محاسبات کوانتومی: تعریف، نحوه استفاده از آن همراه با مثال

محاسبات کوانتومی چیست؟

محاسبات کوانتومی حوزه ای از علوم کامپیوتر است که از اصول نظریه کوانتومی استفاده می کند. نظریه کوانتومی رفتار انرژی و مواد را در سطوح اتمی و زیر اتمی توضیح می دهد. محاسبات کوانتومی از ذرات زیراتمی مانند الکترون ها یا فوتون ها استفاده می کند. بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها به این ذرات اجازه می‌دهند در بیش از یک حالت (یعنی 1 و 0) به طور همزمان وجود داشته باشند.

از نظر تئوری، کیوبیت‌های متصل می‌توانند از تداخل بین حالت‌های کوانتومی موج مانند خود برای انجام محاسباتی استفاده کنند که ممکن است میلیون‌ها سال طول بکشد. کامپیوترهای کلاسیک امروزه جریانی از تکانه های الکتریکی (1 و 0) را به صورت دودویی برای رمزگذاری اطلاعات در بیت ها به کار می برند. این امر توانایی پردازش آنها را در مقایسه با محاسبات کوانتومی محدود می کند.

اقلام کلیدی

• محاسبات کوانتومی از پدیده های فیزیک کوانتومی برای ایجاد روش های جدید محاسبات استفاده می کند.
• محاسبات کوانتومی شامل کیوبیت است. 
• برخلاف یک بیت معمولی کامپیوتر که می تواند 0 یا 1 باشد، یک کیوبیت می تواند در حالت چند بعدی وجود داشته باشد.
• قدرت کامپیوترهای کوانتومی با افزایش کیوبیت به طور تصاعدی افزایش می یابد.
• رایانه‌های کلاسیک که بیت‌های بیشتری اضافه می‌کنند، می‌توانند تنها به صورت خطی قدرت را افزایش دهند.

آشنایی با محاسبات کوانتومی

حوزه محاسبات کوانتومی در دهه 1980 ظهور کرد. کشف شد که برخی از مشکلات محاسباتی را می توان با الگوریتم های کوانتومی کارآمدتر از الگوریتم های کلاسیک آنها حل کرد.

محاسبات کوانتومی این قابلیت را دارد که تعداد زیادی از امکانات را غربال کند و راه حل های بالقوه ای برای مسائل و چالش های پیچیده استخراج کند. در جایی که رایانه های کلاسیک اطلاعات را به صورت بیت با 0 یا 1 ذخیره می کنند، رایانه های کوانتومی از کیوبیت ها استفاده می کنند. کیوبیت ها اطلاعات را در حالت کوانتومی حمل می کنند که 0 و 1 را به صورت چند بعدی درگیر می کند.

چنین پتانسیل محاسباتی عظیم و سهم پیش بینی شده آن در بازار برای استفاده، توجه برخی از برجسته ترین شرکت ها را به خود جلب کرده است. از جمله: IBM، Microsoft، Google، D-Waves Systems، Alibaba، Nokia، Intel، Airbus، HP، Toshiba، Mitsubishi، SK Telecom، NEC، Raytheon، Lockheed Martin، Rigetti، Biogen، Volkswagen و Amgen. 

کاربردها و مزایای محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی می‌تواند کمک زیادی به حوزه‌های امنیتی، مالی، امور نظامی و اطلاعاتی، طراحی و کشف دارو، طراحی هوافضا، ابزارهای کاربردی (همجوشی هسته‌ای)، طراحی پلیمر، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی (AI)، جستجوی داده‌های بزرگ و دیجیتال کمک کند.

کامپیوترهای کوانتومی می توانند برای بهبود اشتراک گذاری امن اطلاعات استفاده شوند. یا برای بهبود رادارها و توانایی آنها در تشخیص موشک و هواپیما. حوزه دیگری که انتظار می رود محاسبات کوانتومی به آن کمک کند، زمین و محیط زیست و تمیز نگه داشتن آب با حسگرهای شیمیایی است.

