کامپیوتر کوانتومی (قسمت اول)

درکامپیوترهای معمولی قوانین فیزیک کلاسیک حاکم است،بیت های اطلاعات، خیلی ساده تعریف می شوند؛ سوئیچ های الکتریکی می توانند روشن یا خاموش باشند، اشیا می توانند اینجا باشند، می توانند هم نباشند! ولی کامپیوترهای کوانتومی با طبیعت دودویی های فیزیک کلاسیک محدود نمی شود ،کامپیوتر کوانتومی دستگاهی است که یک پدیده ی فیزیکی را بر اساس قوانین فیزیک کوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یک حالت جدیداز پردازش اطلاعات را تشخیص دهد.

در واقع روش بهتر و قدرتمندتر برای پردازش اطلاعات پیش رویمان ،براساس فیزیک کوانتومی می باشد.دراین مطلب به بیان تاریخچه وتفاوت های کامپیوترهای کوانتومی وکلاسیک می پردازیم و نحوه برقراری ارتباط رادرکامپیوترهای کوانتومی شرح می دهیم.

 

کامپیوتر تنها بخشی از دنیایی است که ما آنرا دنیای دیجیتالی می نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می شود. اما روش بهتر برای پردازش اطلاعات بر اساس مکانیک کوانتومی می باشد. این روش جدید با ویژگی هایی همراه است که آنرا از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترها سیستم هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین کننده ای خواهد داشت.

البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلز بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود. بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می سازد.

 

این پدیده ها عبارتند از: بر هم نهی(superposition) ، تداخل(interference) ، درهم تنیدگی(Entanglement) ، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability) .

 

برای بررسی اثرات این پدیده ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.

هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده ی واژه ی«عدد دودویی» است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچک ترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می­شوند. پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی میشود که آنرا کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می نامیم.

 

یک بیت کوانتومی (که به آن “کیوبیت”اطلاق می گردد )ممکن است درحالت های کلاسیک صفر یا یک وجودداشته باشد،یا ترکیبی از این دو(یعنی درآن واحد،مقادیر صفرویک را به طورهمزمان داشته باشیم “حالت برهم نهی “) یا حتی معرف عددی باشند که حالت آنها را جایی بین صفر و یک تعیین می کند. با توجه به مکانیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذره های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد، اما هیچ راهی برای دانستن قطعی این که آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم وجود ندارد. البته آنچه که در کامپیوترهای کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است.

 

● تاریخچه کامپیوتر کوانتومی

نظریه کامپیوترکوانتومی ازسال 1982مطرح بوده است از زمانی که فیزیک دان مشهور و برنده جایزه نوبل «ریچارد فاینمن » برای نخستین بار ، پیشنهاد کرد که باید محاسبات از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم شود،همچنین بیان کرد کامپیوتر کوانتومی چگونه ممکن است کار کند. این پیشنهاد تا اوایل سال1990مورد توجه جدی قرار نگرفت وبه صورت آکادمیک باقی ماند،البته در سال 1985،دویتش متوجه شد که اظهارات فاینمن ، می تواند تدریجاً به ساخت کامپیوتر کوانتومی منجر شودو مقاله ای را منتشر کرد مبنی بر اینکه اصولاً هر فرآیند فیزیکی را می توان به خوبی با کامپیوترهای کوانتومی مدل سازی کرد.

بالاخره در 1994 « پیتر شور» نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت. وقتی که بعضی از مشکلات کلیدی کامپیوتر های معمولی نشان داده شد ، کامپیوترهای کوانتومی در اصل می توانستند خارج از رونوشت های کلاسیکی خود محاسبات را انجام و اجرا نمایند یعنی کارایی بسیار بالاتری را نسبت به کامپیوترهای معمولی از خود نشان می داد ند. وی مقاله ای را منتشر نمود که حاوی روشی برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در حل مشکل پیچیده ای در نظریه اعداد،به نام فاکتورگیری بود.

او نشان داد که چگونه یک مجموعه از عملیات ریاضی که منحصراً برای کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده اند ، می توانند چنین دستگاهی را به انجام فاکتورگیری از اعداد بیشماری با سرعت بالاتر از کامپیوتر های کلاسیک ، قادر سازد با این اختراع ، محاسبات کوانتومی از یک کنجکاوی به یک توجه جهانی تبدیل شد.

