کامپیوتر کوانتومی چیه؟ ابرقهرمان‌های دنیای محاسبات
بذارید راجع به یه تکنولوژی باحال صحبت کنیم: کامپیوترهای کوانتومی! اینا از قوانین عجیب دنیای کوانتوم استفاده میکنن تا قدرت محاسباتی رو به فنا بدن. درست مثل ابرقهرمان‌ها، قراره بیان و مشکلات خیلی پیچیده رو حل کنن که از عهده قوی‌ترین کامپیوترهای امروزی هم برنمیاد.
البته قرار نیست کامپیوترهای معمولی رو بفرستن گوشه! برای مسائل ساده‌تر و روزمره، همون کامپیوترهای معمولی بهترن. اما کامپیوترهای کوانتومی می‌تونن تو زمینه‌های مختلفی مثل کشف داروهای جدید، ساخت مواد پیشرفته و سبک‌تر کردن باتری‌ها برای ماشین‌های برقی، یه انقلاب راه بندازن. شرکت‌های بزرگ دنیا هم دارن رو این تکنولوژی کار میکنن تا چیزای باحال بسازن.
راز قدرت این کامپیوترها تو یه چیزه به اسم کیوبیت (Qubit) خلاصه میشه. کیوبیت یه جور بیت (Bit) کوانتومیه، یعنی واحد اطلاعاتی که با قوانین دنیای کوانتوم کار میکنه. همینه که این کامپیوترها می‌تونن خیلی قدرتمند باشن.
کیوبیت (Qubit) چیه؟
کامپیوترهای امروزی از بیت (bit) استفاده میکنن. بیت مثل یه کلید خاموش و روشن می‌مونه که میتونه با جریان برق یا نور، مقدار ۱ یا ۰ رو نشون بده. همه چیز، از پست‌های توییتری و ایمیل‌هاتون گرفته تا آهنگ‌های دانلودی و ویدیوهای یوتیوب، در اصل رشته‌های طولانی از همین صفر و یک‌های دودویی هستن.
اما کامپیوترهای کوانتومی از یه چی دیگه به اسم کیوبیت (qubit) استفاده میکنن. کیوبیت‌ها معمولا ذرات زیر اتمی مثل الکترون یا فوتون هستن. درست کردن و کنترل کردن کیوبیت‌ها کار آسونی نیست و هم علم و هم مهندسی رو به چالش می‌کشه. بعضی شرکت‌ها مثل IBM، گوگل و Rigetti Computing از مدارهای ابررسانا استفاده میکنن که باید تا دماهای خیلی پایین‌تر از دمای فضا سرد بشن.
شرکت‌های دیگه‌ای هم هستن مثل IonQ که تک تک اتم‌ها رو تو میدان‌های الکترومغناطیس روی یه تراشه‌ی سیلیکونی، تو محفظه‌های خلا فوق العاده بالا نگه می‌دارن. هدف تو هر دوتا این روش‌ها اینه که کیوبیت‌ها رو تو یه وضعیت کوانتومی کنترل‌شده جدا کنن.
کیوبیت‌ها یه سری ویژگی عجیب و غریب کوانتومی دارن که باعث میشه یه گروه به هم وصل‌شده‌شون بتونه قدرت پردازشی خیلی بیشتری نسبت به همون تعداد بیت‌های دودویی داشته باشه. دوتا از این ویژگی‌های خاص، برهم‌نهی (superposition) و درهم‌تنیدگی (entanglement) هست
روی هم قرارگیری کوانتومی (Superposition) چیه؟
بذار راجع به روی هم قرارگیری کوانتومی (Superposition) که یکی از ویژگی های عجیب و غریب دنیای کوانتومه صحبت کنیم.
تو کامپیوترهای معمولی، هر بیت (ذره اطلاعات) یا خاموشه (برابری با ۰) یا روشنه (برابری با ۱). اما تو دنیای کوانتوم، یه ذره به اسم کیوبیت میتونه همزمان تو هر دو حالت باشه! یعنی هم خاموش باشه هم روشن، که به این حالت «روی هم قرارگیری» میگن.
دانشمندا با استفاده از لیزرهای خیلی دقیق یا امواج میکروویو، کیوبیت‌ها رو وارد این حالت میکنن. تصور کن یه کامپیوتر کوانتومی با چندتا کیوبیت تو حالت روی هم قرارگیری باشه. اینجوری میتونه همزمان روی یه عالمه حالت مختلف محاسبات رو انجام بده! یه جورایی مثل اینه که داری با یه تیر چندتا نشون رو نشونه گیری کنی.