در اینجا برخی از مزایای بالقوه محاسبات کوانتومی وجود دارد:

• موسسات مالی می‌توانند از محاسبات کوانتومی برای طراحی سبدهای سرمایه گذاری موثرتر و کارآمدتر برای مشتریان خرده فروشی و سازمانی استفاده کنند. آنها می توانند روی ایجاد شبیه سازهای معاملاتی بهتر و بهبود تشخیص تقلب تمرکز کنند.
• صنعت بهداشت و درمان می تواند از محاسبات کوانتومی برای توسعه داروهای جدید و مراقبت های پزشکی با هدف ژنتیکی استفاده کند. همچنین می تواند به تحقیقات پیشرفته تر DNA کمک کند.
• برای امنیت آنلاین قوی‌تر، محاسبات کوانتومی می‌تواند به طراحی رمزگذاری داده‌ها و راه‌هایی برای استفاده از سیگنال‌های نور برای شناسایی متجاوزان در سیستم کمک کند.
• محاسبات کوانتومی می تواند برای طراحی هواپیماهای کارآمدتر، ایمن تر و سیستم های برنامه ریزی ترافیک استفاده شود.

بر اساس تحقیقات گارتنر، 40 درصد از شرکت‌های بزرگ قصد دارند تا سال 2025 ابتکاراتی پیرامون محاسبات کوانتومی ایجاد کنند.

ویژگی های محاسبات کوانتومی

انطباق و درهم تنیدگی دو ویژگی فیزیک کوانتومی هستند که محاسبات کوانتومی بر اساس آنها است. آنها کامپیوترهای کوانتومی را قادر می‌سازند تا عملیات را با سرعتی بسیار بالاتر از رایانه‌های معمولی و با مصرف انرژی بسیار کمتر انجام دهند.

برهم‌نهی (انطباق)

به گفته IBM، این همان کاری است که یک کیوبیت می تواند انجام دهد که بسیار قابل توجه است. یک کیوبیت اطلاعات کوانتومی را در حالت برهم نهی قرار می دهد. این به ترکیبی از تمام پیکربندی های ممکن کیوبیت اشاره دارد. “گروه‌های کیوبیت در برهم نهی می‌توانند فضاهای محاسباتی پیچیده و چند بعدی ایجاد کنند. مسائل پیچیده را می توان به روش های جدیدی در این فضاها نشان داد.”

در هم تنیدگی

درهم تنیدگی جزء لاینفک قدرت محاسبات کوانتومی است. می‌توان جفت کیوبیت‌ها را طوری ساخت که درهم تنیده شوند. این بدان معنی است که دو کیوبیت در یک حالت واحد وجود دارند. در چنین حالتی، تغییر یک کیوبیت مستقیماً بر دیگری تأثیر می‌گذارد، به نحوی که قابل پیش‌بینی باشد.

الگوریتم های کوانتومی به گونه ای طراحی شده اند که از این رابطه برای حل مسائل پیچیده بهره ببرند. در حالی که دوبرابر کردن تعداد بیت ها در یک کامپیوتر کلاسیک، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند، افزودن کیوبیت ها منجر به افزایش تصاعدی در قدرت و توانایی محاسباتی می شود.

عدم انسجام

عدم انسجام(ناهمدوسی) زمانی اتفاق می افتد که رفتار کوانتومی کیوبیت ها تحلیل می رود. حالت کوانتومی می تواند فوراً توسط ارتعاشات یا تغییرات دما مختل شود. این می‌تواند باعث خارج شدن کیوبیت ها از برهم نهی و ظاهر شدن خطا در محاسبات شود. مهم است که کیوبیت ها در برابر چنین تداخلی با استفاده از یخچال های فوق خنک، عایق ها و محفظه های خلاء محافظت شوند.

مشکلات کامپیوتر های کوانتومی

محاسبات کوانتومی پتانسیل عظیمی برای پیشرفت و حل مسئله در بسیاری از صنایع ارائه می دهد. با این حال، در حال حاضر، محدودیت های خود را دارد.

