کامپیوترکوانتومی(5)

ابزارهای تجربی کامپیوتر های کوانتومی

همراه با دشواری های فنی اصلی کارکردن درسطح یک اتم تنها،یکی از مهمترین مشکلات در ساختن یک کامپیوتر کوانتومی آنست که بایداز تاثیر متقابل محیط پیرامون با حالت برهم نهی زودگذر وناپایدارپیشگیری نماییم.درهرصورت پیشنهادات تجربی وآزمایشگاهی برای ساخت یک کامپیوترکوانتومی درخلال 5 سال گذشته سریعا روبه رشدگذاشته است.این ها شامل سیستم های به دام انداختن یون ها (Ion trap systems)،سیستم های تشدید مغناطیسی هسته ای(Nuclear Magnetic Resonance)،سیستم های حالت جامد،اپتیک کوانتومی،پیشنهادات نقطه کوانتومی،کیوبیت های فوق هادی(Superconducting qubits) وبسیاری دیگرمی باشد.به واقع دامنه شگفت انگیزی که از نظریات موجود وجوددارد، تقریبا هرشاخه ای ازفیزیک رانشان می دهد.

زمینه تحقیقاتی محاسبه کوانتومی ،براستی یک زمینه ی چند موضوعی است که درآن ازفصل مشترک چندرشته علمی استفاده می شودونظریاتی راباهم ازتئوری اطلاعات کلاسیک ،دانش کامپیوتر،فیزیک کوانتوم،الکترونیک مولکولی وخودآرایی به همراه می آورد.

مقاله مروری   Divincenzo  به پنج شرط اصلی برای کامل شدن ابزارهای فیزیکی لازم برای محاسبه ی کوانتومی می پردازدکه عبارتند از:

* سیستم های فیزیکی که قابلیت تولید درمقیاس های گوناگون دارند باکیوبیت های کاملا مشخص که ازمحیط پیرامون خودبرای به حداقل رسیدن واهمدوسی قطع ارتباط کرده اند.

* قبل ازآغازمحاسبه،فهرست های داده ها بایستی به یک حالت معلوم ومشخص رسیده وبنیانگذاری شده باشد.وقتی که مجبور به داشتن توانایی اتصال کیوبیت ها به یکدیگر باشیم ،می توانیم درآغازمحاسبه داده ها راواردکامپیوترکنیم.

* توانایی گرفتن جواب وخواندن آن راازطریق اندازه گیری کیوبیت های ویژه داشته باشیم.

* زمان واهمدوسی برای کیوبیت ها بایستی خیلی طولانی تراززمان عملیات ورودی باشد.

* یک مجموعه مرجع ازبخش های ورودی کوانتومی داشته باشیم.

علیرغم این خطوط راهنمایی کلی،دراین مرحله ی ابتدایی ومقدماتی امکان پیش گویی این مسئله که کدامیک ازسیستم های فوق الذکر غالب وموثرواقع خواهد شد وجود ندارد.درحالی که چندین پیشنهاد موردتوجه واقع شده است،هریک مشکلات خاص خودراداراست.

درزیربه عنوان مثال سیستم های تشدید مغناطیسی هسته ای را مورد بررسی قرار می دهیم:

درموردسیستم های تشدید مغناطیسی هسته ای(NMR) ،دریایی ازمولکول ها دریک مایع می توانند همه ی مراحل را در یک محاسبه کوانتومی اجرا کنند :بارگذاری دریک شرایط اولیه ،اعما ل عملیات منطقی برای انطباق های در هم گره خورده وخواندن نتیجه نهایی.NMR،روی هسته های اتمی درون مولکول های سیال کارخودراانجام می دهد.وقتی که دریک میدان مغناطیسی قرارگرفتندهراسپین هسته همانندیک میله ی مغناطیسی بسیار کوچک عمل می کند،یادرجهت میدان موازی می گرددویا جهت توازی آن درخلاف جهت میدان اعمال شده خواهد بود.این متناظراست بادوحالت کوانتومی مختلف باانرژی های متفاوت که،به طو رطبیعی یک کیوبیت ازآن تشکیل شده است.دریک مایع مولکولی همیشه مازادی ازاسپین ها دریک جهت نسبت به جهت دیگروجودخواهدداشت وآن علامت ناشی ازاین مولکول های اضافی است(شاید فقط یک درمیلیون) که آشکارسازی شده وبرای اجرای محاسبه ،دستکاری شده است.

