● مدارهای ابررسانا
مدارهای ابررسانا، مدارهایی الکتریکی هستند که از مواد ابررسانا تشکیل شده اند در این مواد امکان حرکت الکترون ها تقریباً بدون هیچ گونه مقاومتی در دمای پایین فراهم می شود. این مدارها به چندین روش می توانند کیوبیت ها را تشکل دهند. از جمله این روش ها حرکت جریان الکتریکی است که می توان آن را در یک لحظه در دوجهت و در یک وضعیت کوانتومی ابرمکانی حرکت داد.
الکترون ها از طریق ابررسانا با جریان جفت می شوند و میلیاردها از این جفت ها، ماده ای را تشکیل می دهند که وقتی ابررسانا یک شکاف بسیار ریز داشته باشد، به صورت یک ذره زیراتمی بزرگ عمل می کند.
وقتی یکی از مدارها، از طریق اتصال Josephson، به منبعی از جفت الکترون ها متصل شود، تعداد این جفت الکترون ها تغییر می کند و این تغییر قابل اندازه گیری است. مدارهای ابررسانا را می توان با استفاده از همان روش های تولید نیمه رسانا ساخت.
مزیت اساسی این روش آن است که از میلیون ها و یا میلیاردها الکترون استفاده می شود و دیگر نیازی به کنترل تک تک ذرات نیست. البته عیب این کار آن است که انجام آن فقط در دماهای بسیار پایین امکان پذیر است.
● دام های نوری
اتم های خنثای به دام افتاده در دام های نوری، نوع دیگری از کیوبیت ها می باشند که به علت قدرت کافی امواج نور در سطح اتمی برای به دام انداختن و کنترل ذرات، از آنها استفاده می شود. کار این دام ها بسیار شبیه آسیاب بادی است. اتم ها آسیب پذیری کمتری در برابر نویز دارند، اما واداشتن آنها به هم کنش سخت تر است.
● واهمدوسی(Decoherence)،دشمن محاسبات کوانتومی
دوکیوبیت کوانتومی منفردممکن است طوری باهم همبستگی (correlate)پیداکنند که هرگاه یک کیوبیت درحالت برهم نهی واقع شده باشد،بتواند حالت کیوبیت دیگرراتحت تاثیرخود قراردهد،به طوری که کیوبیت دوم هم به حالت برهم نهی وجودداشته باشد.این نوع همبستگی به درهم تنیدگی( entanglement)،گره خوردگی یاایجادمانع موسوم است وتنها برهم نهی کامل (entire superposition)اطلاعات راحمل می کند.وقتی که دوموج کوانتومی برهم منطبق شده باشند،همانند یک موج رفتار می کنندوگفته می شود که آن ها همدوس می باشند،فرایندی که بوسیله آن دوموج همدوس دوباره به حالت های اولیه خود برمی گردند،وهویت های انفرادی (individual identitie) اولیه خودرادوباره به دست می آورند،واهمدوسی نامیده می شود.
برای یک الکترون درانطباقی ازدوحالت انرژی مختلف (یا تقریبا دوموقعیت متفاوت درون یک اتم)واهمدوسی می تواند مدت زمان بسیاری طول بکشد،ممکن است گاهی اوقات روزها به طول انجامد.یکی از موانع اصلی درک وتحلیل محاسبه کوانتومی ،مسئله واهمدوسی می باشد.حالت برهم نهی یک کیوبیت بسیار زودگذر وناپایدار می باشد،تقریبا هر چیزی نظیریک الکترون یافوتون سرگردان می تواندسبب فروریختن ومتلاشی شدن کیوبیت همدوس وقرارگرفتن آن دریکی ازدوحالت کلاسیکی گردد.
بنابراین تعدادمحاسباتی که یک کامپیوتر می تواند انجام دهد به زمانی که کیوبیت ها می توانند همدوس باقی بمانند،مربوط می شود.این مسئله بااین واقعیت درهم آمیخته است که حتی اندازه گیری یک کیوبیت می توانند سبب فروپاشی آن گردد.بنابراین ما نمی توانیم حتی یک کیوبیت را کنترل نماییم وببینیم که چه اتفاقی می افتد،زیرا این فرایند آزمایش خود،حالت برهم نهی رامتلاشی خواهدکردومحاسبات قبل از اینکه تمام شده باشندمتوقف خواهند شد. دریک کامپیوتر کلاسیک،الگوریتم ها طوری بسط وتوسعه یافته اندکه هرنوع خطایی را که به درون محاسبه راه پیدا می کنند قبل ازاینکه آن ها محاسبه را به طور کامل واژگون،دگرگون ویا تخریب سازند،تصحیح می کنند؛تصحیح خطا یک بخش روتین یامعمول ازارتباطات رقمی مدرن یا جدید می باشد.