 

از آن موقع به بعد، گروههای تحقیقاتی در سرتاسر دنیا مسابقه ای را برای پیش قدم شدن در ساخت یک سیستم عملی آغاز نمودند. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه ی اطلاعات و فیزیک کوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروزه انرا محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری (Nano Computing ) می نامیم .محاسبات کوانتومی مشکلات گذشته را برطرف می سازدو افق جدیدی را ایجا دمی کند.

 

قدرت خارق العاده کامپیوتر کوانتومی در نتیجه وقوع پدیده ای موسوم به توازی کوانتومی، مکانیزمی که انجام و اجرای محاسبات حجیم ، زیاد و مکرر را به طور همزمان مقدور می سازد. این یک مقابله سخت و نیرومند و فرق نمایان و بزرگ با کامپیوترهای کلاسیک است که قادرند تنها هر عملیات را فقط به صورت یک عمل در هر با ر و البته خیلی سریع انجام دهند.

● چه تفاوتی میان یک کامپیوتر کوانتومی ویک کامپیوترکلاسیک وجود دارد؟

بین کامپیوتر های کوانتومی و کامپیوتر های کلاسیک تفاوت های اساسی وجود دارد:

1) در کامپیوتر های کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریزمانند نانو ذرات نیمه رسانا((نقاط کوانتومی Quantum dots)) برای پردازش اطلاعات استفاده می کنند.یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جا به جایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می پذیرد. ذخیره اطلاعات در کامپیوترهانیز به صورت سری هایی از بیت های با حالت های روشن و خاموش صورت می گیرد.

 

2) در مقایسه این 2نوع کامپیوتر می توان گفت،مسائلی که زمانی تصور می شد درکامپیوترهای کلاسیک غیر قابل حل است،درکامپیوتر های کوانتومی حل خواهد شدو شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت نزدیک تر می شود.حتی ابر کامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رسانی نرم افزار ،Email،بانک های آنلاین و تمام قلمرو رمز نگاری عمومی و امضاهای دیجیتال،فقط از دوروش رمز نگاری برای ایمن نگاه داشتن خود استفاده می کنند.

 

RSAوECC (رمزنگاری منحنی بیضی) دوروشی هستند که کشف رمز این روشها،برای کامپیوترهای کلاسیک تا حد زیادی ناشدنی است.ولی یک کامپیوتر کوانتومی به اندازه کافی برای شکستن هردوی این کدها،قدرتمند است.

(ECCبرای امضاهای دیجیتال استفاده می شود،که اطمینان میدهد یک پیغام واقعا توسط فرستنده مدعی،فرستاده شده است.RSAبرای بیشتر سیستمهای رمزنگاری کلید عمومی استفاده میشود،که در آن یک پیغام ،با یک کلید عمومی مجاز کدگذاری می شود و باید با قوانین ریاضی مبتنی بر کلید سرّی رمزگشایی شود. )

3) کامپیوترهای کوانتومی از یک خاصیت دیگر هم سود می برند که آنها را از کامپیوترهای کلاسیک مستثنی می کند و آن انتقال از راه دور است.انتقال از راه دور موجب می شود، اطلاعات یک ذره به ذره دیگری منتقل شود.درنتیجه کامپیوترهای کوانتومی برای انتقال بیت در درون و بیرون ساختار خود ،نیازمند سیم نیستند.

4) تفاوت دیگر کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک این است که،اندازه ترانزیستورها هر سال کوچکتر میشود.وقتی اندازه ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک می شود،دیگر قوانین حاکم بر فیزیک کلاسیک بر رفتار اتم ها حاکم نیست.

 به طور مثال کسی نمیداند یک الکترون در زمان مشخصی ،دقیقاً در کجا قرار دارد یا کسی نمیتواند به درستی تشخیص دهد که الکترون در یک سیم به کجا میرود. یعنی وقتی به ابعاد اتمی نزدیک می شویم،فیزیک کوانتومی رفتار اتم ها را توضیح میدهد و دیگر قوانین فیزیک کلاسیک کاربرد ندارد.در واقع این نوع کامپیوترها با استفاده از فناوری های میکروسکوپی ذره ها کار می کنند.