البته این حالتی که گفتم تا وقتی کسی کیوبیت‌ها رو اندازه گیری نکنه، دوامه داره. به محض اینکه اندازه‌گیری انجام بشه، کیوبیت‌ها مجبور میشن از اون حالت خاص خارج شده و فقط به حالت ۰ یا ۱ در بیان.
کیوبیت‌های درهم‌تنیده (Entanglement) چی هستن؟
تصور کن بتونی دوتا ذره رو به هم “گره بزنی” که انگار یکی باشن. این همون کاریه که دانشمندا با “کیوبیت‌های درهم‌تنیده” انجام میدن.
اینجوری میشه که اگه وضعیت (یعنی صفر یا یک بودن) یه ذره رو تغییر بدی، وضعیت اون یکی ذره هم همزمان تغییر میکنه. جالبیش اینه که حتی اگه این ذره‌ها رو کیلومترها از هم جدا کنی، بازم با همدیگه مرتبط باقی میمونن، انگار که با یه نخ نامرئی به هم وصل باشن.
هیچ‌کس دقیقاً نمی‌دونه چرا و چطور این “گرگرفتگی” کار میکنه. حتی انیشتین هم از این پدیده گیج شده بود و اسمشو گذاشته بود “عملکرد شبح‌آلود از راه دور.” ولی همین “گرگرفتگی” کلید اصلی قدرت کامپیوترهای کوانتومی به حساب میاد.
تو یه کامپیوتر معمولی، اگه تعداد بیت‌ها رو دو برابر کنی، قدرت پردازشش هم دو برابر میشه. اما تو کامپیوترهای کوانتومی، به لطف همین “گرگرفتگی”، با اضافه کردن هر کیوبیت جدید، قدرت پردازش به شکل تصاعدی بالا میره. یعنی قدرت این کامپیوتر با اضافه شدن هر کیوبیت، جهش خیلی زیادی پیدا میکنه.
کامپیوترهای کوانتومی برای اینکه کارشون رو راه بندازن از یه جور زنجیره‌ی مروارید (daisy chain) کوانتومی استفاده میکنن که توش ذرات درهم‌تنیده (entangled qubits) با هم وصل شدن. همین توانایی که این کامپیوترها دارن که با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی خاص، محاسبات رو سریع‌تر انجام بدن، باعث شده کلی سر و صدا راجع به پتانسیل‌شون باشه.
خب این قسمتش خبر خوب بود. اما خبر بد اینه که دستگاه‌های کوانتومی به خاطر چیزی به اسم تُهی‌مُهرگی (decoherence) خیلی بیشتر از کامپیوترهای معمولی دچار خطا میشن.
به هم ریختگی (Decoherence) یعنی چی؟
تصور کنید یه ذره تو کامپیوتر کوانتومی باشه که بتونه همزمان صفر و یک باشه، این همون قدرت خاص دنیای کوانتومه. اما مشکل اینجاست که این حالت خیلی آسون بهم میریزه. هر تکون کوچیکی یا تغییر دمایی (که بهش نویز یا سر و صدا میگن) میتونه این ذره رو از حالت خاص خودش دربیاره و دیگه اونطور که باید کار نکنه.
به خاطر همین دانشمندا خیلی تلاش میکنن تا این ذره ها رو تو اون یخچالای فوق سرد و محفظه های خلا نگه دارن تا از شر این سر و صدا در امان باشن.
اما بازم فرقی نمیکنه، این سر و صدا باعث میشه تو محاسبات اشتباه پیش بیاد. حالا دانشمندا با الگوریتمای باهوش و اضافه کردن ذره های بیشتر سعی میکنن این اشتباه رو کم کنن. ولی احتمالا هزارتا ذره معمولی لازمه تا یه ذره فوق العاده قابل اعتماد به دست بیاد که بهش “کیوبیت منطقی” میگن. این کار باعث میشه قدرت پردازش کل کامپیوتر کوانتومی پایین بیاد.
مشکل همینجاست! تا حالا دانشمندا بیشتر از ۱۲۸ تا ذره معمولی نساختن. پس هنوز تا ساختن یه کامپیوتر کوانتومی که به درد همه بخوره راه زیادی مونده.