درهرصورت،نظریات کلاسیک برای تصحیح خطا وتحمل عیب را نمی توان به آسانی به سیستم های کوانتومی عمومیت داد.درسال 1995،steaneوshor مستقلا کدهای تصحیح خطای کوانتومی راکشف کردند که دربعضی ازمقالات مروری جدیدترباجزئیات بیشتری توسط preskillوsteanمورد بحث قرار گرفته است.درادامه این کار ،knillوهمکارانش نشان دادند که علیرغم تاثیرات تضعیف کننده واهمدوسی،یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور موفقیت آمیزی یک محاسبه دلخواه طولانی را انجام دهد.این اصول جدید وآزمایشهای اخیر نشان می دهند که بعضی از سیستم ها می توانند برای چندین ساعت برهم نهی کوانتومی راحفظ کنند،که این خود نوید این را می دهد که کامپیوتر های کوانتومی بر مشکلات واهمدوسی غلبه خواهند کرد.
● قدرت وتوانایی محاسبه کوانتومی
تنها با یک کیوبیت،یک کامپیوتر کوانتومی می تواند از قبل کارهایی را انجام دهد که هیچ کامپیوتر کلاسیکی قادر به انجام آن نیست .یک اتم تنها رادردوحالت برهم نهی صفرویک در نظربگیرید.هرگاه ما آن راوادار به تابش فلوئورسانس نماییم درتلاش برای کشف وفهمیدن اینکه در چه ترازی به سرمی برد،درنیمی اززمان طی شده فوتونی رامنتشرخواهدکردکه نشان می دهد،اتم در حالت یک به سر میبرد و در بقیه زمان هیچ فوتونی منتشر نمی شود و کیوبیت در حالت صفر قرار دارد.این بدین معناست که این بیت ،یک بیت تصادفی است؛بدین ترتیب ما یک تولید کننده اعداد تصادفی را پدید آوردهایم،چیزی که با استفاده ازیک کامپیوتر کلاسیک نمی توان به آن دست یافت .درهر حال ،قدرت واقعی محاسبه کوانتومی بایک سیستم متشکل ازتعدادزیادی ازکیوبیت ها،میسرمی گردد وبه وقوع می پیوندد.در حالیکه در یک سیستم کلاسیک توان جستجوی سیستم بطور خطی با تعداد کامپیوترهای به کار رفته افزایش می یابد.
● چگونه یک کامپیوترکوانتومی کارمی کند؟
اطلاعات از تکه های مجزامشابه باانفصال سطوح انرژی دریک اتم ناشی میشوند.یک کامپیوتر کلاسیکی حاوی این اطلاعات رقمی است وازمسیری به صورت مجموعه ای از بیت ها می گذرد.یک کامپیوتر کوانتومی بایستی این ویژگی مجزا از اطلاعات رقمی رابا ویژگی مجزای عجیبی از مکانیک کوانتومی وفق دهد.برای انجام این کاریک سیستم کوانتومی نظیر یک اتم را می توان به کاربرد،چرا که سطوح انرژی مجزایی داردکه می توانند بیت هایی ازاطلاعات مشابه ترانزیستورها رادرخود نگه دارد،دریک حالت انرژی می تواند مقدارصفرودرحالت انرژی دیگرمی تواندحالت یک رااختیارکند.
برای اینکه خوشه ای ازاتم ها به صورت یک کامپیوتر کارکنندبایستی اطلاعات راروی سیستم فراخواند،آن ها راازطریق دستکاری منطقی ساده پردازش کردوسپس پاسخ راقرائت نمود.به بیان دیگر،سیستم های کوانتومی بایستی توانایی خواندن،نوشتن وانجام عملیات حسابی راداشته باشند.مثالی از اینکه چگونه می توان این عملیات رابااستفاده از سیستم های اتمی انجام داد،درزیرآماده است.