5) همان طورکه می دانیم دریک کامپیوتر کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک ،اصول حاکم تغییر نموده اند.نه تنها،یک بیت کوانتومی، موسوم به کیوبیت می توانددرحالت های صفرویک کلاسیک وجودداشته باشد بلکه همچنین می تواننددرحالت برهم نهی قرارداشته باشد.هرگاه هر کیوبیت دریک کامپیوترکوانتومی درحالت برهم نهی واقع شده باشد ،آنگاه کامپیوتررامی توان درهرحالت ممکنی مجسم کرد که آن کیوبیت هامی توانندازخودنشان دهند.

درواقع کامپیوتر های کوانتومی می تواند در یک زمان چندین حالت داشته باشد و این امکان راایجادمی کند که میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابرکامپیوتر های فعلی کار کند. چند حالت پذیری کیوبیت ها همان دلیلی است که باعث می شود کامپیوتر های کوانتومی ذاتاً از پردازش موازی بهره ببرند. پردازش موازی امکان کار کردن بر روی میلیون ها محاسبه در یک لحظه را به این کامپیوتر ها می دهد در حالی که کامپیوتر شخصی شما فقط یک محاسبه در لحظه انجام می دهد.

● نحوه برقراری ارتباط درکامپیوترهای کوانتومی

با توجه به ماهیت ساختار کامپیوترهای کوانتومی،روش برقراری ارتباط آنها کاملاً متفاوت با کامپیوترهای امروزی است. بدین صورت که پالس های رادیویی نقش صفحه کلید را دارند،که به وسیله آن اطلاعات وارد کامپیوتر می شود و دستگاه تشدید مغناطیسی که شبیه به دستگاه MRI بیمارستان است،نقش صفحه نمایش را ایفا می کند و با ارائه تصویر مغناطیسی از توده مولکولها ، کامپیوتر توده محاسبات را به ما میدهد.

از سوی دیگر باید تلاش کرد ترانزیستورهایی از جنس مورد نظر ساخت،زیرا ترانزیستورها،عامل تقویت ولتاژ در مدارهای الکترونیکی هستند و قدرت تقویت کنندگی آنها موجب افزایش سرعت کامپیوتر ها است.

این ترانزیستورها تاثیر مهمی در تولید کامپیوترهای آینده دارند و در صورتی که در ابتدا یا انتهای ساختار آنها،ترکیبی با دیگر نیمه هادی ها به خصوص طلا ایجاد شود یا حتی روی پوسته آنها نیمه هادی مهمی چون «روی» قرار داده شود،گام مهمی برای تولید قدرتمندترین ترانزیستورها برداشته ایم.

در واقع زمانی که این نیمه هادی های ترکیب شده،به یک باطری متصل می شوند و الکتریسیته دریافت می کنند،همچون یک ترانزیستور عمل کرده و موجب تقویت ولتاژ در مدار و همچنین موجب افزایش سرعت کامپیوتر می شوند.از آنجایی که جریان ورودی به این نیمه هادی ها قابل کنترل است،جریان خروجی از آنها هم قابل کنترل است. این ترکیب ها این قابلیت را دارند که در ساخت نقاط کوانتومی مورد استفاده در کامپیوترهای نسل آینده استفاده شوند.

 این نقاط کوانتومی در واقع کریستال هایی از نوع نیمه هادی هستند،که قابلیت ذخیره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.این نقاط کوانتومی بهترین مکان برای ذخیره سازی اطلاعات در کامپیوترهای پیشرفته هستند. از سوی دیگر در صورتی که بتوان نقاط کوانتومی را با یکدیگر پیوند داد، می توان آنها را به اندازه تنها چند سانتی متر مربع در ساختار سخت افزاری کامپیوترها جای داد.به این ترتیب هر سانتی متر مربع از درایورهای ما می توانند صدها گیگا بایت از اطلاعات را در خود ذخیره کنند.

تا چند سال دیگر، کامپیوترهای کوانتومی از داخل آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشمندان علوم رایانه، فیزیک و ریاضی دانان بیرون خواهند آمد و به صورت کاربردی و عملی مورد استفاده قرار خواهند گرفت. آن دسته از مسائل که با محاسبات پیچیده ی خود، کامپیوترهای جبری امروز را به ستوه می آورند، توسط کامپیوترهای کوانتومی به آسانی حل خواهد شد.

