کامپيوتري که روي ميز تحرير شما جا خوش کرده، براي کارکردن بايد يک مشت صفر و يک را بفهمد و دستکاري کند. همه اطلاعات اعم از حروف و اعداد يا وضعيت مودم و موس شما با مجموعه اي از بيت هاي متشکل از صفرها و يک ها به کامپيوتر داده مي شود. درکامپيوترهاي معمولي قوانين فيزيک کلاسيک حاکم است،بيت هاي اطلاعات، خيلي ساده تعريف مي شوند؛ سوئيچ هاي الکتريکي مي توانند روشن يا خاموش باشند، اشيا مي توانند اينجا باشند، مي توانند هم نباشند! ولي کامپيوترهاي کوانتومي با طبيعت دودويي هاي فيزيک کلاسيک محدود نمي شود ،كامپيوتر كوانتومي دستگاهي است كه يك پديده ي فيزيكي را بر اساس قوانين فيزيک كوانتومي به صورت منحصر به فردي در مي آورد تا به صورت اساسي يك حالت جديداز پردازش اطلاعات را تشخيص دهد. در واقع روش بهتر و  قدرتمندتر براي پردازش اطلاعات پيش رويمان ،براساس فيزيک كوانتومي مي باشد.دراين مطلب به بيان تاريخچه وتفاوت هاي کامپيوترهاي کوانتومي وکلاسيک مي پردازيم و نحوه برقراري ارتباط رادرکامپيوترهاي کوانتومي شرح مي دهيم.

کامپيوتر تنها بخشي از دنيايي است که ما آنرا دنياي ديجيتالي مي ناميم. پردازش ماشيني اطلاعات، در هر شکلي، بر مبناي ديجيتال و محاسبات کلاسيک انجام مي شود. اما روش بهتر براي پردازش اطلاعات بر اساس مکانيک کوانتومي مي باشد. اين روش جديد با ويژگي هايي همراه است که آنرا از محاسبات کلاسيک بسيار متمايز مي سازد. گرچه محاسبات دانشي است که اساس تولد آن در رياضيات بود، اما کامپيوترها سيستم هايي فيزيکي هستند و فيزيک در آينده اين دانش نقش تعيين کننده اي خواهد داشت. البته وجود تفاوت بين اين دو به معناي حذف يکي و جايگزيني ديگري نيست. به قول «نيلز بور» گاهي ممکن است خلاف يک حقيقت انکار ناپذير منجر به حقيقت انکار ناپذير ديگري شود. بنابراين محاسبات کوانتومي را به عنوان يک زمينه و روش جديد و بسيار کارآمد مطرح مي کنيم. وجود چند پديده مهم که مختص فيزيک کوانتومي است، آن را از دنياي کلاسيک جدا مي سازد. اين پديده ها عبارتند از: بر هم نهي(superposition) ، تداخلinterference) ، درهم تنيدگي(Entanglement) ، نا جايگزيدگي (non locality) و تکثير ناپذيري (non clonability)  .

براي بررسي اثرات اين پديده ها در اين روش جديد، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومي را معرفي کنيم. 

 هر سيستم محاسباتي داراي يک پايه اطلاعاتي است که نماينده کوچکترين ميزان اطلاعات قابل نمايش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسيک اين واحد ساختاري را بيت مي ناميم که گزيده ي واژه ي«عدد دودويي» است زيرا مي تواند تنها يکي از دو رقم مجاز صفر و يک را در خود نگه دارد. به عبارت ديگر هر يک از ارقام ياد شده در محاسبات کلاسيک، کوچک ترين ميزان اطلاعات قابل نمايش محسوب مي­شوند. پس سيستم هايي هم که براي اين مدل وجود دارند بايد بتوانند به نوعي اين مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومي هم  چنين پايه اي معرفي ميشود که آنرا کيوبيت (qubit) يا بيت کوانتومي مي ناميم.

