الکترونیک و سخت افزار
موضوعات داغ

بررسی رایانش کوانتومی

رایانش کوانتومی را می‌توان نوعی از پردازش‌ها معرفی نمود که بر اساس قوانین مکانیک کوانتوم فعالیت می‌نمایند.

روزی برای ساخت یک رایانه ساده نیاز به فضای بزرگی در حد یک اتاق بود.

اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی شاهد ریزپردازنده‌هایی در حد اندازه میلی‌متری و کوچک هستیم.

زمانی که اندازه قطعات رایانه از مقیاس مایکرو خارج و وارد مقیاس میکرو می‌گردند قوانین نیز تغییر می‌یابد.

در ابعاد میکرو نوبت به حکمفرمایی مکانیک کوانتوم خواهد رسید، جایی که دیگر فیزیک کلاسیک هیچ سلطه‌ای بر آن ندارد.

 

نحوه عملکرد کامپیوترها در رایانش کوانتومی

در مقیاس میکرو دیگر جایی برای قوانین فیزیک کلاسیک باقی نخواهد ماند.

در این مقیاس هرچه که از قوانین فیزیکی که به طور روزمره استفاده می‌نماییم کاربردی نخواهد داشت.

رایانش کوانتومی با قوانین کوانتومی از جمله درهم تنیدگی و برهم نهی عمل می‌کنند.

 

مکانیک کوانتومی چیست؟

مکانیک کوانتوم یکی از زیرشاخه‌های علم فیزیک بوده که به بررسی رفتار ذرات در ابعاد زیر میکرو می‌پردازد.

شاید بتوانیم برای مثال حرکت یک الکترون بر دور هسته اتم را مثال بزنیم.

بر اساس محسابات فیزیک کلاسیک اتم باید بسیار ناپایدار بوده و الکترون‌ها سریعا باید به داخل هسته سقوط نمایند.

اما با مشاهده متوجه می‌شویم که نه تنها اینگونه نبوده بلکه کاملا مخالف با قوانین فیزیک کلاسیک عمل می‌کنند.

 

برهم نهی و درهم تنیدگی کوانتومی

اگر ذراتی درهم تنیده شده داشته باشیم و سپس آن‌ها را از هم جدا نماییم درهم تنیدگی رخ می‌دهد.

ذرات در هم تنیده در مکانیک کوانتوم با هم در ارتباط بوده و هرگونه تغییری در یکی از ذرات منجر به عملکرد مخالف در ذره بعدی می‌گردد.

تغییرات به صورت آنی حتی با وجود میلیاردها سال نوری فاصله بین دو ذره نیز اتفاق می‌افتد.

در برهم نهی کوانتومی اگر ذره از دید ناظر پنهان باشد در حالت برهم نهی قرار می‌گیرد.

در این حالت آن ذره می‌تواند تمامی حالت‌های ممکن یک سیستم را در یک لحظه داشته باشد.

با اندازه گیری این ذرات فروریزش تابع موج رخ خواهد داد و تنها یک حالت به نمایش در می‌آید.

 

آزمایش گربه شرودینگر:

گربه شرودینگر یک آزمایش نظری مطرح شده توسط اروین شرودینگر بوده که به بیان سوپرپوزیشن در مکانیک کوانتوم می‌پردازد.

فرض کنیم گربه‌ای را درون جعبه‌ای قرار می‌دهیم.

در کنار این جعبه یک سنسور پرتوزا و یک حسگر پرتوزا قرار گرفته شده است.

زمانی که حسگر پرتوزا فعال گردد اقدام به پخش گاز سیانور در محیط می‌نماید و باعث مرگ گربه خواهد شد.

حال تصور کنید که منبع پرتوزا برای پخش تشعشعات خود نیاز به 1 تا 3 دقیقه زمان دارد.

در این آزمایش گربه درون جعبه و قطعات بکار گرفته شده نباید تحت هیچ شرایطی قابل اندازه گیری باشد.