● محاسبات کوانتومی

هدف محاسبات کوانتومی یافتن روش هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده ی محاسبات ( مانند گیت ها و ترانزیستورها) به گونه ای است که بتوانند تحت اثرات کوانتومی ، که در محدوده ی ابعاد نانومتری و کوچکتر بروز می کنند کار کنند. ورود به دنیای محاسبات کوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است،نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم مکانیک کوانتومی را به طور دقیق بررسی کرد سپس مفهوم اطلاعات در فیزیک نیز، چه به صورت کلاسیک و چه در معنای جدیدکوانتومی آن باید درک شود .

بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنند. هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده ی کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش ، چه پردازش شده و چه خام است.همان طورکه درقسمت قبل نیزگفتیم در محاسبات کلاسیک ، این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده واژه « عدد دو دویی » است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می شوند.

پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند.ودر محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود ،که آنرا ( QUBIT ) یا بیت کوانتومی می نامیم.اما این تعریف کیوبیت نیست و باید آنرا همراه با مفهوم و نمونه های واقعی و فیزیکی درک کرد. در ضمن فراموش نمی کنیم که کیوبیت ها سیستم هایی فیزیکی هستند، نه مفاهیمی انتزاعی و اگر از ریاضیات هم برای توصیف آنها کمک می گیریم تنها بدلیل ماهیت کوانتومی آنها است.

در فیزیک کلاسیک برای نگه داری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می شود. در سیستم های کلاسیکی اولیه ( کامپیوترهای مکانیکی ) از موقعیت مکانی دندانه های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می شد. از زمانیکه حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم های دو حالتی انتخابهای ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک مدار الکتریکی است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد.

 

هر بیت کوانتومی یا کیوبیت عبارتست از یک سیستم دو دویی که می تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی تر ، کیو بیت یک سیستم دو بعدی کوانتومی با دو پایه به شکل < 0| و <1| است . البته نمایش پایه ها یکتا نیست، به این دلیل که بر خلاف محاسبات کلاسیک در محاسبات کوانتومی از چند سیستم کوانتومی به جای یک سیستم ارجح استفاده می کنیم.

انتخاب ایده ال برای نمایش کیوبیت استفاده از مفهوم اسپین است که معمولا اتم هیدروژن برای آن به کار می رود،چون دریک اتم هیدروژن هم پروتون وهم الکترون ،دارای اسپین می باشد. در اندازه گیری اسپین یک الکترون ، احتمال بدست آمدن دو نتیجه وجود دارد: یا اسپین رو به بالاست که آنرا با نشان می دهند و معادل <0| است و یا رو پایین است که آن را با نشان می دهیم و معادل با <1| است .بالا یا پایین بودن جهت اسپین در یک اندازه گیری از آنجا ناشی می شود که اگر اسپین اندازه گیری شده در جهت محوری باشد که اندازه گیری را در جهت آن انجام داده ایم، آنرا بالا و اگر در خلاف جهت این محور باشد آنرا پائین می نامیم.

شاید بتوان گفت مهم ترین تفاوت بیت و کیوبیت در این دانست که بیت کلاسیک فقط می تواند در یکی از دو حالت ممکن خود قرار داشته باشد در حالیکه بیت کوانتومی می تواند به طور بالقوه در بیش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت دیگر در اینجاست که هرگاه بخواهیم می توانیم مقدار یک بیت را تعیین کنیم اما اینکار را در مورد یک کیوبیت نمی توان انجام داد.

به زبان کوانتومی یک کیوبیت را با عبارت نشان می دهیم . حاصل اندازه گیری روی یک کیوبیت حالت |0 > را با احتمال و حالت |1 > را با احتمال بدست می اورند

البته اندازه گیر ی یک کیوبیت حتما یکی از دو نتیجه ممکن را بدست می دهد. از سوی دیگر اندازه گیری روی سیستم های کوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می دهد. کیوبیت در حالت کلی در یک حالت برهم نهاده از دو پایه ممکن قرار دارد.