درواقع NMRبرای آشکارسازی حالت های اسپینی به کاررفته است.امواج رادیویی با فرکانس وزمان بندی صحیح برای جهش هسته ها از یک حالت اسپینی دریک جهت به حالت دیگر درجهت مخالف وبرعکس مورد استفاده قرار گرفته اند.بنابراین کامپیوتر کوانتومی را می توان به مثابه ی مولکول وکیوبیت ها راهمانند هسته های درون مولکول درنظرگرفت.به جای استفاده از یک مولکول منفردوتلاش برای جداکردن آن ازمحیط پیرامونش،نظریه NMR،ازتعداد زیادی ازمولکول های مایع استفاده می کند.

چندین مزیت برای این نظریه وجوددارند که عبارتند از:

* حتی اگر مولکول های مایع به طورپیوسته به یکدیگر برخوردکنند،این پدیده انرژی کافی رابرای تغییرحالت اسپین هسته ها که آن ها درآن واقع شده اند،فراهم نمی سازد.

* معلوم شده است که زمان واهمدوسی برای این تکنیک خیلی بیشتراززمان واهمدوسی است که تاکنون برای تکنیک های دیگر به دست آمده است واین مسئله ،این امکان رافراهم می سازدکه چندین هزارعملیات منطقی کوانتومی رابتوان اجراکرد.

بااستفاده ازسیستم NMR،نخستین ادراک عملی ازکامپیوترکوانتومی-الگوریتم کاوش گراور-اجراشده بود.این آغازبسیارتشویق کننده ای برای سیستم های NMRبوده است،اما تولید درمقیاس بزرگترازکیوبیت ها تبدیل به مسئله ی بزرگی شده است.هرچه تعداد مولکول ها زیادمی شود،علامت حاصل از اسپین های اضافی درسیستم فوق العاده ضعیف می شودوباعث می شود تاخواندن وآشکارسازی نتیجه سخت گردد.درحالی که نشان دادن واستفاده ازبالغ بر8 کیوبیت دراین سیستم اثبات شده وامکانپذیر بوده است،پیشرفت تافراترازده کیوبیت درسیستم های NMRمایع انتظار می رود که فوق العاده دشوارباشد.

اینکه آیا کامپیوترهای کوانتومی رامی توان درک نمود یاخیر،سوالی است که بحث های داغ بسیاری رابه دنبال داشته است.

درهرصورت ،برای تفوق جستن برشبیه سازی های کلاسیکی سیستم های کوانتومی تنها به چندده تاازکیوبیت هانیاز دارند،هدفی که درچنگ ماست.وقتی که نخستین ترانزیستور اختراع شده بود،هیچکس نمی توانست حدس بزندکه ازآن درکاربردهای مدرن کامپیوتر نظیر واژه پردازها ،پایگاه های اطلاعاتی ،شبکه های کامپیوتری واینترنت استفاده شود.وسایل الکترونیکی کوانتومی ،نویدنگاهی اجمالی ازموج جدیدی از کاربردهای تماشایی وجذاب مشابهی رادرقرن 21 به ارمغان می آوردوما راامیدوار می سازد.

گام تازه در تکمیل کامپیوترهای کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی که اجزای نظری و عملی آن گام به گام در حال تکمیل است و در صورت تکمیل شدن انقلابی بنیادین در عرصه پردازش اطلاعات به وجود خواهد آورد، یک گام دیگر به مرحله بهره برداری عملی نزدیک شده است.

فیزیکدانان تاکنون موفق شده بودند اطلاعات را در واحدهای کوانتومی (کیوبیت )در درون حالات مختلف اتم ها جای دهند، اما یکی از محدودیت هایی که با آن مواجه بودند آن بود که انتقال این اطلاعات از نقطه ای به نقطه دیگر مقدور نبود .

یک گروه از فیزیک دانان دانشگاه ژنو در سوییس توانسته اند بر این مشکل فائق آیند . فیزیکدانان برای ذخیره کردن اطلاعات در اتم ها از فوتون های نور استفاده می کنند و تجربه و نظریه نشان داده است بهترین طول موج برای فوتونی که برای ذخیره کردن کیو بیت ها به کار می رود، حدود  800 نانو متر است .