● نوشتن دریک کامپیوتر کوانتومی تکامل یافته
چگونه ما اطلاعات رادرون یک کامپیوترکوانتومی می نویسیم؟یک روش عبارتست ازتحریک اتم ها بااستفاده ازنورلیزر.میتوان انرژی حالت پایه اتم هیدروژن به صورت درنظر گرفت . هرگاه ما بخواهیم یک 0 درون این اتم بنویسیم کاری انجام نمی دهیم . در هر حال ، اگر ما بخواهیم 1 بنویسیم ، می توانیم اتم را از حالت پایه به حالت برانگیخته ببریم یعنی از سطح انرژی به سطح انرژی ، و این کار را با استفاده از پالسی از نور لیزربا انرژی انجام می دهیم .
همانطور که الکترون فوتون را جذب می کند ، به تدریج از حالت پایه به حالت برانگیخته جا به جا می گردد. هر گاه اتم قبلا در حالت برانگیخته بوده باشد ، همان پالس باعث خواهد شد که یک فوتون انرژی نشر کرده و به حالت پایه برگردد. بنابراین پالسی از نور سبب خواهد شد که اتم از کیوبیت خود جهش پیدا کند و این روشی از ذخیره اطلاعات است. هر گاه فرکانس فوتونها با اختلاف انرژی میان سطوح انرژی جور نباشد ، هیچ اتفاقی نخواهد افتاد . اما اگر ما فقط فرکانس درست را اعمال کنیم ، در نصف مدت زمان لازم برای وقوع یک جهش کیوبیت ، چه اتفاقی رخ می دهد؟
در یک کامپیوتر کلاسیک این پدیده منجر به بروز خطاهایی خواهد شد چرا که آن فقط می تواند در یک حالت 0 یا 1 وجود داشته باشد و ما مطمئن نخواهیم بود که در نهایت به کدام حالت ختم خواهد شد و در کدام حالت بسر خواهیم برد . در جهان کوانتومی ، این اتم در یک حالت انطباق از هر دو حالت 0 و 1 با دامنه های یکسان وجود خواهد داشت.یعنی ، کیوبیت تنها در نیمی از مسیر جهش پیدا میکند. این کیوبیت جهش یافته در نیمی از مسیر ، دلیلی برای قدرت بالقوه محاسبه کوانتومی است.
● خواندن ازیک کامپیوتر کوانتومی تکامل یافته
خواندن حالت کیوبیت ها دریک کامپیوترکوانتومی بسیارشبیه به فرایند نوشتن وورود داده ها می باشد.به همین دلیل مانیاز به سطح انرژی سومی به صورت داریم که به خوبی از جداشده باشد.حال ما پالس انرژی معادل را که از متفاوت است اعمال می کنیم وفوتون های منتشرشده راآنالیز می کنیم.اگرالکترون ازاول،درحالت به سربرده باشداین فوتون راجذب خواهدکرد وبه سطح انرژی (یک حالت بالاترباپایداری کمتر) برانگیخته خواهد شد.درنتیجه سریعا باانتشارفوتونی معادل ،دچارزوال ونابودی خواهدشد.
هرگاه الکترون درحالت پایه بوده باشد هیچ اتفاقی نخواهد افتاد زیراانرژی صحیح لازم برای برانگیخته شدن آن به اعمال نشده است. توجه کنیدکه خروج وقرائت آن ها فقط زمانی امکان پذیر است که کیوبیت ها در حالت های صفر ویک بااحتمال بالایی وجودداشته باشند.هرگاه اتمی درحالت برهم نهی واقع شده باشد،احتمالات یکسانی برای نشرکردن یا نشرنکردن یک فوتون وجود دارد.بااین روش تعیین حالت اولیه ی هر کیوبیت میسراست.
● توان یک کامپیوتر کوانتومی
برخلاف یک کامپیوتر کلاسیک ،هربارکه ما یک کیوبیت به یک کامپیوترکوانتومی می افزاییم ،توان سیستم دوبرابرمی شود.یک بیت کوانتومی یا کیوبیت رابه صورت یک سکه درنظربگیرید.برخلاف یک سکه کلاسیک که می تواند به هنگام پرتاب به صورت شیر یا خط فرود آید،درپرتاب یک سکه کوانتومی حالت گره خورده یا درهم پیچیده ای ازکیوبیت داریم به این معنی که می تواند به صورت هردورو (H)یا هردوپشت( T)ودر آن واحد به طور همزمان (@)در نظر گرفته شود .
