با این حال، آنها کامپیوترهای معمولی را از بین نخواهند برد. استفاده از یک ماشین کلاسیک همچنان ساده ترین و مقرون به صرفه ترین راه حل برای مقابله با اکثر مشکلات خواهد بود. اما کامپیوترهای کوانتومی نویدبخش پیشرفت‌های هیجان‌انگیز در زمینه‌های مختلف، از علم مواد گرفته تا تحقیقات دارویی هستند.

شرکت‌ها در حال آزمایش با آنها هستند تا چیزهایی مانند باتری‌های سبک‌تر و قوی‌تر برای ماشین‌های الکتریکی تولید کنند و به تولید داروهای جدید کمک کنند.

راز قدرت یک کامپیوتر کوانتومی در توانایی آن برای تولید و دستکاری بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها نهفته است.

کیوبیت چیست؟

کامپیوترهای امروزی از بیت ها استفاده می کنند – جریانی از پالس های الکتریکی یا نوری که نشان دهنده 1 یا 0 است. همه چیز از توییت‌ها و ایمیل‌های شما گرفته تا آهنگ‌ها و ویدیوهای شما اساساً رشته‌های طولانی این ارقام صفر و یکی هستند.

اما کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کند که معمولاً ذرات زیراتمی مانند الکترون‌ها یا فوتون‌ها هستند. تولید و مدیریت کیوبیت ها یک چالش علمی و مهندسی است. برخی از شرکت ها برای مدیریت کیوبیت‌ها، مانند IBM، Google و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانا استفاده می کنند که تا دمایی پایین تر از اعماق فضا، خنک می شوند.

برخی دیگر، مانند IonQ، اتم‌های منفرد را در میدان‌های الکترومغناطیسی روی یک تراشه سیلیکونی در محفظه‌هایی با خلاء فوق‌العاده به دام می‌اندازند. در هر دو مورد، هدف جداسازی کیوبیت ها در یک حالت کوانتومی کنترل شده است.

کیوبیت ها دارای برخی ویژگی های کوانتومی عجیب و غریب هستند که به این معنی است که یک گروه متصل از آنها می توانند قدرت پردازش بیشتری نسبت به همان تعداد بیت دودویی ارائه دهند. یکی از آن ویژگی ها به نام برهم نهی و دیگری به نام درهم تنیدگی شناخته می شود.

برهم نهی چیست؟

کیوبیت ها می توانند چندین ترکیب ممکن از 1 و 0 را به طور همزمان نشان دهند. این توانایی همزمانی در چندین حالت برهم نهی نامیده می شود. برای قرار دادن کیوبیت ها در برهم نهی، محققان آنها را با استفاده از لیزرهای دقیق یا پرتوهای مایکروویو دستکاری می کنند.

به لطف این پدیده شهودی، یک کامپیوتر کوانتومی با چندین کیوبیت در برهم نهی می‌تواند تعداد زیادی از نتایج بالقوه را به طور همزمان شکست دهد. نتیجه نهایی یک محاسبات تنها زمانی پدیدار می‌شود که کیوبیت‌ها اندازه‌گیری شوند، که بلافاصله باعث می‌شود حالت کوانتومی آنها به 1 یا 0 فرو بریزد.

درهم تنیدگی چیست؟

محققان می‌توانند جفت‌هایی از کیوبیت‌ها را تولید کنند که «درهم‌تنیده» هستند، به این معنی که دو عضو یک جفت در یک حالت کوانتومی واحد وجود دارند. تغییر وضعیت یکی از کیوبیت‌ها، فوراً وضعیت دیگری را به روشی قابل پیش‌بینی تغییر می‌دهد. این اتفاق حتی اگر آنها با فاصله‌ای بسیار دور از هم قرار بگیرند، رخ می‌دهد.

هیچ کس واقعاً نمی داند که چگونه یا چرا درهم تنیدگی کار می کند. این حتی انیشتین را گیج کرد، که آن را به عنوان معروف “عمل شبح آور از راه دور” توصیف کرد. اما این کلید قدرت کامپیوتر کوانتومی است. در یک کامپیوتر معمولی، دو برابر شدن تعداد بیت ها، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند. اما به لطف درهم تنیدگی، افزودن کیوبیت‌های اضافی به یک کامپیوتر کوانتومی باعث افزایش تصاعدی در توانایی محاسبات پیچیده ریاضی می‌شود.

کامپیوتر کوانتومی کیوبیت‌های درهم‌تنیده را در نوعی زنجیره کوانتومی مهار می‌کنند تا جادوی خود را انجام دهد. دلیل سر و صدای زیاد در مورد پتانسیل این کامپیوتر‌ها، توانایی زیاد این ماشین‌ها برای سرعت بخشیدن به محاسبات با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی طراحی‌شده مخصوص است.

این خبر خوب است. خبر بد این است که کامپیوتر کوانتومی به دلیل عدم انسجام، نسبت به کامپیوترهای کلاسیک مستعد خطاست.

عدم انسجام چیست؟

برهمکنش کیوبیت ها با محیطشان به گونه ای که باعث تحلیل رفتن رفتار کوانتومی آنها و در نهایت ناپدید شدن آنها شود، عدم انسجام نامیده می شود.