هر اتم با جذب فوتونی با این طول موج یک داده کوانتومی را در دل خود جای می دهد . اما انتقال این داده از یک ناحیه به ناحیه دیگر کار ساده ای نیست زیرا بهترین طول موج برای انتقال فوتون ها که از آن در فیبرهای نور استفاده می شود، معادل  1300 نانومتر است .

به این ترتیب بین طول موج مناسب برای ذخیره اطلاعات کوانتومی و طول موج مناسب برای انتقال آنها نوعی ناسازگاری وجود دارد . فیزیکدانان دانشگاه ژنو راهی برای غلبه بر این مشکل پیدا کردند . این محققان از یک بلور یا کریستال با مشخصه غیرخطی استفاده کردند که از این خاصیت برخوردار است که فوتون های نور با طول موجهای متفاوت را که به درون آن تابیده می شوند، وادار به تعامل با یکدیگر می کند . به این ترتیب این بلور خاص به عنوان یک مبدل طول موج به کار می رود به این معنی که فوتونی که با طول موج 1300نانومتر از یکسوی آن وارد می شود در درون دستگاه اطلاعات خود را به فوتونی با طول موج حدود 710 نانومتر تحویل می دهد .

نخستین حافظه قابل استفاده در کامپیوترهای کوانتومی

دانشمندان برای نخستین بار موفق شده اند یکی از اجزای اصلی حافظه قابل استفاده در رایانه های کوانتومی را به کمک رشته ای از اتم ها تولید کنند.

این حافظه از نوع "رجیستر"(register) است. ایده استفاده از بیتهای کوانتومی برای پردازش اطلاعات درکامپیوترهای کوانتومی، از ویژگی های کوانتومی مواد گرفته شده است.

در فیزیک کوانتومی، ذرات می توانند در هر لحظه دارای چندین وضعیت باشند و بیت های کوانتومی نیز با الگوبرداری از همین ویژگی ذرات، امکان انجام حجم عظیمی از محاسبات به طور همزان را فراهم می کنند.

رایانه ها امروزی با انجام عملیاتی نظیر مقایسه بیت های صفر و یک موجود در رجیسترها و ترکیب کردن این فعالیت ها با یکدیگر، به انجام محاسبات می پردازند.

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، الکترون های موجود در مدار هسته اتم های سزیوم را به وضعیت های کوانتومی جدید منتقل کردند.

فرایند کار بدین صورت است که پرتوی مایکروویو، الکترون ها را از مدارهای طبیعیشان در حول هسته اتم سزیوم خارج کرده و در فضای بین این مدارها جای می دهد و این وضعیت جدید اتم های سزیوم را می توان به کمک دوربین های دیجیتالی بسیار حساس شناسایی کرد.

نخستین کامپیوتر کوانتومی وارد بازار شد

پردازش کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی فناوری هایی هستند که آینده دنیای کامیپوترها را تشکیل داده اند. اگر به این آینده معتقد هستید باید بگویم که آغاز این دوران در مقابل شما است و هم اکنون به تصویر نخستین کامپیوتر کوانتومی نگاه می کنید که به صورت تجاری ساخته شده. احتمالا سال ها بعد از این کامپیوتر به عنوان یک محصول تاریخی نام برده می شود. ‏

 ‏

 شرکت D-wave سازنده این کامپیوتر است که نامش را D-Wave One  گذاشته و با انتشار مقاله ای در مجله Nature کار خودش را در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی اثبات کرده است. ‏

در تصویر بالا پردازشگر این کامپیوتر را می بینید که از نوع 128qubit است. اصطلاحی جدید که احتمالا در آینده آن را زیاد می شنویم.همان طورکه می دانیم Qbit کوچک ترین واحد اطلاعاتی در پردازش کوانتومی است و معاد ل Bit در کامپیوتراست. این پردازشگر فعلا فقط برای کارهای ویژه ای کاربرد دارد. و قرار است از این کامپیوتر برای پردازش های مرتبط با هوش مصنوعی و کارهای آماری استفاده شود.

اگر بخواهید می توانید همین الان یکی از این کامپیوترها را سفارش بدهید. البته حتما به یاد دارید که وقتی نخستین کامپیوترها ساخته شدند چه قیمت هایی داشتند؟ برای داشتن اولین کامپیوتر کوانتومی هم باید 10 میلیون دلار بپردازید