يک بيت کوانتومي (که به آن "کيوبيت"اطلاق مي گردد )ممکن است درحالت هاي کلاسيک صفر يا يک وجودداشته باشد،يا ترکيبي از اين دو(يعني درآن واحد،مقادير صفرويک را به طورهمزمان داشته باشيم "حالت برهم نهي ") يا حتي معرف عددي باشند که حالت آنها را جايي بين صفر و يک تعيين مي کند. با توجه به مکانيک کوانتومي، نمي توان دقيقاً وجود يا عدم وجود يک ذره ريز را مشخص کرد. مي توان به وسيله آمار و احتمال، امکان وجود اين ذره هاي ريز را در مکان و زمان مشخصي تعيين کرد، اما هيچ راهي براي دانستن قطعي اين که آيا اين ذره آنجا هست يا نه، تا وقتي که آن را مستقيماً نديده ايم وجود ندارد. البته آنچه که در کامپيوترهاي کوانتومي با ارزش است همين احتمالات است. .

تاريخچه کامپيوتر کوانتومي

نظريه کامپيوترکوانتومي ازسال 1982مطرح بوده است از زماني که فيزيک دان مشهور و برنده جايزه نوبل «ريچارد فاينمن » براي نخستين بار ، پيشنهاد كرد كه بايد محاسبات از دنياي ديجيتال وارد دنياي جديدي به نام كوانتوم شود،همچنين بيان کرد کامپيوتر کوانتومي چگونه ممکن است کار کند. اين پيشنهاد تا اوايل سال1990مورد توجه جدي قرار نگرفت وبه صورت آکادميک باقي ماند،البته در سال 1985،دويتش متوجه شد که اظهارات فاينمن ، مي تواند تدريجاً به ساخت کامپيوتر کوانتومي منجر شودو مقاله اي را منتشر کرد مبني بر اينکه اصولاً هر فرآيند فيزيکي را مي توان به خوبي با کامپيوترهاي کوانتومي مدل سازي کرد. بالاخره در 1994 « پيتر شور» نخستين گام را براي  محقق كردن اين آرزو برداشت. وقتي که بعضي از مشکلات کليدي کامپيوتر هاي معمولي نشان داده شد ، کامپيوترهاي کوانتومي در اصل مي توانستند خارج از رونوشت هاي کلاسيکي خود محاسبات را انجام و اجرا نمايند يعني کارايي بسيار بالاتري را نسبت به کامپيوترهاي معمولي از خود نشان مي داد ند. وي مقاله اي را منتشر نمود که حاوي روشي براي استفاده از کامپيوترهاي کوانتومي در حل مشکل پيچيده اي در نظريه اعداد،به نام فاکتورگيري بود.او نشان داد که چگونه يک مجموعه از عمليات رياضي که منحصراً براي کامپيوترهاي کوانتومي طراحي شده اند ، مي توانند چنين دستگاهي را به انجام فاکتورگيري از اعداد بيشماري با سرعت بالاتر از کامپيوتر هاي کلاسيک ، قادر سازد با اين اختراع ، محاسبات کوانتومي از يک کنجکاوي به يک توجه جهاني تبديل شد.

از آن موقع به بعد، گروههاي تحقيقاتي در سرتاسر دنيا مسابقه اي را براي پيش قدم شدن در ساخت يک سيستم عملي آغاز نمودند. به اين ترتيب ارتباط نويني بين نظريه ي اطلاعات و فيزيک كوانتومي شروع به شکل گيري کرد که امروزه انرا محاسبات کوانتومي يا محاسبات نانو متري  (Nano Computing ) مي ناميم .محاسبات کوانتومي مشكلات گذشته را برطرف مي سازدو افق جديدي را ايجا دمي کند.

 قدرت خارق العاده کامپيوتر کوانتومي در نتيجه وقوع پديده اي موسوم به توازي کوانتومي، مکانيزمي که انجام و اجراي محاسبات حجيم ، زياد و مکرر را به طور همزمان  مقدور مي سازد. اين يک مقابله سخت و نيرومند و فرق نمايان و بزرگ با کامپيوترهاي کلاسيک است که قادرند تنها هر عمليات را فقط به صورت يک عمل در هر با ر و البته  خيلي سريع انجام دهند.