اما در اثر اندازه گیری حتما به یکی از پایه ها برگشت می کند.به این ترتیب هر کیوبیت ، بیش از اندازه گیری شدن می تواند اطلاعات ز یادی را در خود داشته باشد.بر اساس اصل برهم نهیsuperposition))، هر سیستم کوانتومی که بیش از یک حالت قابل دسترس دارد، می تواند به طور همزمان در یک ترکیب خاص از آن حالت ها هم قرار داشته باشد. در اصطلاح می گوئیم که سیستم کوانتومی علاوه بر حالت های ناب یک یا چند حالت آمیخته یا بر هم نهیده (blend or superposed) نیز دارد.

پس اگر یک ساختار حافظه ای n کیوبیتی داشته باشیم، طبق این اصل، این تعداد می توانند در 2n پیکربندی متمایز وجود داشته باشند. به این ترتیب یک کامپیوتر کوانتومی این امکان را می یابد که مانند یک کامپیوتر موازی کلاسیک بسیار پر قدرت عمل کند که در یک لحظه روی چندین مسیر اطلاعاتی پردازش می کند. البته مشاهده و متمایز کردن تک تک این محاسبه گرهای کوانتومی غیر ممکن است. چون کامپیوتر کوانتومی با تعداد بسیار زیادی مسیر محاسباتی کار می کند، می توان کاری کرد که این محاسبات با هم تداخل یا بر هم تاثیر هم داشته باشند. به عبارتی، محاسباتی که به طور موازی با هم انجام می شوند طبق اصل تداخل می توانند اثر هم را تقویت یا تضعیف کنند.

در نتیجه محاسبه ای شبکه ای بوجود می آید که نوعی خاصیت جمعی از تمام محاسبات را نشان می دهد. خاصیت بسیار شگفت انگیز در مکانیک کوانتومی خاصیت در هم تافتگی است. اگر دو یا چند کیوبیت را در بر هم کنش با هم قرار دهیم، می توانند برای مدتی در یک حالت کوانتومی مشترک قرار بگیرندبه طوریکه نتوان آن حالت را به شکل حاصلضربی از حالت های جدا ازهم اولیه نشان داد.حالت این واحدهای اطلاعاتی راگنگ یا نادقیق (fuzzy)می نامیم.

یک نتیجه مهمentanglement(درهم تافتگی)این است که یک جفت کیوبیت درهم پیچیده روی یکدیگر تاثیرهمزمانی را می گذارند که به فاصله آن ها ازیکدیگر وماده ای که این فاصله را پرمی کند بستگی ندارد.

یک جفت در هم تافته با هم مخلوط نمی شوند بلکه تنها به طور کوانتومی با هم بر هم کنش می کنند. علاوه بر اسپین از وضع قطبش یک پرتو فوتونی و نیز سطوح انرژی مجزای یک اتم دلخواه نیز می توان به عنوان سیستم کیوبیتی استفاده کرد.درزیر به طورکامل کیوبیت ها را شرح می دهیم.

● کیوبیت ها

بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها معادل کوانتومی ترانزیستورهایی اند که کامپیوترهای امروزی را تشکیل داده اند. وجه مشترک تمام کیوبیت ها آن است که می توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند. به طوری که از این وضعیت ها بتوان برای نشان دادن دوتایی (صفرویک )اطلاعات استفاده نمود. کیوبیت ها دارای یکی از چهار نوع ذرة کوانتومی فوتون، الکترون، اتم و یون می باشند. فوتون ها با یکدیگر برهم کنش خوبی ندارند، اما می توانند به آسانی از نقطه ای به نقطه دیگر جابه جا شوند و این خاصیت آنها را به گزینه ای مناسب جهت انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل می کند و به عکس الکترون ها، اتم ها و یون ها به آسانی با هم برهم کنش دارند، اما جابه جایی خوبی ندارند و به همین دلیل برای پردازش و ذخیرة اطلاعات کوانتومی بسیار مناسب می باشند.

