کامپیوترهای کوانتومی(pdf)

[NIIT]

یک سری مطلب جالب در مورد کامپیوترهای کوانتومی هستن
خیلی دنیای جالبیه!!!!!!!!!!!!!!
انشالله مفید باشن و بدردتون بخوره

quantom

تاریخچه مختصری از محاسبات کوانتومی


ایده دستگاه محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتوم ابتدا در دهه 1970 و اوایل 1980 توسط برخی از فیزیکدانان و دانشمندان رشته کامپیوتر ، زمانیکه محدودیتهای اصلی محاسباتی را بررسی می کردند،مورد توجه قرار گرفت.
آنها متوجه شدند که اگر فناوری میکروچیپ ها یا تراشه ها،برحسب پیش بینی قانون مور،همچنان پیشرفت کند،به تدریج کاهش اندازه مدارهایی که در چیپ های سیلیکونی می توان جاسازی کرد،به جایی میرسدکه عناصر منفرد از یک اتم بزرگتر نخواهند شد.یعنی اندازه مدارهای تراشه های سیلیکونی تا حد چند اتم کاهش می یابد.
در اینجا مشکلی که بوجود می آید این است که،در مقیاس اتمی ،قوانین فیزیکی که خواص و رفتارهای مدارها را کنترل می کنند،در اصل مکانیک کوانتوم است نه کلاسیک سابق.لذا این سوال به وجود آمد که آیا می توان گونه جدیدی از کامپیوترها را ابداع نمود که منطبق بر اصول علم کوانتوم فیزیک باشد؟
فاین من در سال 1982،اولین کسی بود که تلاش می کرد ، پاسخ این سوال را با تولید یک مدل انتزاعی که نشان می داد،چگونه یک سیستم کوانتومی می تواند محاسبه را انجام دهد، بیابد. همچنین وی سعی کرد که نشان دهد،چگونه چنین ماشینی می تواند مانند یک شبیه ساز برای علم کوانتوم فیزیک فعالیت کند.به عبارت دیگر ،یک فیزیکدان بتواند آزمایشهای فیزیک کوانتوم را با یک کامپیوتر مکانیک کوانتوم انجام دهد.
بعدها در سال 1985،دویتش متوجه شد که اظهارات فاین من، 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.
در سال 1994،دانشمندی به نام شر،مقاله ای منتشر نمود که حاوی روشی برای استفاده از کامپیوترهای کوانتوم 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 کوانتوم 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.
در سال 2001،اولین محاسبه کوانتومی بوسیله دانشمندان انجام شد.آنها توانستند،میلیاردها میلیارد سلول کامپیوتری خاصی که در محیط آزمایشگاهی طراحی شده اند،به کامپیوترهای کوانتومی 7کیوبیتی تبدیل کنند،که گونه ساده ای از مشکلات ریاضی را حل می کند و اساس رمز نگاری دستگاههای امنیت امروزی است. این نتایج باعث درک این مطلب شد که کامپیوترهای کوانتوم قادر به حل مشکلات پیچیده ای هستند که حتی ابر کامپیوترهای قدرتمند با صرف میلیونها پردازش هم نمی توانند آنها را حل کنند.
در سال 2007 یک شرکت کانادایی،اعلام کرد که کامپیوتر کوانتومی را به نمایش گذاشته است. مدیر اجرایی این شرکت عنوان داشت که:« ارائه اینگونه کامپیوترها ،گامی اساسی در حل مشکلات تجاری و علمی است،که تاکنون آنها را غیر قابل حل پنداشته ایم.»
ولی عده بسیاری به علت اطلاعات بسیار اندکی که این شرکت در مورد این ماشینها ارائه نمود،به این محاسبات کوانتومی مشکوک و بدبین باقی مانده اند.
به این ترتیب اولین حضور این کامپیوترهای کوانتومی در تحت تاثیر قرار دادن عموم،با شکست مواجه شد.متخصصان معتقدند که نمایش شرکت مذکور یعنی کاربرد کوانتوم در این کامپیوترها،دقیقاً همان چیزی نیست که درباره محاسبات کوانتومی شناخته شده است.