اکنون دو دقیقه از شروع فعالیت منبع پرتوزا گذشته حال به نظر شما گربه مرده یا زنده است؟

اگر بخواهیم بر اساس احتمال بررسی نماییم 50 درصد امکان دارد زنده و 50 درصد امکان دارد مرده باشد.

اگر در جعبه را باز نماییم گربه قطعا یا مرده یا زنده است و نمی‌تواند 50 درصد آن بمیرد و 50 درصد آن زنده باشد.

اما تفسیر کپهانک از مکانیک کوانتومی بیان می‌کند که گربه در آن لحظه در یک حالت سوپرپوزیشن و برهم نهی کوانتومی قرار می‌گیرد.

به عبارتی دیگر گربه در دقیقه دوم هم مرده و هم زنده است اما با اندازه گیری وضعیت تنها یکی از واقعیت‌های ممکن را خواهیم دید.

فروریزش تابع موج منجر به پدید آمدن تفاسیر مختلفی از جمله تفسیر کپنهاگی، دنیاهای چندگانه و… شده است.

 

بررسی کامپیوتر کوانتومی:

همانطور که گفته شد کامپیوترهای کوانتومی بر اساس اصول مکانیک کوانتومی از جمله برهم نهی رفتار می‌نمایند.

در کامپیوترهای ساده از بیت‌ها که تنها حاوی مقدار صفر یا یک هستند استفاده می‌گردد.

در رایانه‌های کوانتومی بجای بیت از کیوبیت‌ها که قادر به قرارگیری در سوپرپوزیشن هستند استفاده می‌شود.

یک کیوبیت بر اساس اصل برهم نهی قادر است تا تمام حالات یک سیستم را در لحظه داشته باشد.

به عبارتی دیگر یک کیوبیت در عین واحد هم حاوی مقدار صفر و هم مقدار یک است.

به این حالت در کیوبیت‌ها اصطلاحا یک سوپرپوزیشن یا ابرحالت گفته می‌شود.

یک کیوبیت تا قبل از اندازه گیری تمام حالت‌های ممکن را دارا می‌باشد.

برای داشتن یک کیوبیت ملزم به ایجاد ابر رسانا می‌باشیم.

تمامی هادی و رساناهایی که می‌شناسیم مقداری از خود مقاومت نشان می‌دهند.

در ابر رساناها این میزان مقاومت دقیقا برابر صفر بوده و عملا هیچ اتلاف انرژی رخ نمی‌دهد.

برای رسیدن به این خواص در ماده‌های مختلف نیاز به پایین آوردن دما هستیم.

به طور معمول این دما باید تا حد صفر مطلق پایین آورده شود تا ماده در حالت ابر رسانایی قرار بگیرد.

 

پردازش کوانتومی:

در رایانش کوانتومی تمامی حالت‌های ممکن در لحظه رخ خواهد داد.

برای مثال فرض کنید که رشته‌های رمزگاری شده با توابع هشی را دارا هستیم.

شکستن این قفل در کامپیوترهای معمولی به چه شکلی است؟

برای شکستن آن با یک رایانه معمولی باید تمامی حالت‌ها را به ترتیب تبدیل به عبارت هش شده نماییم.

سپس خروجی آن را به عبارت رمزگذاری شده‌ای که از قبل داریم تطابق دهیم، زمانی که دو عبارت برابر یکدیگر بودند می‌توانیم به عبارت اصلی دست پیدا کنیم.

تا زمانی که تعداد کل حالت‌ها پایین است این کار مشکل خاصی ندارد ولی هرچقدر که بر کل تعداد حالات بی‌افزاییم بر زمان مورد نیاز برای پیدا کردن عبارت نیز افزوده می‌گردد به نحوی که برای شکستن یک عبارت رمزگذاری شده ممکن است نیاز به هزاران یا میلیون‌ها زمان آن هم با یک ابر کامپیوتر داشته باشیم.

اما در پردازش کوانتومی قضیه فرق دارد، تمامی حالات ممکن در لحظه صورت گرفته و همه احتمالات بررسی می‌گردند.