چه تفاوتي ميان يک کامپيوتر کوانتومي ويک کامپيوترکلاسيک وجود دارد؟

بين كامپيوتر هاي كوانتومي و كامپيوتر هاي كلاسيك تفاوت هاي اساسي وجود دارد:

1- در کامپيوتر هاي كوانتومي  به جاي استفاده از ترانزيستورها و مدارهاي رايانه اي معمولي از اتم ها و ساير ذرات ريزمانند نانو ذرات نيمه رسانا((نقاط کوانتومي- Quantum dots)) براي پردازش اطلاعات استفاده مي كنند.يك اتم مي تواند به عنوان يك بيت حافظه در رايانه عمل كند و جا به جايي اطلاعات از يك محل به محل ديگر نيز توسط نور امكان مي پذيرد. ذخيره اطلاعات در کامپيوترهانيز به صورت سري هايي از بيت هاي با حالت هاي روشن و خاموش صورت مي گيرد.

2- در مقايسه اين 2نوع کامپيوتر مي توان گفت،مسائلي که زماني تصور مي شد درکامپيوترهاي کلاسيک غير قابل حل است،درکامپيوتر هاي کوانتومي حل خواهد شدو شبيه سازي هاي صورت گرفته به واقعيت نزديک تر مي شود.حتي ابر کامپيوترها هم در برابر آنها رقيبي محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رساني نرم افزار ،Email،بانک هاي آنلاين و تمام قلمرو رمز نگاري عمومي و امضاهاي ديجيتال،فقط از دوروش رمز نگاري براي ايمن نگاه داشتن خود استفاده مي کنند.

RSAوECC (رمزنگاري منحني بيضي) دوروشي هستند که کشف رمز اين روشها،براي کامپيوترهاي کلاسيک تا حد زيادي ناشدني است.ولي يک کامپيوتر کوانتومي به اندازه کافي براي شکستن هردوي اين کدها،قدرتمند است.

 (ECCبراي امضاهاي ديجيتال استفاده مي شود،که اطمينان ميدهد يک پيغام واقعا توسط فرستنده مدعي،فرستاده شده است.RSAبراي بيشتر سيستمهاي رمزنگاري کليد عمومي استفاده ميشود،که در آن يک پيغام ،با يک کليد عمومي مجاز کدگذاري مي شود و بايد با قوانين رياضي مبتني بر کليد سرّي رمزگشايي شود. )

3-کامپيوترهاي کوانتومي از يک خاصيت ديگر هم سود مي برند که آنها را از کامپيوترهاي کلاسيک مستثني مي کند و آن انتقال از راه دور است.انتقال از راه دور موجب مي شود، اطلاعات يک ذره به ذره ديگري منتقل شود.درنتيجه کامپيوترهاي کوانتومي براي انتقال بيت در درون و بيرون ساختار خود ،نيازمند سيم نيستند.

4-تفاوت ديگر کامپيوترهاي کوانتومي با کامپيوترهاي کلاسيک اين است که،اندازه ترانزيستورها هر سال کوچکتر ميشود.وقتي اندازه ترانزيستورها به ابعاد اتمي نزديک مي شود،ديگر قوانين حاکم بر فيزيک کلاسيک بر رفتار اتم ها حاکم نيست.

به طور مثال کسي نميداند يک الکترون در زمان مشخصي ،دقيقاً در کجا قرار دارد يا کسي نميتواند به درستي تشخيص دهد که الکترون در يک سيم به کجا ميرود. يعني وقتي به ابعاد اتمي نزديک مي شويم،فيزيک کوانتومي رفتار اتم ها را توضيح ميدهد و ديگر قوانين فيزيک کلاسيک کاربرد ندارد.در واقع اين نوع  کامپيوترها با استفاده از فناوري هاي ميکروسکوپي ذره ها کار مي کنند.