توانایی و قدرت محاسبات کوانتومی


بین کامپیوترهای کلاسیک و کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده تفاوت اساسی وجود دارد ،آن تفاوت این است که ، یک کامپیوتر کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک دستورات از پیش تعیین شده ای را اجرا می کند ، اما یک کامپیوتر کوانتومی دستگاهی است که یک پدیده ی فیزیکی را بر اساس مکانیک کوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یک حالت جدید از پردازش اطلاعات را تشخیص دهد. در یک کامپیوتر معمولی اطلاعات به صورت یک سری بیت کد کذاری می شوند و این بیت ها از طریق گیت های منطقی بولین که سری هستند برای نتیجه ی نهایی دستکاری می شوند. به طور مشابه یک کامپیوتر کوانتومی ، کوبیت ها یا بیت های کوانتومی را با اجرای یک سری از گیت های کوانتومی دستکاری می کند و هر واحد انتقال بر روی یک تک کوبیت یا یک جفت کوبیت عمل می کند. با به کار بردن این کمیت های متوالی یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه ای از کوبیت ها در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند.
کوبیت می تواند اندازه گیری شود و این اندازه گیری به عنوان نتیجه نهایی محاسبات به کار می رود . این تشابه در نحوه ی محاسبه بین کامپیوتر های کلاسیک و کوانتومی به طور نظری ما را به این نتیجه می رساند که یک کامپیوتر کلاسیک می تواند به طور کامل یک کامپیوتر کوانتومی را شبیه سازی کند . به عبارت دیگر کامپیوتر کلاسیک قادر است تمام توانایی های کامپیوتر های کوانتومی را در بر گیرد. گرچه کامپیوتر های کلاسیک به طور نظری می تواند کامپیوتر کوانتومی را شبیه سازی کند ولی به میزان قابل توجهی ناکار آمد است. بطوری که کامپیوتر کلاسیک به طور موثر از انجام خیلی از کارهایی که کامپیوتر کوانتومی به راحتی انجام می دهد ، عاجز خواهد بود . این شبیه سازی کامپیوتر کوانتومی روی کامپیوتر کلاسیک از نظر محاسباتی یک کار سنگین است . چون پیوستگی بین بیت های کوانتومی از لحاظ کیفیت متفاوت از پیوستگی بین بیت های کلاسیک است.


نخستین حافظه قابل استفاده در رایانه های کوانتومی ساخته شد!

دانشمندان برای نخستین بار موفق شده اند یکی از اجزای اصلی حافظه قابل استفاده در رایانه های کوانتومی را به کمک رشته ای از اتمها تولید کنند .به گزارش بخش خبر سایت اخبار فن آوری اطلاعات ایران، به نقل از ایرنا، این حافظه از نوع "رجیستر" (register) است و طراحی آن می تواند راه را برای ساخت نخستین رایانه کوانتومی جهان هموار کند .
ایده رایانه های کوانتومی به کلی با رایانه های مرسوم امروزی تفاوت دارد .
رایانه های امروزی برای تمامی محاسبات و عملیات خود از کدهای باینری(صفر و یک ) به صورت بیتهای اطلاعاتی استفاده می کنند، این درحالی است که در یک رایانه کوانتومی از بیتهای کوانتومی یا کیوبیت ها استفاده خواهد شد .
ایده استفاده از بیتهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات ، از ویژگیهای کوانتومی مواد گرفته شده است .
در فیزیک کوانتومی، ذرات میتوانند در هر لحظه دارای چندین وضعیت باشند و بیتهای کوانتومی نیز با الگوبرداری از همین ویژگی ذرات ، امکان انجام حجم عظیمی از محاسبات به طور همزان را فراهم میکنند .
دانشمندان دانشگاه "بون " در آلمان به تازگی موفق شده اند سرعت حرکت اتمهای عنصر "سزیوم " را کاهش داده و این اتمها را درون یک پرتوی لیزر گرفتار کنند و از آن برای ساخت یکی از مهمترین اجزای رایانه ، یعنی حافظه از نوع رجیستر، استفاده کنند .
رایانه ها امروزی با انجام عملیاتی نظیر مقایسه بیتهای صفر و یک موجوددر رجیسترها و ترکیب کردن این فعالیتها با یکدیگر، به انجام محاسبات میپردازند .
در این مطالعه دانشمندان آلمانی با استفاده از پرتوهای مایکروویو موفق شدند اطلاعات مورد نظر خود را به این حافظه کوانتومی وارد کنند و
برای این منظور، الکترونهای موجود در مدار هسته اتمهای سزیوم را به وضعیتهای کوانتومی جدید منتقل کردند .
فرایند کار بدین صورت است که پرتوی مایکروویو، الکترونها را از مدارهای طبیعیشان در حول هسته اتم سزیوم خارج کرده و در فضای بین این
مدارها جای میدهد و این وضعیت جدید اتمهای سزیوم را میتوان به کمک دوربینهای دیجیتالی بسیار حساس شناسایی کرد .
به گفته دانشمندان دانشگاه "بون "، استفاده از حافظه های رجیستر ساخته شده از رشته های اتمها در مقایسه با سایر روشهای پیشنهاد شده ، راه حل مناسبتری برای طراحی و ساخت رایانه های کوانتومی است .
قدم بعدی دانشمندان ، جای دادن دو یا چند بیت کوانتومی در این حافظه رجیستر و انجام عملیات منطقی میان آنهاست که این فرایند به معنای انجام پردازش و محاسبات رایانه ای خواهد بود .


نرم افزارهای کوانتومی

مسئله ديگر نرم افزارهاي كوانتومي هستند كه حالت كوانتومي مشخصي دارند و كامپيوترهاي آينده را قادر مي سازند وظيفه خاصي را انجام دهند. حاصل كار بسته به نسخه نرم افزار، متغير خواهد بود. اما مشكل اين است كه نرم افزار ها حالت يك بار مصرف خواهند داشت كه البته باعث رشد صنعت نر م افزاري خواهد شد و به نفع شركت هاي نرم افزاري است، ولي به تازگي محققان كشف كرده اند كه نرم افزار كوانتومي در شرايط خاص مي تواند نقش كاتاليزوري را انجام دهد و طي فرآيند بدون مصرف شدن باعث اجراي عمليات شود.