آن هزاران و میلیون‌ها سال زمانی که نیاز داشتیم در کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند در کسری از ثانیه یا دقیقه عملیاتی گردد.

 

انقلابی دیگر با رایانه‌ها و رایانش کوانتومی:

همانطور که توضیح دادیم پیچیده‌ترین محاسبات در کسری از ثانیه و دقیقه در یک سیستم کوانتومی به وقوع می‌پیوندد.

زمانی که رایانه‌های کوانتومی در این ابعاد پیاده سازی شوند دیگر تمام چیزی که ما از فناوری اطلاعات می‌دانیم معنا پیدا نخواهد کرد.

در این زمان دیگر هیچ رمزی نمی‌تواند جلوی حفظ حریم شما را بگیرد.

با وجود سیستم‌های کوانتومی تمامی رمزنگاری و انکریپشن‌هایی که اکنون می‌شناسیم فاقد اعتبار می‌گردند.

سیستم‌های کوانتومی قادر به شکستن هر قفلی در مدت زمان کوتاهی خواهند بود.

دیگر تکنولوژی امروزی توان مقاومت در برابر این رایانه‌ها را نخواهد داشت و باید سیستم دیگری یافت و جایگزین نمود تا شاید بتوان آن زمان مجدد به امنیت سایبری معنا بخشید.

حال فکر کنید روزی این حجم از قدرت پردازش در هوش مصنوعی پیاده گردد! به نظر شما آن زمان چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

شاید تمام ترس‌های استیون هاوکینگ از ظهور ربات‌ها، هوش مصنوعی و همینطور انقراض بشر توسط آن به وقوع بپیوندد.

 

خلاصه نتایج:

یک کامپیوتر معمولی که بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک بنا شده قادر است تا تمام حالات را به ترتیب پردازش نماید.

در رایانش کوانتومی بر خلاف رایانه‌های ساده تمامی حالات در لحظه پردازش می‌گردند.

از رایانه‌های کوانتومی نمی‌توان توقع پردازش و شبیه سازی عملیات‌هایی که در حالت عادی امکان آن وجود ندارد را داشته باشیم.

به طور خلاصه‌تر رایانه کوانتومی را می‌توان یک رایانه ساده ولی با سرعتی بسیار بالاتر از یک رایانه ساده تصور نمود.

اگر بخواهیم مثالی بزنیم برای بررسی وضعیت آب و هوا به صورت دقیق با خطای صفر ملزم به تایین حالت تمامی مولکول‌ها، ذرات و اشیاء هستیم.

این مورد در هر دو سیستم امکان پذیر است اما در ابر رایانه‌های ساده امروزی، زمانی فراتر از عمر اولین انسان نخستین تا امروز را طلب می‌نماید که انجام دادن آن منطقی به نظر نمی‌رسد.

اما از آنجایی که یک رایانه کوانتومی دارای سرعت به مراتب بالاتری است و توانایی انجام تمامی این عملیات‌ها را در مدت کوتاهی دارا می‌باشد شبیه سازی این مولکول‌ها در رایانه کوانتومی معقول‌تر است.

البته مثلما زمانی که به این تکنولوژی دست پیدا نماییم کارهای مهم‌تری نسبت به پیش بینی آب و هوا وجود دارد.

برخلاف این مورد محاسباتی که حتی با صرف میلیون‌ها سال زمان باز قادر به انجام گرفتن نیستند در رایانه کوانتومی نیز به همین شکل خواهند ماند.

همانطور که با صرف بی‌نهایت زمان باز قادر به پیدا کردن انتهای عدد پی نیستیم در رایانه کوانتومی نیز نخواهیم بود.

منبع
Wikipedia

mehrunex

دانشجوی رشته فناوری اطلاعات و علاقمند به مباحث برنامه نویسی، امنیت اطلاعات، الکترونیک، رایانش کوانتومی، فیزیک، نجوم و بیوالکترونیک

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *