رایانه های کوانتومی چگونه اند؟

+5 رای

رایانه ها ی کوانتومی چه تفاوتی با رایانه ها ی رایج امروزی دارند و چگونه کار می کنند؟ چه قوانینی در کارکرد این رایانه ها صدق می کند؟

پرسیده شد 4 اسفند 1392 در مکانیک کوانتوم توسط آرش اهل دل (7,740 امتیاز)

2 پاسخ

+3 رای

اغلب کامپیوترهای دیجیتال امروزی بر اساس ماشین تورینگ ساخته شده اند.این ماشین دستگاهی است فرضی،شامل نواری با طول نامحدود که هر خانه در آن میتواند یک علامت(مثلا صفر یا یک)را در خود جای دهد یا خالی بماند.یک هد خواندن نوشتن میتواند این علائم را خوانده ودستورالعمل های لازم را برای اجرا به ماشین بدهد.کامپیوترهای امروزی بر همین مبنا با بایت هایی کار میکنند که میتوانند روشن یا خاموش، صفر یا یک باشند.
این کامپیوترها هر بیت داده را با حضور یا عدم حضور الکترون ها روی یک ترانزیستور متمایز می کنند.یک الکترون می تواند دارای حرکت چرخشی یا اسپینی با جهت خاص یا خلاف آن جهت باشد یا حتی می تواند دارای ترکیبی از اسپین های مختلف باشد. از همین ویژگی الکترون ها می توان برای مقداردهی استفاده کرد، الکترون در اسپینی با یک جهت مشخص صفر و در اسپینی خلاف جهت آن یک تلقی شود. فیزیک کوانتوم می گوید که الکترون دارای احتمالی از اسپین در یک جهت یا جهت دیگر است. اما تا زمانی که حرکت آن را سنجید نمی توانید در یابید که در کدام جهت می چرخند. تقریبأ می توان گفت ، جهت چرخش الکترون غیر قابل پیش بینی است و به همین ترتیب یک بیت اطلاعات کوانتومی یا کیوبیت (Qubit) می تواند غیر قابل پیش بینی باشد.یعنی به طور همزمان هم صفر و هم یک باشد. همین نامعلومی نتیجه جالبی در پی دارد که وقتی به جای یک کیوبیت دو کیوبیت را مجسم کنید، ملموس تر خواهد بود: دو کیوبیت ما می توانند در یک زمان ،ترکیبی از تمام حالت های ممکن را ایجاد کنند:هر دو صفر (۰،۰)،هر دو یک (۱،۱) اولی صفر و دومی یک (۱،۰)و اولی یک و دومی صفر (۰،۱) با اضافه کردن یک کیوبیت دیگر و بررسی تمام حالات (۱۱۱،۱۱۰،۱۰۱،۱۰۰،۰۱۱،۰۱۰،۰۰۱،۰۰۰)به سادگی در می یابیم که اگر n تعداد کیوبیت ها باشد ،n2 حالت ممکن وجود خواهد داشت . پس با در نظر گرفتن این که یک کامپیوتر مبتنی بر بیت های کوانتومی تعداد حالات پایه بیشتری نسبت به کامپیوترهایی بر پایه بیت های معمولی دارد، به طور همزمان می تواند دستورات بیشتری اجرا کند.
مشکل اصلی در ساخت اولیه کامپیوترهای کوانتومی آن بود که باید اطمینان حاصل می شد یک کیوبیت در حالت کوانتومی و اعجاب انگیز “هم صفر و هم یک ” یا به زبان فزیک دانان هم دوسی (coherence) قرار دارد. یکی از ویژگی های ذاتی خصلت کوانتومی ذرات وجودیا عدم آن تحت تأثیر عوامل بیرونی است، ضربه ناشی از برخورد یک مولکول هوای ولگرد ،یک تغییر ناگهانی در میدان مغناطیسی ،کمانه کردن تصادفی یک پروتون و … به معنای ناپدید شدن آنی “هم دوسی” است و با این اتفاق شما دیگر چیزی به نام کامپیوتر کوانتومی نخواهید داشت . بر این اساس برای ساخت چنین کامپیوتری باید آن را کاملأ از بقیه دنیا ایزوله کرد. اما مسئله اینجا است که ایزوله کردن مطلق چنین کامپیوتری شدنی نیست ، زیرا به هر حال شما باید داده ها را به آن وارد و نتیجه خروجی آن را دریافت کنید. با این اوصاف ، اگر قرار است کامپیوتر کوانتومی را مطلقأ تنها بگذارید ، پس چگونه می توانید آن را کنترل کنید ؟