در موقعیت کلاسیک وقتی که سکه ی دوم را پرتاب می کنیم ، چهار حالت HH ،TT، HT، THرا خواهیم داشت ولیکن وقتی که ما یک کیوبیت دوم را اضافه می کنیم چهارحالت H@ ،@H، @@، T@، @T وجود خواهد داشت که افزایش قدرت محاسبه را در پی دارد که این خود نیروی محرکه ای را پدید می آورد تا تلاش بیشتری برای طراحی و ساخت کامپیوتر کوانتومی عملی به عمل آید. پیش گویی شده است که یک کامپیوترچهل کیوبیتی می تواند در اندکی بیشتر از صد مرحله ، می توانست دوباره پدید آید و محاسبه ای را انجام دهد. محاسبه ای که با یک کامپیوتر کلاسیکی شامل یک تریلیون بیت چندین سال به طور خواهد انجامید تا به پایان برسد. یک کامپیوتر صد کیوبیتی به مراتب قدرتمندتر عمل خواهد کرد تا اینکه همه ی کامپیوترهای موجود در دنیا به یکدیگر متصل شده باشند.
یک کامپیوتر کوانتومی با بسیاری از عملیات منطقی بر روی تعداد زیادی از کیوبیتها چکار می تواند انجام دهد ؟
هر گاه ما همه ی داده های ورودی را درون یک حالت برهم نهی از 0 و 1 قرار دهیم ، هر کدام از آنها بزرگی یکسانی را خواهند داشت ، در نتیجه ما اساسا کامپیوتری داریم که در یک حالت برهم نهی از همه ی داده های ورودی ممکن قرار دارد . حال اگر ما بخواهیم مجموعه ای از عملیات ورودی منطقی را برای اجرای یک محاسبه ، انجام دهیم ، نتیجه عبارت است از انطباق همه ی خروجیهای ممکن آن محاسبه . برای قرار دادن آنها در کنار یکدیگر به روش دیگر ، کامپیوتر همه ی محاسبات ممکن را یک دفعه و در یک لحظه و یک جا انجام می دهد.
این توازی کوانتومی حجیم نوید محاسبه ی کوانتومی را در آینده به ما می دهد . تنها مانع موجود ، آنست که کیوبیتها هم اکنون در یک حالت برهم نهی و انطباقی از همه ی پاسخهای ممکن قرار دارند.راهکار آنست که یک عملیات کوانتومی پیدا کنیم که تنها پاسخ صحیح را تقویت کند و احتمال همه ی خروجیهای دیگر را کاهش دهد. این قلمرویی از الگوریتم کوانتومی است.
● الگوریتمهای کوانتومی
همان طورکه می دانیم یک کامپیوتر کوانتومی قادر خواهد بود تا هر عملی را که یک کامپیوتر کلاسیک قادر به انجام آن است ، انجام و اجرا کند. ولیکن این بدان مفهوم نیست که الزاما یک کامپیوتر کوانتومی می توانددراجرای همه ی عملیات وهرنوع عملیات ازکامپیوترهای کلاسیک پیشی بگیرد.به منظورواردکردن مسائل به درون یک کامپیوترما نیازداریم تا الگوریتم ها را به دقت تعریف وبنیانگذاری کنیم،الگوریتم مجموعه ای ازدستورالعمل های عمومیت یافته است که این امکان رابرای مافراهم می سازدتابتوانیم عملیات محاسبه ی معین وویژه ای رابه ترتیب اجراکنیم .هرگاه ما الگوریتم های کلاسیکی خودمان رابرروی یک کامپیوتر کوانتومی مورداستفاده قراردهیم،به سادگی محاسبات را به طریقه مشابه با یک کامپیوتر کلاسیک انجام واجرا خواهدکرد.
به منظورنشان دادن برتری آن وبهره برداری ازپدیده توازی کوانتومی ما نیا زداریم تاالگوریتم ها ی کوانتومی راپا یه گذاری کنیم. درزیردومثال ازالگوریتم های کوانتومی مطرح می کنیم.
