ارتباط بین فیزیک کوانتوم و علوم کامپیوتر شد.
مقایسه کامپیوتر کلاسیک و کوانتومی
کامپیوتر معمولی از تعداد زیادی ترانزیستور ساخته شدن ترانزیستورها قطعات الکترونیکی هستند که شبیه کلید عمل می‌کنن و دو حالت خاموش و روشن دارن به خاطر همین اطلاعات تو کامپیوتر معمولی با دو حالت صفر و یک پردازش میشه که بهش میگن بیت در حال حاضر کمترین ضخامت ترانزیستور به ۲ نانومتر رسیده که ۵۰ برابر کوچک‌تر از اندازه ویروس آنفلوانزا و هزار برابر نازک‌تر از تار موی انسان هستش!
برای اینکه کامپیوتر قوی‌تری بتونیم بسازیم یک راه اینه که اندازه ترانزیستور رو کوچیک‌تر کنیم یا تعداد ترانزیستوری بیشتری رو اضافه کنیم ولی مشکلی که با کوچیک شدن اندازه ترانزیستورها پیش میاد اینه که هرچی ریزتر بشن اثرات کوانتومی هم این وسط قوی‌تر میشن مثلاً چون ضخامت ترانزیستورها کم میشه الکترونی که باید بهشون اجازه عبوری توقف رو بده ممکنه تونل زنی کوانتومی کنن و خودشون بدون اجازه رد بشن
منظورم از تونل زنی کوانتومی اینه که تو دنیای معمولی ما نمی‌تونیم از دیوار رد بشیم ولی تو دنیای کوانتومی ذرات بنیادی مثل الکترون‌ها می‌تونن از یه دیواره عبور کنن که به این اتفاق میگیم تونل زنی کوانتومی
بهتون گفتم که تو کامپیوترهای عادی اطلاعات به صورت بیت پردازش میشه ولی تو کامپیوتر کوانتومی با یه چیزی به نام کیو بیت سرکار داریم کیو بیت‌ها علاوه بر اینکه می‌تونن مثل بیت‌ها مقادیر صفر و یک بگیرن این امکان رو دارن که مقادیر دیگه بین صفر و ۱ هم بگیرن و در واقع یه ترکیبی از حالت های صفر و ۱ رو می‌تونن به خودشون بگیرن
به چنین وضعیتی میگیم برهم نهی یا پوزیشن کوانتومی خاصیت عجیبی که کیو بیت ها دارن که البته در کل دنیای کوانتم این وضعیت برقراره ! امیدوارم تا اینجا مغزتون نسوخته باشه تا ادامشو براتون بگم ولی اگرم درک این چیزا براتون سخته نگران نباشید شما تنها نیستید برای بنیان‌گذاران مکانیک کوانتوم هم درکش سخت بود.
آزمایش گربه شرودینگر
به قول یکی از فیزیک دانا اگه فکرمی‌کنید که مکانیک کوانتومی فهمیدید در واقع اصلاً نفهمیدیدش! یکی از فیزیک دانای پایه‌گذار مکانیک کوانتم به نام اروین شرودینگر برای اینکه این وضعیت رو مورد انتقاد قرار بده طی بحث هایی که با آلبرت اینشتین داشت تو سال ۱۹۳۵ یه آزمایش ذهنی طراحی کرد که به آزمایش گربه شرودینگر مشهور شد.
این آزمایش به طور ساده میگه که یک گربه رو فرض کنید که تو ی جعبه گذاشتیمش که توی اون جعبه یه ماده رادیو اکتیو هست که داره به طور تصادفی تابش کوانتومی می‌کنه تو جعبه و یه شیشه سم هست که اگه از ماده رادیو اکتیو بهش تابش بشه سم رو آزاد می‌کنه و گربه می‌میره چون ماده رادیو اکتیو رفتار کوانتمی داره در هر لحظه هم ممکنه تابش کنه و هم تابش نکنه یعنی در هر لحظه تو یه حالت برهم نهی از هر دو حالت قرار داره !
اگه سم آزاد بشه می‌فهمیم که تابش کرده و اگه آزاد نشن متوجه میشه که تابش نکرده یعنی وضعیت زنده موندن یا مردن گربه هم به آزاد شدن و تابش کوانتوم اون ماده ربط داره پس گربه داخل جبه هم با احتمال ۵۰ زنده است و به احتمال ۵۰ مرده یعنی همزمان در یه وضعیت زنده مرده قرار داره تا وقتی در جعبه رو باز نکنیم و نبینیم نمی‌تونیم بفهمیم که گربه زنده است یا مرده !
اگه فکر می‌کنید این آزمایش صرفاً یه آزمایش حیوان آزاری هستش و نباید جدی بگیریمش باید بگم که اکثر چیزایی که تو دنیای فناوری امروزی می‌بینیم از جمله همین کامپیوتر کوانتومی که داریم ازشون صحبت می‌کنیم بر اساس همین مفاهیم گربه شرودینگر ساخته میشن
حالا برای اینکه علت قوی‌تر بودن کامپیوتر کوانتومی رو بفهمیم بذارین یه مثال ساده بزنم، آقا اگه یه کامپیوتر عادی با چهار تا بیت داشته باشیم هر کدوم از بیت‌ها دو تا حالت صفر و یک دارن و در مجموع ۱۶ تا حالت دارن که در هر لحظه فقط می‌تونن یکی از این ۱۶ تا حالت رو انتخاب کنن
اما تو کامپیوتر کوانتومی چطوریه ؟ اگه چار تا کیوبیت همون بیتای کوانتومی منظورمه داشته باشیم در هر لحظه همزمان می‌تونه همه اون ۱۶ تا حالتو به خودش بگیره اگه کیوبیت ها بیشترم بشن تعداد حالت هایی که همزمان می‌تونه داشته باشه به صورت تصاعدی زیاد میشه.
مثلاً اگه ۲۲۰ تا کیوبیت داشته باشیم بیش از ۱ میلیون مقدار و به صورت موازی می‌تونه ذخیره کنه یه ویژگی عجیب و غریب دیگه‌ای که کیوبیت ها می‌تونن داشته باشن درهم تنیدگی کوانتومی هستش
در هم تنیدگی کوانتومی یعنی چی ؟
جونم واستون بگه که اگه فرض کنید شما یه ساندویچ همبرگر و یه پیتزا بخرید و هر دو رو تو یه جعبه در بسته بذارین وقتی دست کنین تو جعبه و مثلاً یه همبرگر رو بردارین متوجه میشین که اون یکی پیتزا هستش یعنی از روی اطلاعات یکی از این غذاها می‌تونید بلافاصله اون یکی رو بفهمین چی هستش . حالا تو دنیای کوانتوم مثلاً دو تا الکترون رو با یه روش‌هایی در حالت در هم تنیده قرار میدن وقتی حالت یکی از این دو الکترون تغییر کنه بلافاصله اونکی متوجه میشه و واکنش نشون میده و ذرات بنیادی یه ویژگی جالب کوانتومی دارن به نام اسپین که تقریباً یه جورایی میشه شبیه به چرخش به دور خودشون تعبیر کرد
مثلاً الکترون دو تا دو تا حالت اسپین بالا و اسپین پایین می‌تونه داشته باشه حالا وقتی دو تا الکترون در هم تنیده بشن وقتی جهت یکی از اون‌ها رو تغییر بدی بلافاصله اسفین اون یکی هم تغییر می‌کنه اگه این دو تا الکترون هر کدوم توی دو تا کهکشان دور از هم باشن هم حالتش بلافاصله تغییر می‌کنه توی کامپیوتر کوانتومی هم کیو بیت‌ها رو با همدیگه در هم تنیده کوانتومی می‌کنن که باعث میشه هر کدوم از کیو بیت‌ها به تغییر حالت کیوبیت دیگه مستقل از فاصله بلافاصله واکنش نشون بده این این خاصیت اجازه میده که با اندازه‌گیری یک کیوبیت بدون نیاز به مشاهده کیو بیت‌های دیگه وضعیت اون‌ها روبفهمیم!
تو کامپیوتر کوانتومی یه سری واحدهای منطقی وجود داره که یه ورودی از برهم نهی کیوبیت ها رو دریافت می‌کنه و اون رو تغییر میده و یه حالت برهم نهی جدید رو نتیجه میده یه کامپیوتر کوانتومی یه تعداد کیوبیت رو با استفاده از مجموعه واحدهای منطقی دستکاری می‌کنه و نتیجه نهایی رو اندازه‌گیری می‌کنه و به صورت رشته‌ی از صفر یکا مشخص می‌کنه و خوبیش اینه که همه محاسبات رو همزمان و موازی انجام میده
این کامپیوتر با استفاده از اصل برهم نهی و در هم تنیدگی کوانتومی خیلی خیلی سریع‌تر از کامپیوتر معمولی می‌تونن یه محاسبه روانجام بدن و یکی از کاربردای کامپیوتر کوانتومی جستجو تو پایگاه‌های داده هستش. چون به طور موازی و همزمان می‌تونه تعداد زیادی عملیات رو انجام بده خیلی خیلی سریع‌تر از کامپیوتر معمولی می‌تونه نتیجه جستجو رو مشخص کنه
کاربردهای انقلابی کامپیوترهای کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی می‌تونن تو شبیه‌سازی کوانتومی خیلی مؤثر باشن مثلاً با شبیه ساز کوانتومی رفتار ویروس‌ها یا مولکول‌های دی انی و اثر داروها بر روی اون‌ها می‌تونن انقلابی در پزشکی به راه بندازن. کامپیوتر کوانتومی به نوعی سیستم عامل جهان هستند یعنی چون جهان در بنیادی‌ترین حالت خودش رفتار کوانتومی داره و این کامپیوتر در بنیادی‌ترین لایه جهان کار می‌کنن میشه به تعبیری بهشون سیستم عامل بنیادین جهان گفتش
خطرات و چالش های کامپیوترهای کوانتومی
البته کامپیوترهای کوانتومی می‌تونن تهدیداتی هم داشته باشن ! مثلاً اگه کامپیوتر کوانتومی واقعا ساخته بشن تقریباً هیچ رمزی نمی‌مونه که شکسته نشه یا حتی گفته میشه می‌تونه شبکه بلاکچین که رمز ارزها بر اون مبتنی هست رو هم هک کنه . البته متخصصان بیکار نیستن و به فکر راه چاره برای این مشکلاتم هستن. بذارین همین جا یه خورده درباره شکستن رمزها بیشتر توضیح بدم رمزنگاری تو اغلب سیستم‌ها مبتنی برا اعداد اول هستش
شما دوست عزیز آره خود شمایی که میگی ریاضی دانا خیلی بیکاران که هر روز می‌شینن اعداد اول جدید کشف می‌کنن، اینجا رو با دقت توجه کن ! اعداد اول به اعدادی گفته میشه که فقط به خودشون و یک بخش پذیر باشن مثلاً ۲ ۳ ۵ ۷ ۱۱ و غیره و البته همه اعداد رو میشه به اعداد اول تجزیه کرد. حالا تو الگوریتم های رمزنگاری از ضرب دو تا عدد اول خیلی بزرگ استفاده می‌کنن اگه بخوایم رمز رو پیدا کنیم به هر دوی اون دو تا عدد اول خیلی بزرگ نیاز داریم.