• ناپیوستگی یا پوسیدگی می تواند به دلیل کوچکترین اختلال در محیط کیوبیت ایجاد شود. این منجر به فروپاشی محاسبات یا خطا در آنها می شود. همانطور که در بالا ذکر شد، یک کامپیوتر کوانتومی باید در طول مرحله محاسبات از هرگونه تداخل خارجی محافظت شود.
• تصحیح خطا در مرحله محاسبات کامل نشده است. این باعث می شود محاسبات به طور بالقوه غیرقابل اعتماد باشند. از آنجایی که کیوبیت ها بیت‌های دیجیتالی داده نیستند، نمی‌توانند از راه‌حل‌های مرسوم تصحیح خطا که توسط کامپیوترهای کلاسیک استفاده می شود، بهره مند شوند.
• بازیابی نتایج محاسباتی می‌تواند اطلاعات را خراب کند. توسعه‌هایی مانند یک الگوریتم جستجوی پایگاه داده خاص که تضمین می‌کند که عمل اندازه‌گیری باعث می‌شود حالت کوانتومی به پاسخ صحیح تبدیل شود.
• امنیت و رمزنگاری کوانتومی هنوز به طور کامل توسعه نیافته است.
• کمبود کیوبیت باعث می‌شود کامپیوترهای کوانتومی نتوانند پتانسیل خود را برای استفاده مؤثر برآورده کنند. محققان هنوز بیش از 128 مورد را تولید نکرده اند.

به گفته رهبر انرژی جهانی ایبردولا، «کامپیوترهای کوانتومی نباید هیچ فشار اتمسفر داشته باشد، دمای محیط نزدیک به صفر مطلق (273- درجه سانتیگراد) و نسبت به میدان مغناطیسی زمین برای جلوگیری از حرکت اتمها، برخورد با یکدیگر و یا تعامل با محیط عایق باشند.

«علاوه بر این، این سیستم‌ها فقط در فواصل زمانی بسیار کوتاهی کار می‌کنند، به طوری که اگر اطلاعات آسیب ببیند ذخیره نمی‌شوند و بازیابی اطلاعات را دشوارتر می‌کند.»

کامپیوتر کوانتومی در مقابل کامپیوتر کلاسیک

کامپیوترهای کوانتومی ساختار اولیه تری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند. آنها حافظه و پردازنده ندارند. تمام آنچه یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می کند مجموعه ای از کیوبیت های ابررسانا است.

کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات را متفاوت پردازش می کنند. یک کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت ها برای اجرای الگوریتم های کوانتومی چند بعدی استفاده می کند. با اضافه شدن کیوبیت ها، قدرت پردازش آنها به صورت تصاعدی افزایش می یابد. یک کامپیوتر کلاسیک از بیت ها برای اجرای برنامه‌های مختلف استفاده می کند. با اضافه شدن بیت‌های بیشتر، توان آنها به صورت خطی افزایش می یابد. کامپیوترهای کلاسیک قدرت محاسباتی بسیار کمتری دارند.

رایانه‌های کلاسیک برای کارهای روزمره بهترین هستند و میزان خطای کمی دارند. کامپیوترهای کوانتومی برای سطوح بالاتری از وظایف، به عنوان مثال: اجرای شبیه‌سازی، تجزیه و تحلیل داده‌ها (مانند آزمایش‌های شیمیایی یا دارویی)، ایجاد باتری‌های کم مصرف، ایده‌آل هستند. آنها همچنین می توانند نرخ خطای بالایی داشته باشند.

کامپیوترهای کلاسیک نیازی به مراقبت ویژه ندارند. آنها ممکن است از یک فن داخلی اولیه برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد استفاده کنند. پردازنده‌های کوانتومی باید از کوچک‌ترین لرزش‌ها محافظت شوند و باید بسیار سرد نگه داشته شوند. برای این منظور باید از ابر سیالات فوق خنک استفاده شود.
ساخت کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک گرانتر و دشوارتر است.
در سال 2019، گوگل ثابت کرد که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک مشکل را در چند دقیقه حل کند، در حالی که یک کامپیوتر کلاسیک 10000 سال طول می کشد.

