کامپیوترهای کوانتمی

کامپیوترهای کوانتمی :


فیزیکدانان دریافتند که تعبیر آنها از مکانیک کوانتومی چقدر عجیب به نظر می رسد. همه این مطلب را پذیرفتند که مکانیک کوانتومی، بر خلاف فیزیک کلاسیک، حرکت و رفتار ذرات اتمی را به درستی توصیف کرده است. تنها اختلاف نظر این بود که آیا ماهیت تصادفی مکانیک کوانتومی محدودیتی بود که به وسیله ی فیزیک اعمال می شد یا اینکه آیا در انتظار کشف نظریه ی بهتر دیگر می ماند.
بور پی برد که قطعیت فیزیک کلاسیک در دنیای روزمره ی عادی بیشتر معنی پیدا می کند. آثاری مانند شتاب خودرو همیشه دلیلی دارد ( که در این مورد، نیروی ایجاد شده به وسیله ی موتور است) و هیچ ادعا نمی کند که خودرو باید بسته به اندازه گیری یک موج یا یک ذره باشد. اجسام بزرگ از قوانین حرکت نویتن، فیزیک کلاسیک، و قطعیت پیروی می کنند. فکر پشت سر تعبیر بور از مکانیک کوانتومی این است که ذرات بسیار ریز مانند الکترون ها درگیرند عدم قطعیت قابل ملاحظه می شود.
خودرو یک طول موج دارد ( که با معادله داده می شود)، ولی به وسیله ی حتی حساسترین دستگاهها قابل تعیین نیست و در حرکت خودرو نقشی ندارد. در این نگرش، فیزیک کلاسیک تقریبی است که برای اجسام بزرگ خیلی خوب، ولی برای اجسام کوچک بد عمل می کند یا اصلا عمل نمی کند.

بیشتر فیزیکدانان امروزه یا تعبیر بور از مکانیک کوانتومی و یا صورت مشابهی را می پذیرند. دقت مکانیک کوانتومی در توصیف رفتار ذرات کوچک عالی است. برای مثال، الکترودینامیک کوانتومی، نظریه ای مبتنی بر مکانیک کوانتومی که رفتار ذرات باردار را توصیف می کند، به قدری دقیق است که برخی از پیش بینی هایش تا یک قسمت در میلیارد با نتایج تجربی مطابقت می کند. دقت در این اندازه گیری مانند اندازه گیری پهنای ساحل تا ساحل ایالات متحده خواهد بود و به اندازه ی بیش از قطر تار موی انسان اختلاف ندارد. با آنکه بعضی از دانشمندان ماهیت تصادفی جهان هستی را که به وسیله ی مکانیک کوانتومی مطرح می شود دوست ندارند، کارایی و دقت آن را نمی توانند انکار کنند. مفهوم حالت های نامعین به نظر می رسد ایده ی دیگری باشد که فقط برای اجسام کوچک یا ذرات به خوبی مناسب است – این آن مطلبی است که شرودینگر هنگام مطرح ساختن آزمایش گربه ی خود ابراز کرد. اما با وجود آزمایش تخیلی شرودینگر، اگر کاربردهایی بزرگتر در دنیای ماکروسکوپی وجود داشته باشند عده ای از افراد شگفت زده می شوند. برای مثال، طول موج الکترون ها تفکیک پذیری میکروسکوپ الکترونی را تعیین می کند. شاید وجود حالت های نامعین بتواند مفید باشد.
دردهه ۱۹۷۰ ، فیزیکدان آمرکایی رچارد فاینمن ، که جایزه نوبل ۱۹۶۵ فیزیک را همراه با سین- ایترو توموناگا و یولیان شوینگر به خاطر کارشان در زمینه الکترودینامیک کوانتومی برد، کامپیوتری قوی را مجسم کرد که در آن از حالت های نامعین در پردازش اطلاعات استفاده می شود. کامپیوترهای کنونی براساس داده های دو دویی کار می کنند که از رشته های طولانی با فقط دو عدد ۱ یا ۰ تشکیل می شوند. ۱ و ۰ را بیت می نامند و حالت های منطقی را ارائه می دهند که ذخیره سازی و پردازش آنها برای کامپیوترها آسان است. در آینده، کامپیوتری مبتنی بر مکانیک کوانتومی – کامپیوتر کوانتومی – ممکن است با داده های دو دویی نیز کار کند، ولی در این مورد حالت منطقی ممکن است ۱ و ۰ ، یا ترکیبی از هر دو باشد.
حالت های نامعین توصیف شده به وسیله ی مکانیک کوانتومی یک کامپیوتر کوانتومی با انعطاف پذیری بسیار بیشتر نسبت به دستگاه « کلاسیک » به دست می دهد. واحد پایه ای کامپیوتر کوانتومی را کوبیت می نامند و آمیزه ای از دو دویی ۱ و ۰ است. مزیت این است که چنین کامپیوتری حالت های کارکردی بسیار بیشتری دارد و می تواند داده ها را بصورت موازی پردازش کند – یعنی همه در زمان یکسان بجای آنکه بصورت پی در پی و هر یکی در یک زمان باشد.
بین کامپیوترهای کلاسیک و کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده تفاوت اساسی وجود دارد. یک کامپیوتر کلاسیک بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک دستورات از پیش تعیین شده ای را اجرا می‌کند، 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 بیت‌ها از طریق گیتهای منطقی بولین که سری هستند برای نتیجه ی نهایی دستکاری می شوند به طور مشابه یک کامپیوتر کوانتومی، کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی را با اجرای یک از گیت‌های کوانتومی دستکاری می کندو هر واحد انتقال بر روی یک تک کوبیت یا یک جفت کوبیت عمل می کند. با به کار بردن این کمیت‌های متوالی یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه ای از کوبیت‌ها در بعضی حالات ابتدایی ایجاد کند. پیشبرد پروژه ایجاد کامپیوتر کوانتومی در یک کامپیوتر کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای کامپیوتری معمولی از اتم‌ها و سایر ذرات ریز برای پردازش اطلاعات استفاده می شود. یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در کامپیوتر عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می پذیرد.کریس مونرو و همکارانش در دانشگاه میشیگان برای ذخیره اطلاعات با استفاده از حالت مغناطیسی اتم از یک اتم کادمیم به دام افتاده در میدان الکتریکی استفاده کردند. در این روش انرژی توسط یک لیزر به درون اتم پمپاژ شده و اتم وادار به گسیل فوتونی می‌شود که رونوشتی از اطلاعات اتم را در بر دارد و توسط آشکارساز قابل تشخیص است. ذخیره اطلاعات در کامپیوترها به صورت سری هایی از بیت‌های با حالت‌های روشن و خاموش صورت می گیرد. در اتم کادمیم در صورتی که میدان‌های مغناطیسی کوچک هسته و الکترون‌های بیرونی در یک جهت قرار بگیرند روشن و در خلاف جهت خاموش محسوب می شوند. کریس مونرو گفته است: اتم کادمیم در هریک از این حالات که باشد می تواند هزاران سال در همان حالت بماند.
یک کامپیوتر کوانتومی ۳۰ کیوبیتی قدرتی معادل کامپیوتری معمولی با توانایی انجام ۱۰ ترا محاسبه بر روی اعداد اعشاری در یک ثانیه _ ترافلاپس ( Teraflops )- دارد. سریع ترین ابرکامپیوتر کنونی سرعتی برابر ۲ ترافلاپس دارد.