● الگوریتم شور Shor’s Algorithm
درحالی که فرموله کردن الگوریتم های کوانتومی آسان نیست،آن ها نتایج جالبی راپدید می آورند.مثال خوبی ازچنین الگوریتمی عبارتست ازالگوریتم عامل بندی کوانتومی که به وسیله پیترشورطراحی وبه وجودآمده است.هدف این الگوریتم شکستن یا تجزیه یک عدد بزرگ به عامل های اول آن است.درحالی که ضرب کردن اعداد بزرگ مانند 1237در3433آسان است،محاسبه ی عامل های اعداد بزرگی مانند621 246 4 بااستفاده ازیک کامپیوتر کلاسیک دشواراست.
سختی به دست آوردن عامل های اعداد بزرگ درقلب نوعی ازاختفای داده ها نهفته شده است که به کلید عمومی یا اختفای RSAموسوم است که یکی ازمطمئن ترین روش های به کاررفته برای محافظت ازحساب های بانکی الکترونیکی می باشد.دراینجا،داده های مخفی شده به وسیله یک کلید عمومی (که داده ها راپنهان می کند)ویک کلیدخصوصی(که برای افشای داده ها به کاررفته است)انتقال داده می شود.کلید عمومی،ازطریق ضرب کردن دوعدد اول بزرگ دریکدیگر به دست آمده است.
کلید خصوصی،یکی ازاعداداول می باشد.به منظوربازکردن کدهای یک پیغام کدگذاری شده با کلیدعمومی نیازداریم آن رابه عامل های اولیه اش تجزیه کنیم.این کاربرای کسی که یکی ازکلیدهای خصوصی رادردسترس دارد،آسان است اما اگرماتنها کلیدعمومی راداشته باشیم،این کاربسیارسخت خواهدبود.هرچه اعدادبزرگ وبزرگتر می گردند،سختی عملیات سریعا افزایش می یابد.درهرصورت،دراصل یک کامپیوترکوانتومی که درحال اجرای الگوریتم شور می باشد می تواند در عرض چند ثانیه کد رابشکند وآن را باز کند.
● الگوریتم گراور( Graver’s Algorithm)
مثالی دیگرازیک الگوریتم کوانتومی مهم،الگوریتم گراورمی باشد که می تواند عملیات مرتب کردن داده ها راازمیان پایگاه های اطلاعاتی بزرگ ونامرتب انجام دهد.بااستفاده ازیک کامپیوتررایج روی یک مجموعه ای ازداده ها(Database) با Nداده ورودی،متوسطی از N/2 پرسش وجودخواهدداشت تاداده های لازم پیدا شوند.
درحالیکه کامپیوترکوانتومی ،N√استعلام را انتخاب ومطرح خواهدکردتا به داده ی مطلوب برسد.مثلا،یک پایگاه اطلاعاتی که دارای 10میلیون ورودی می باشد،به طورمتوسط پنج میلیون کاوش رابااستفاده ازیک کامپیوترکلاسیک درمقام مقایسه با ده هزار کاوش درکامپیوتر کوانتومی راانجام خواهد داد.هرچه که پایگاه اطلاعاتی بزرگترشده وبیشتر با یکدیگر ارتباط واتصال داده شده باشند،کامپیوترهای کوانتومی سریعترعمل خواهند نمود وزمان رابه طرزقابل توجهی کاهش خواهندداد.
● نرم افزارهای کوانتومی
مسئله دیگر نرم افزارهای کوانتومی هستند که حالت کوانتومی مشخصی دارند و کامپیوترهای کوانتومی را قادر می سازند وظیفه خاصی را انجام دهند. حاصل کار بسته به نسخه نرم افزار، متغیر خواهد بود. اما مشکل این است که نرم افزار ها حالت یک بار مصرف خواهند داشت که البته باعث رشد صنعت نر م افزاری خواهد شد و به نفع شرکت های نرم افزاری است، ولی به تازگی محققان کشف کرده اند که نرم افزار کوانتومی در شرایط خاص می تواند نقش کاتالیزوری را انجام دهد و طی فرآیند بدون مصرف شدن باعث اجرای عملیات شود.
پایان