کامپیوترهای کوانتومی در حال توسعه

گوگل – Google

گوگل میلیاردها دلار برای ساخت کامپیوتر کوانتومی خود تا سال 2029 خرج می کند. این شرکت یک محوطه دانشگاهی به نام Google AI در کالیفرنیا افتتاح کرد تا به این هدف کمک کند. پس از توسعه، گوگل می تواند یک سرویس محاسبات کوانتومی را از طریق ابر راه اندازی کند.

آی‌بی‌ام – IBM

IBM قصد دارد تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی در محل خود داشته باشد. در حال حاضر، IBM اجازه دسترسی به دستگاه های خود را برای سازمان های تحقیقاتی، دانشگاه ها و آزمایشگاه هایی که بخشی از شبکه کوانتومی آن هستند، می دهد.

مایکروسافت – Microsoft

مایکروسافت به شرکت‌ها امکان دسترسی به فناوری کوانتومی را از طریق پلتفرم Azure Quantum می‌دهد.  

دیگران

علاقه ای به محاسبات کوانتومی و فناوری آن از سوی شرکت های خدمات مالی مانند JPMorgan Chase و Visa وجود دارد.

محاسبات کوانتومی در ساده ترین عبارت چیست؟

محاسبات کوانتومی به محاسبات ساخته شده توسط یک کامپیوتر کوانتومی مربوط می شود. در مقایسه با محاسبات سنتی که توسط یک کامپیوتر کلاسیک انجام می شود، یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند اطلاعات بسیار بیشتری را ذخیره کند و با الگوریتم های کارآمدتر کار کند. این به حل سریعتر وظایف بسیار پیچیده ترجمه می شود.

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی چقدر سخت است؟

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی زمان زیادی می برد و بسیار گران است. گوگل سال هاست که روی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند و میلیاردها دلار هزینه کرده است. انتظار می رود کامپیوتر کوانتومی خود را تا سال 2029 آماده کند. IBM امیدوار است تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی در محل خود داشته باشد.

هزینه یک کامپیوتر کوانتومی چقدر است؟

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی میلیاردها دلار هزینه داشت. با این حال، شرکت چینی Shenzhen SpinQ Technology قصد دارد یک کامپیوتر کوانتومی رومیزی 5000 دلاری را برای مدارس و کالج ها به مصرف کنندگان بفروشد. سال گذشته، این شرکت فروش یک کامپیوتر کوانتومی را به قیمت 50000 دلار آغاز کرد.

سرعت یک کامپیوتر کوانتومی چقدر است؟

یک کامپیوتر کوانتومی چندین برابر سریعتر از یک کامپیوتر کلاسیک یا یک ابر کامپیوتر است. گفته می شود که Sycamore کامپیوتر کوانتومی در حال توسعه گوگل، یک محاسبه را در 200 ثانیه انجام داده است، در مقایسه با IBM’s Summit یکی از سریع‌ترین کامپیوترهای جهان که 10000 سال برای حل آن زمان می برد. 13IBM ادعای گوگل را رد کرد و گفت که ابررایانه این شرکت می تواند این محاسبات را در 2.5 روز حل کند. حتی در این صورت، 1000 برابر کندتر از ماشین کوانتومی گوگل است.

خط پایان

محاسبات کوانتومی با محاسبات کلاسیک بسیار متفاوت است. از کیوبیت ها استفاده می کند که می توانند همزمان 1 یا 0 باشند. کامپیوترهای کلاسیک از بیت هایی استفاده می کنند که فقط می توانند 1 یا 0 باشند. در نتیجه، محاسبات کوانتومی بسیار سریعتر و قدرتمندتر است. انتظار می رود از آن برای حل انواع وظایف بسیار پیچیده و ارزشمند استفاده شود. در حالی که فعلا محدودیت هایی دارد، اما آماده است تا توسط بسیاری از شرکت‌های پرقدرت در صنایع بی‌شماری به کار گرفته شود.