یک کامپیوتر کوانتومی را در داخل یک الماس جاسازی کرده اند. دلیل اینکار حفاظت کامپیوتر در مقابل به هم خوردن همدوسی (decoherence) اعلام شده که در نتیجه نویز به وجود می‌آید.
این کامپیوتر کوانتومی تنها شامل دو بیت کوانتومی (که کوابیت خوانده می‌شوند) است که هر کدام از ذرات زیراتمی ساخته شده اند.
این الماس هم مانند همه الماس‌های دیگر دارای ناخالصی است یعنی ماده تشکیل دهنده آن حاوی عناصری به جز کربن است. در این کامپیوتر کیوبیت اول از یک هسته نیتروژن ساخته شده هسته کیوبیت دوم، یک الکترون در نظر گرفته شده است. اسپین این دو ذره به عنوان اطلاعات کیوبیت (وضعیت روشن و خاموش بودن آن‌ها) در نظر گرفته شده‌اند. در حالت کلی الکترون‌ها کوچکتر از هسته‌ها هستند و در نتیجه امکان پردازشی سریعتری فراهم می‌کنند ولی به همین دلیل نیز راحت‌تر تحت تاثیر نویز قرار گرفته، دچار عدم همدوسی می‌شوند.

اما کامپیوتر های کوانتومی هنوز راه زیادی برای پیمودن و پیشرفت دارند. آنها برای مواجه شدن با مشکلات دنیای واقعی باید حداقل چندین جین کیوبیت داشته باشند.
از کامپیوتر های کوانتومی می توان برای رمز گذاری و رمز گشایی استفاده کرد اگر امروز یکی از آنها وجود داشت دیگر هیچ اطلاعاتی بر روی اینترنت ناامن نبود.

  • موضوعات مطالب

  • آمار و امکانات

    تعداد بازديد : 1301
    تعداد نوشته ها : 1
    تعداد نظرات : 0
X