نتایج دو پژوهش مهم تقریبأ کامپیوترهای کوانتومی را از فراموش شدن نجات داد . نخستین آن ها کشف یک الگوریتم ضرب توسط پیتر شور از آزمایشگاه عملی تحقیقاتی AT&T بود. ضرب اعداد بسیار بزرگ ، یکی از مهم ترین مشکلات دانش کامپیوتر است . در واقع با بزرگ تر شدن تعداد ارقام عددهایی که قرار است در هم ضرب شوند ، زمان لازم برای این کار به طور نمایی افزایش می یابد. تا جایی که زمان لازم ضرب اعداد چند صد رقمی از طول عمر جهان بیشتر خواهد شد.شور ثابت کرد که ضرب عددی چهار صد رقمی ، که یافتن حاصل آن برای یک کامپیوتر معمولی میلیاردها سال به طول خواهد انجامید ، به کمک یک کامپیوتر کوانتومی ظرف یک سال امکان پذیر است .
از سوی دیگر بر اساس آزمایش هایی که تقریبأ در همان سال ها توسط ‌seth LIoyd فیزیکدان MIT انجام گرفت ، ساخت کامپیوترهای کوانتومی واقعی تر به نظر می رسید. للوید ، در سال ۱۹۹۳ نشان داد، محاسبات کوانتومی به کمک کیوبیت هایی که به صورت آرایه ای منظم ردیف شده اند، قابل انجام است . مدت کوتاهی پس از آن در ۱۹۹۶ اسحاق چانگ از مرکز پژوهش های AImaden شرکت IBM و نیل گر شنفیلد از MIT راهی نوین برای ساختن کامپیوتری با این شیوه پیدا کردند.آن ها به جای استفاده از الکترون یا فوتون ها کیوبیت های مورد نیاز را در قلب هر اتم یعنی هسته آن ایجاد کردند: پروتون ها و نوترون ها نیز دارای اسپین هستند. در شرایطی که برخی از اسپین های منفرد با یکدیگر یک زوج یا کوپل ایجاد کرده و یکدیگر را خنثی می کنند، در برخی از ایزوتوپ ها تعدادی از آن ها باقی می مانند و به این ترتیب اسپینی با دو جهت مختلف وجود خواهد داشت.
کیوبیت های هسته به چند دلیل جذاب هستند.نخست آن که شما میتوانید آنها را با استفاده از هر ایزوتوپ هسته که دارای اسپین باشد،بسازید ودیگر آنکه چنین سیستمی دارای بیشترین هم دوسی ممکن در جهان است.هسته هر اتم به کمک ابری متراکم از الکترون های دور آن از جهان بیرون ایزوله است، به علاوه با وجود مولکولها در طبیعت برای در کنار هم قرار دادن آنها نیازی به مهندسی کیوبیت ها در مقیاس نانو نیست.
طی سالهای بعدبا کشف الگوریتم های تصحیح خطا پژوهشگران این عرصه ثابت کردند که کامپیوترهای کوانتومی به آن شکنندگی که تصور میکردند نیستند.با آغاز قرن۲۱شرکت ها و مؤسسات مختلفی از سراسر دنیا در پیشرفت ساخت کامپیوترهای کوانتومی موثر بودند.نخستین کامپیوتر۷کیوبیتی در سال در سال۲۰۰۰معرفی شد.نخستین محاسبه کوانتومی روی یک یون کلسیم منفرد در سال ۲۰۰۲انجام گرفت و اولین حافظه کوانتومی نیز با استفاده از رشته ای از اتم های سزیم در سال ۲۰۰۴ساخته شد ودر سال ۲۰۰۷ یک شرکت کانادایی مدعی شد موفق به ساخت یک کامپیوتر کوانتومی۲۸بیتی شده است.اینها نشان از روند پیشرفت ساخت چنین کامپیوترهایی است. با این همه هنوز تا تولید یک کامپیوتر کوانتومی کاربردی راه زیادی در پیش است

پاسخ داده شد 9 اسفند 1392 توسط Baran (310 امتیاز)
0 رای

رایانهٔ کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده می‌کند. کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود.

اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده است. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis) حمایت می‌کنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور، Shor's Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.
(-:

پاسخ داده شد 27 فروردین 1395 توسط badboy (10,410 امتیاز)

پرسشهای مرتبط

+1 رای
0 پاسخ
137 بازدید
0 رای
1 پاسخ
149 بازدید
+5 رای
4 پاسخ
179 بازدید
+6 رای
1 پاسخ
375 بازدید
+1 رای
1 پاسخ
57 بازدید
...