● فوتون ها

میدان الکتریکیِ فوتون های غیر قطبی، در صفحه ای عمود بر جهت حرکت فوتون به ارتعاش درمی آید. اما میدان های الکتریکی فوتون های قطبی، تنها در یکی از چهار جهت داخل صفحه (عمودی، افقی و در جهت دیاگونال) مرتعش می شود و این دو جفت قطبش به ترتیب نشان دهنده وضعیت های صفر و یک هستند.فوتون ها را می توان با آینه و فیلترهای قطبی کننده کنترل نمود. این فیلترها تمام فوتون ها به غیر از فوتون های با یک جهت قطبش معین را در خود نگه می دارند. همچنین می توان از چرخه موج یا فاز فوتون ها و نیز زمان رسیدن آنها، به جای کیوبیت استفاده نمود.

● الکترون ها

الکترون ها دارای دو جهت اسپین بالا و پایین، همانند دوقطب یک آهنربا، می باشند و می توان با استفاده از میدان های الکتریکی مغناطیسی یا نوری، آنها را در یکی از این دو وضعیت قرار داد. همچنین می توان از موقعیت الکترون در یک نقطه کوانتومی برای نمایش یک عدد دوتایی (صفر یا یک) استفاده نمود.

● اتم ها و یون ها

اتم ها و یون ها از الکترون ها پیچیده تر می باشد و به روش های متعددی می توان از آنها برای نمایش اطلاعات استفاده کرد. یون ها؛ در واقع؛ اتم های بارداری هستند که بار آنها ناشی از دریافت کردن و یا از دست دادن الکترون می باشد.اتم ها نیز همانند الکترون ها دارای جهت اسپینی هستند که می توان از آن برای نمایش یک رقم دوتایی در یک کیوبیت استفاده نمود. همچنین از موقعیت الکترون لایه خارجی اتم در سطح انرژی پایین تر یا بالاتر هم می توان برای نمایش صفر و یک ها استفاده نمود. همچنین اتم هایی که به دام انداخته شده و ثابت می شوند دارای ارتعاشات کوانتومی گسسته ای خواهند بود که از آن نیز می توان در کیوبیت ها استفاده نمود.

نوع چهارم کیوبیت های اتمی، مبتنی بر سطوح فوق ظریف یا ارتعاشات بسیار ریز سطوح اربیتال های الکترونی است که حاصل برهم کنش های مغناطیسی بین هسته و الکترون است.

کیوبیت ها از ذرات کنترل شده ای تشکیل شده اند و در واقع ابزارهای به دام اندازی دارند.

این کیوبیت ها چهار نوع می باشند:

دام های یونی، نقاط کوانتومی، ناخالصی های نیمه رسانا و مدارهای ابررسانا.

● دام های یونی

دام های یونی برای نگهداشتن هر کدام از یون ها از میدان های مغناطیسی و یا نوری استفاده می کنند. محققان تاکنون توانسته اند شش یون را دریک تک دام یونی نگه دارند. فناوری دام یونی به خوبی جا افتاده و احتمال دارد که بتوان با استفاده از آن در سطح انبوه به تولید کیوبیت ها پرداخت. به دلیل باردار بودن یون ها، آنها در برابر نویز زیست محیطی آسیب پذیری بیشتری نسبت به اتم های خنثا دارند.

● نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومی در واقع بیت هایی از مواد نیمه رسانا شامل یک یا چند الکترون است. این نقاط کوانتومی را می توان با الکترون های منفرد بارگذاری نمود و به آسانی آنها را در ابزارها و تجهیزات الکترونیکی جای داد در عین حال نمونه های اولیه نقاط کوانتومی تنها در دماهای فوق العاده پایین کار می کنند.

● ناخالصی های نیمه رسانا

اتم های قرار داده شده در مواد نیمه رسانا معمولاً ناخالصی یا نقص تراشه های رایانه ای به حساب می آیند. ساخت تراشه خالص بسیار دشوار است و علی رغم تمام تلاش های انجام شده، در هر چند میلیارد اتم نیمه رسانا یک اتم ناخواسته وجود خواهد داشت.کیوبیت های از جنس ناخالصی نیمه رسانا، از الکترون موجود در اتم های فسفر یا دیگر اتم هایی که به طور مصنوعی در ماده نیمه رسانا قرار داده شده اند استفاده می کنند و حالت این الکترون ها را می توان با استفاده از لیزر یا میدان الکتریکی کنترل نمود.

 

ادامه دارد…