حالت کوانتومی کیوبیت‌ها بسیار شکننده است. کوچک‌ترین ارتعاش یا تغییر دما – اختلالاتی که در مباحث کوانتومی به عنوان “نویز” شناخته می‌شود – می‌تواند باعث شود قبل از اینکه کارشان به درستی انجام شود، از برهم‌نهی خارج شوند. به همین دلیل است که محققان تمام تلاش خود را برای محافظت از کیوبیت ها در برابر دنیای بیرون از یخچال های فوق خنک و محفظه های خلاء استفاده می‌کنند.

اما علیرغم تلاش آنها، نویز همچنان باعث اشتباهات زیادی در محاسبات می شود. الگوریتم‌های کوانتومی هوشمند می‌توانند برخی از این موارد را جبران کنند و افزودن کیوبیت‌های بیشتر نیز کمک می‌کند. با این حال، احتمالاً هزاران کیوبیت استاندارد برای ایجاد یک کیوبیت واحد و بسیار قابل اعتماد که به عنوان کیوبیت “منطقی” شناخته می شود، نیاز است. این امر ظرفیت محاسباتی یک کامپیوتر کوانتومی را کاهش می دهد.

و نکته مهم اینجاست: تا کنون، محققان نتوانسته اند بیش از 128 کیوبیت استاندارد تولید کنند. بنابراین ما هنوز سال‌ها با دستیابی به رایانه‌های کوانتومی مفید و در دسترس فاصله داریم.

این امید پیشگامان را برای اینکه جزء اولین کسانی باشند که «برتری کوانتومی» را نشان می‌دهند، از بین نبرده است.

برتری کوانتومی چیست؟

این نقطه‌ای است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یک محاسبات ریاضی را انجام دهد که از توانایی قوی‌ترین ابررایانه‌ها نیز خارج است.

هنوز مشخص نیست که دقیقاً چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف مورد نیاز است، زیرا محققان به یافتن الگوریتم‌های جدید برای افزایش عملکرد ماشین‌های کلاسیک ادامه می‌دهند و سخت‌افزار ابر محاسباتی بهتر می‌شود. اما محققان و شرکت‌ها به سختی تلاش می‌کنند تا این عنوان را به خود اختصاص دهند و آزمایش‌هایی را در مقابل برخی از قدرتمندترین ابررایانه‌های جهان انجام دهند.

در دنیای تحقیقات بحث های زیادی در مورد اینکه دستیابی به این نقطه عطف چقدر خواهد بود وجود دارد. شرکت ها به جای اینکه منتظر اعلام برتری باشند، در حال حاضر شروع به آزمایش کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده توسط شرکت هایی مانند IBM، Rigetti و یک شرکت کانادای به نام D-Wave،نموده‌اند.

شرکت های چینی مانند علی بابا نیز دسترسی به ماشین های کوانتومی را ارائه می دهند. برخی از کسب و کارها کامپیوتره کوانتومی را می خرند، در حالی که برخی دیگر از رایانه هایی استفاده می کنند که از طریق خدمات کامپیوتری ابری در دسترس هستند.

یک کامپیوتر کوانتومی احتمالاً در ابتدا کجا بیشتر از همه مفید است؟

یکی از امیدوارکننده ترین کاربردهای کامپیوتر کوانتومی برای شبیه سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. سازندگان خودرو مانند فولکس واگن و دایملر از رایانه‌های کوانتومی برای شبیه‌سازی ترکیب شیمیایی باتری‌های خودروهای الکتریکی استفاده می‌کنند تا به یافتن راه‌های جدیدی برای بهبود عملکرد آنها کمک کنند. و شرکت های داروسازی از آنها برای تجزیه و تحلیل و مقایسه ترکیباتی استفاده می کنند که می تواند منجر به ایجاد داروهای جدید شود.

ماشین‌ها همچنین برای مسائل بهینه‌سازی عالی هستند، زیرا می‌توانند از طریق تعداد زیادی از راه‌حل‌های بالقوه بسیار سریع برخورد کنند. به عنوان مثال، ایرباس از آنها برای کمک به محاسبه کم مصرف ترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما استفاده می کند.

فولکس واگن سرویسی را رونمایی کرده است که مسیرهای بهینه اتوبوس و تاکسی را در شهرها محاسبه می کند تا ازدحام به حداقل برسد. برخی از محققان همچنین فکر می کنند که این ماشین ها می توانند برای سرعت بخشیدن به هوش مصنوعی مورد استفاده قرار گیرند.

ممکن است چند سال تا دستیابی به پتانسیل کامل کامپیوتر کوانتومی طول بکشد. دانشگاه‌ها و کسب‌وکارهایی که روی آن‌ها کار می‌کنند، با کمبود محققان ماهر در این زمینه و کمبود تامین‌کنندگان برخی از اجزای کلیدی مواجه هستند. اما اگر این ماشین‌های محاسباتی جدید عجیب و غریب به وعده‌های خود عمل کنند، می‌توانند کل صنایع را متحول کنند و نوآوری جهانی توربوشارژ را افزایش دهند.

منبع : MIT technology review