اما با این حال، دانشمندا هنوز امیدوارن که اولین نفری باشن که “برتری کوانتومی” رو نشون بدن. (برتری کوانتومی یعنی اینکه یه کامپیوتر کوانتومی بتونه یه کاری رو انجام بده که از عهده قوی‌ترین کامپیوترهای معمولی هم بر نمیاد.)
سلطه کوانتومی (Quantum Supremacy) یعنی چی؟
خب، فرض کن یه مسئله ریاضی وحشتناک پیچیده داری که حتی قوی‌ترین ابرکامپیوترهای دنیا هم نمی‌تونن حلش کنن. سلطه کوانتومی همونجاییه که یه کامپیوتر کوانتومی میاد و این غول رو شکست میده! یعنی یه محاسبه رو انجام میده که هیچ کامپیوتر معمولی‌ای نمی‌تونه.
هنوز معلوم نیست دقیقا چند تا کیوبیت ( واحد اطلاعات تو کامپیوتر کوانتومی) لازمه تا به این مرحله برسیم. آخه دانشمندا همش دارن الگوریتم‌های جدید کشف میکنن که کامپیوترهای معمولی رو هم قوی‌تر میکنه. از طرف دیگه، ابرکامپیوترها هم دارن پیشرفت میکنن.
به هر حال، کلی دانشمند و شرکت دارن با جدیت تلاش میکنن تا اولین کسی باشن که سلطه کوانتومی رو به دست میارن. اونا دارن با قوی‌ترین ابرکامپیوترهای دنیا مسابقه می‌ذارن و تست‌های مختلف انجام میدن.
حالا جالبه، تو دنیای تحقیق یه بحث داغ راه افتاده که آیا رسیدن به سلطه کوانتومی واقعا ارزش این همه تلاش رو داره یا نه! بعضی‌ها میگن صبر نکنیم و همین الان بریم سراغ استفاده از کامپیوترهای کوانتومی که شرکت‌هایی مثل IBM و Rigetti دارن می‌سازن. حتی یه شرکت کانادایی به اسم D-Wave هم تو این زمینه فعاله.
شرکت‌های چینی مثل علی‌بابا هم دارن دسترسی به این کامپیوترهای کوانتومی رو برای بقیه فراهم میکنن. خلاصه که بعضی کسب‌وکارها دارن خودشون این کامپیوترها رو می‌خرن، بعضی‌ها هم از طریق سرویس‌های ابری بهشون دسترسی پیدا میکنن.
کامپیوترهای کوانتومی قراره تو کدوم زمینه‌ها زودتر به درد بخورن؟
یکی از جذاب‌ترین کاربردای کامپیوترهای کوانتومی، شبیه‌سازی رفتار مواد تو سطح مولکولی هست. سازنده‌های ماشین مثل فولکس‌واگن و دایملر از این کامپیوترها برای شبیه‌سازی ترکیب شیمیایی باتری ماشین‌های برقی استفاده میکنن تا راه‌های جدیدی برای بهتر کردن عملکرد باتری پیدا کنن. شرکت‌های داروسازی هم ازشون برای آنالیز و مقایسه‌ی ترکیبات مختلف استفاده میکنن که ممکنه به ساخت داروهای جدید ختم بشه.
این کامپیوترها برای حل مسائل پیچیده بهینه‌سازی هم عالین، چون می‌تونن خیلی سریع یه عالمه راه‌حل احتمالی رو بررسی کنن. مثلا ایرباس ازشون برای پیدا کردن کم‌مصرف‌ترین مسیر برای بالا رفتن و پایین اومدن هواپیما استفاده میکنه. فولکس‌واگن هم از یه سرویس که مسیرهای بهینه برای اتوبوس و تاکسی تو شهر رو حساب میکنه رونمایی کرده تا ترافیک رو کم کنه. بعضی از پژوهشگرها هم فکر میکنن این کامپیوترها می‌تونن باعث پیشرفت هوش مصنوعی بشن.
چند سال طول می‌کشه تا کامپیوترهای کوانتومی به تمام توانایی‌هاشون برسن. دانشگاه‌ها و شرکت‌هایی که روی این تکنولوژی کار میکنن با کمبود نیروی کار متخصص تو این زمینه و کمبود تأمین‌کننده‌ی بعضی قطعات مهم روبرو هستن. اما اگه این کامپیوترهای عجیب و غریب به قول‌شون عمل کنن، می‌تونن کل صنایع رو متحول کنن و نوآوری تو دنیا رو به شدت سرعت بدن.