نحوه برقراری ارتباط کامپیوترهای 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 ذرات کوانتوم مورد استفاده در کامپیوترهای نسل آینده استفاده شوند.
این ذرات کوانتوم در واقع کریستال هایی از نوع نیمه هادی هستند،که قابلیت ذخیره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.این کوانتوم ها بهترین مکان برای ذخیره سار=زی اطلاعات در کامپیوترهای پیشرفته هستند. از سوی دیگر در صورتی که بتوان کوانتوم ها 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.


نحوه ذخیره سازی داده ها در کامپیوترهای کوانتومی

در کامپیوترهای متداول امروزی ،از یک دستور ساده گرفته تا یک سیستم عامل،همه در نهایت به صورت رشته هایی از صفر و یک در می آیند.این رشته ها می توانند روی هارد کامپیوتر،یک دیسک فشرده یا حتی موبایل ذخیره شوند.در واقع کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات که بیت نام دارد،که یک واحد مغناطیسی است و بسته به جهت مغناطیس می تواند صفر یا یک باشد.
اما در کامپیوترهای کوانتومی وضعیت به شکل دیگری است،یعنی صفر و یک ها جای خود را از میدان مغناطیسی به یک خصوصیت کوانتومی ماده به نام «اسپین» میدهند.اسپین را می توان جهت چرخش یک ذره تشبیه کرد.
مثلاً بنابر قوانین کوانتومی از 2الکترون اتم هلیم،اگر یکی اسپین مثبت باشد،دیگری حتماً اسپین منفی است.در نتیجه می تواند ابزار بسیار مناسبی برای ذخیره سازی صفر و یک باشد.
بنابراین در کامپیوترهای آینده به کوچکترین واحد ذخیره اطلاعات کیوبیت(Qbit) می گویند.از همه مهمتر اینکه هر بیت در حالت کلاسیک خود،در یک لحظه مشخص فقط می تواند یک حالت صفر یا یک داشته باشد،در صورتیکه در کوانتوم ،یک بیت می تواند در یک زمان مشخص حاوی هر 2حالت صفر و یک باشد.یعنی ترکیبی از صفر و یک است.
Qbit مانند 2بیت بصورت همزمان عمل می کند،با سرعتی 2برابر.
کامپیوترهای کوانتومی ساده ای که تاکنون ساخته شده برای انتقال بیت های داده از مولکولهای موجود در یک محلول و از دستگاه رزونانس مغناطیسی هسته برای خواندن و نوشتن روی آنها استفاده می کند.
در کامپیوترهای کوانتومی اطلاعات بر روی الکترونها و اتم ها Qbit بیشتر از تراشه ها(تراشه ها،شامل ترانزیستورها هستند) ذخیره می شوند. در نتیجه کامپیوترهای کوانتومی قادرند میلیاردها داده را همزمان پردازش کنند. ولی ساختن یک کامپیوتر کوانتومی کاری دشوار است،چون الکترون ها و اتم ها به راحتی تحت تاثیر محیط قرار می گیرندو این مسئله باعث تخریب و نابودی اطلاعات ذخیره شده و اختلال در محاسبات و عملکرد کامپیوتر می گردد.


مقایسه کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای امروزی

در مقایسه این 2نوع کامپیوتر میتوان گفت،مسائلی که زمانی تصور می شد غیر قابل حل است،حل خواهد شدو شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت نزدیک تر میشود.حتی ابر کامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رسانی نرم افزار ،E_mail،بانک های آنلاین و تمام قلمرو رمز نگاری عمومی و امضاهای دیجیتال،فقط از 2روش رمز نگاری برای ایمن نگاه داشتن خود استفاده می کنند.
RSAوECC (رمزنگاری منحنی بیضی) 2روشی هستند که کشف رمز این روشها،برای کامپیوترهای امروزی تا حد زیادی ناشدنی است.ولی اگر زمانی یک کامپیوتر کوانتوم ساخته شود-که پیش بینی میشود به زودی کمتر از 10سال این اتفاق بیفتد-به اندازه کافی برای شکستن هردوی این کدها،قدرتمند است.
ECCبرای امضاهای دیجیتال استفاده می شود،که اطمینان میدهد یک پیغام واقعا توسط فرستنده مدئی،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.

کامپیوترهای کوانتومی از یک خاصیت دیگر هم سود می برند که آنها را از کامپیوترهای امروزی 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.
تفاوت دیگر کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای امروزی 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





















موضوعات مشابه:

• تولید برق از شبنم
• کوانتوم و امنیت شبکه‌های کامپیوتری
• شماها که زیاد از کامپیوتر استفاده می کنید(سندرم تونل كارپال )
• درخواست کلیپ در مورد کامپیوتر های کوانتومی
• تولبار الکسا چگونه کار میکند ؟!