با یکیش نمی‌تونیم رمز رو بشکنیم حالا اگه فرضاً هکری جواب حاصل ضرب رو داشته باشه باید بتونه اون رو تجزیه کنه تا اون دو تا عدد اولی که ضرب شد رو پیدا کنه، ولی تجزیه یک عدد به اعداد اول با کامپیوتر معمولی خیلی زمان بر هست مثلاً اگه یه عدد ۵۰۰ رقمی داشته باشیم با قوی‌ترین کامپیوترهای امروزه چندین میلیارد سال طول می‌کشه تا به فاکتورهای اول تجزیش کنیم !
ولی کامپیوتر کوانتومی اگه تعداد کافی کیوبیت داشته باشن چون همزمان می‌تونن تعداد بسیار زیادی محاسبه رو انجام بدن می‌تونن ظرف مدت کوتاهی اعداد رو تجزیه کنن و سخت‌ترین رمزها رو هم رمزگشایی کنن.
در حال حاضر سریع‌ترین کامپیوتر کوانتومی که ساخته شده مال شرکت گوگل هستش که پردازنده ۶۷ کیوبیتی داره و ادعا میشه از کامپیوترای عادی فعلی خیلی سریع‌تر هستش
یکی از چالش‌های بزرگ تو ساخت کامپیوتر کوانتومی بحث ایجاد خطا هستش این کامپیوترها خیلی به نویز اطراف حساس هستن و خیلیا وقتی تصویر یکی از از این کامپیوترا و لوله‌هاش رو می‌بینن فکر می‌کنن که کل کامپیوتر کوانتومی همینه ولی اینا در واقع فقط لوله‌های سیستم خنک کننده پردازنده کامپیوتر کوانتومی هستن !
در کامپیوتر کوانتومی برای اینکه بتونن حالت کوانتوم کیوبیت رو حفظ کنن باید در دماهای خیلی پایینی نگهداری بشن و به شدت باید از جهان پیرامون دور نگه داشته بشن کوچک‌ترین اختلال و نویز از جهان بیرون کامپیوتر کوانتومی روی قدرت اون تأثیر می‌ذاره و حالت کانتوم اون رو به هم می‌زنه.
حرف آخر و جمع‌بندی
با تمام مواردی که براتون گفتم من فکر میکنم حداقل فعلا قرار نیستش کامپیوترهای کوانتومی بیان تو خونه‌های ما و به جای کامپیوتر رومیزی ازشون استفاده کنیم ! در این زمانی که من دارم این مطلب رو مینویسم شرکت های بزرگی مثل آی بی ا ام، گوگل آمازون مایکروسافت، علی بابا و بایدو روی کامپیوتر کوانتومی به شدت سرمایه‌گذاری کردن و در حال رقابت برای رسیدن به توان واقعی کامپیوتر کوانتومی هستن و از همین لیستم میشه دید که آمریکا و چین رقبای اصلی در ساخت و دستیابی به توان واقعی کامپیوترها کوانتومی هستن.
همچنین پر واضحه که کامپیوترهای کوانتومی می‌تونن کاربردای زیادی در پزشکی و صنایع نظامی و فناوری ارتباطی داشته باشن و البته برخی فیزیک دانا معتقدن که علت اینکه کامپیوترهای کوانتومی می‌تونن همزمان چنین محاسباتی رو انجام بدن و اینقدر قدرتمند هستن اینه که اونا محاسبات رو دارن همزمان تو جهان‌های موازی انجام میدن .
حتی بعضی فیزیک دانا مثل دیوید دویچ میگن که اینکه اصلاً کامپیوترای کوانتومی می‌تونن کار کنن رو، شاهدی بر واقعی بودن جهان های موازی باید دونست و البته برخی دیگه هم منتقد این دیدگاه هستن و قبولش ندارن. راستی در صورت وجود ارتباط بین کامپیوترهای کوانتومی و جهان های موازی باید بریم سراغ تفسیرهایی از مکانیک کوانتوم و کیهان شناسی که امیدواریم در مطالب بعدی بتونم بهش بپردازم !