5-همان طورکه مي دانيم دريک کامپيوتر کوانتومي نسبت به کامپيوترهاي کلاسيک ،اصول حاکم تغيير نموده اند.نه تنها،يک بيت کوانتومي، موسوم به کيوبيت مي توانددرحالت هاي صفرويک کلاسيک وجودداشته باشد بلکه همچنين مي تواننددرحالت برهم نهي قرارداشته باشد.هرگاه هر کيوبيت دريک کامپيوترکوانتومي درحالت برهم نهي واقع شده باشد ،آنگاه کامپيوتررامي توان درهرحالت ممکني مجسم کرد که آن کيوبيت هامي توانندازخودنشان دهند.درواقع کامپيوتر هاي کوانتومي مي تواند در يک زمان چندين حالت داشته باشد و اين امکان راايجادمي کند که ميليون ها بار سريع تر و قدرتمند تر از ابرکامپيوتر هاي فعلي کار کند. چند حالت پذيري کيوبيت ها همان دليلي است که باعث مي شود کامپيوتر هاي کوانتومي ذاتاً از پردازش موازي بهره ببرند. پردازش موازي امکان کار کردن بر روي ميليون ها محاسبه در يک لحظه را به اين کامپيوتر ها مي دهد در حالي که کامپيوتر شخصي شما فقط يک محاسبه در لحظه انجام مي دهد.

نحوه برقراري ارتباط درکامپيوترهاي کوانتومي

با توجه به ماهيت ساختار کامپيوترهاي کوانتومي،روش برقراري ارتباط آنها کاملاً متفاوت با کامپيوترهاي امروزي است. بدين صورت که پالس هاي راديويي نقش صفحه کليد را دارند،که به وسيله آن اطلاعات وارد کامپيوتر مي شود و دستگاه تشديد مغناطيسي که شبيه به دستگاه MRI بيمارستان است،نقش صفحه نمايش را ايفا مي کند و با ارائه تصوير مغناطيسي از توده مولکولها ، کامپيوتر توده محاسبات را به ما ميدهد.

از سوي ديگر بايد تلاش کرد ترانزيستورهايي از جنس مورد نظر ساخت،زيرا ترانزيستورها،عامل تقويت ولتاژ در مدارهاي الکترونيکي هستند و قدرت تقويت کنندگي آنها موجب افزايش سرعت کامپيوتر ها است.

اين ترانزيستورها تاثير مهمي در توليد کامپيوترهاي آينده دارند و در صورتي که در ابتدا يا انتهاي  ساختار آنها،ترکيبي با ديگر نيمه هادي ها به خصوص طلا ايجاد شود يا حتي روي پوسته آنها نيمه هادي مهمي چون «روي» قرار داده شود،گام مهمي براي توليد قدرتمندترين ترانزيستورها برداشته ايم.

در واقع زماني که اين نيمه هادي هاي ترکيب شده،به يک باطري متصل مي شوند و الکتريسيته دريافت مي کنند،همچون يک ترانزيستور عمل کرده و موجب تقويت ولتاژ در مدار و همچنين موجب افزايش سرعت کامپيوتر مي شوند.از آنجايي که جريان ورودي به اين نيمه هادي ها قابل کنترل است،جريان خروجي از آنها هم قابل کنترل است. اين ترکيب ها اين قابليت را دارند که در ساخت نقاط کوانتومي مورد استفاده در کامپيوترهاي نسل آينده استفاده شوند.

اين نقاط کوانتومي در واقع کريستال هايي از نوع نيمه هادي هستند،که قابليت ذخيره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.اين نقاط کوانتومي بهترين مکان براي ذخيره سازي اطلاعات در کامپيوترهاي پيشرفته هستند. از سوي ديگر در صورتي که بتوان نقاط کوانتومي را با يکديگر پيوند داد، مي توان آنها را به اندازه تنها چند سانتي متر مربع در ساختار سخت افزاري کامپيوترها جاي داد.به اين ترتيب هر سانتي متر مربع از درايورهاي ما مي توانند صدها گيگا بايت از اطلاعات را در خود ذخيره کنند.

   ادامه دارد...