قسمت دوم: کامپیوتر کوانتومی

● محاسبات کوانتومی

 هدف محاسبات کوانتومی یافتن روش هایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده ی محاسبات ( مانند گیت ها و ترانزیستورها) به گونه ای است که بتوانند تحت اثرات کوانتومی ، که در محدوده ی ابعاد نانومتری و کوچکتر بروز می کنند کار کنند. ورود به دنیای محاسبات کوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است،نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم مکانیک کوانتومی را به طور دقیق بررسی کرد سپس مفهوم اطلاعات در فیزیک نیز، چه به صورت کلاسیک و چه در معنای جدیدکوانتومی آن باید درک شود .

بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می کنند. هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده ی کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش ، چه پردازش شده و چه خام است.همان طورکه درقسمت قبل نیزگفتیم در محاسبات کلاسیک ، این واحد ساختاری را بیت می نامیم که گزیده واژه « عدد دو دویی » است زیرا می تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می شوند.

پس سیستم هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند.ودر محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود ،که آنرا ( QUBIT ) یا بیت کوانتومی می نامیم.اما این تعریف کیوبیت نیست و باید آنرا همراه با مفهوم و نمونه های واقعی و فیزیکی درک کرد. در ضمن فراموش نمی کنیم که کیوبیت ها سیستم هایی فیزیکی هستند، نه مفاهیمی انتزاعی و اگر از ریاضیات هم برای توصیف آنها کمک می گیریم تنها بدلیل ماهیت کوانتومی آنها است.

 در فیزیک کلاسیک برای نگه داری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می شود. در سیستم های کلاسیکی اولیه ( کامپیوترهای مکانیکی ) از موقعیت مکانی دندانه های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می شد. از زمانیکه حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم های دو حالتی انتخابهای ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک مدار الکتریکی است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد.

هر بیت کوانتومی یا کیوبیت عبارتست از یک سیستم دو دویی که می تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی تر ، کیو بیت یک سیستم دو بعدی کوانتومی با دو پایه به شکل < 0| و <1| است . البته نمایش پایه ها یکتا نیست، به این دلیل که بر خلاف محاسبات کلاسیک در محاسبات کوانتومی از چند سیستم کوانتومی به جای یک سیستم ارجح استفاده می کنیم.

انتخاب ایده ال برای نمایش کیوبیت استفاده از مفهوم اسپین است که معمولا اتم هیدروژن برای آن به کار می رود،چون دریک اتم هیدروژن هم پروتون وهم الکترون ،دارای اسپین می باشد. در اندازه گیری اسپین یک الکترون ، احتمال بدست آمدن دو نتیجه وجود دارد: یا اسپین رو به بالاست که آنرا با نشان می دهند و معادل <0| است و یا رو پایین است که آن را با نشان می دهیم و معادل با <1| است .بالا یا پایین بودن جهت اسپین در یک اندازه گیری از آنجا ناشی می شود که اگر اسپین اندازه گیری شده در جهت محوری باشد که اندازه گیری را در جهت آن انجام داده ایم، آنرا بالا و اگر در خلاف جهت این محور باشد آنرا پائین می نامیم.

شاید بتوان گفت مهم ترین تفاوت بیت و کیوبیت در این دانست که بیت کلاسیک فقط می تواند در یکی از دو حالت ممکن خود قرار داشته باشد در حالیکه بیت کوانتومی می تواند به طور بالقوه در بیش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت دیگر در اینجاست که هرگاه بخواهیم می توانیم مقدار یک بیت را تعیین کنیم اما اینکار را در مورد یک کیوبیت نمی توان انجام داد. 

به زبان کوانتومی یک کیوبیت را با عبارت نشان می دهیم . حاصل اندازه گیری روی یک کیوبیت حالت |0 > را با احتمال و حالت |1 > را با احتمال بدست می اورند. 

البته اندازه گیر ی یک کیوبیت حتما یکی از دو نتیجه ممکن را بدست می دهد. از سوی دیگر اندازه گیری روی سیستم های کوانتومی حالت اصلی آنها را تغییر می دهد. کیوبیت در حالت کلی در یک حالت برهم نهاده از دو پایه ممکن قرار دارد.

 اما در اثر اندازه گیری حتما به یکی از پایه ها برگشت می کند.به این ترتیب هر کیوبیت ، بیش از اندازه گیری شدن می تواند اطلاعات ز یادی را در خود داشته باشد.بر اساس اصل برهم نهیsuperposition))، هر سیستم کوانتومی که بیش از یک حالت قابل دسترس دارد، می تواند به طور همزمان در یک ترکیب خاص از آن حالت ها هم قرار داشته باشد. در اصطلاح می گوئیم که سیستم کوانتومی علاوه بر حالت های ناب یک یا چند حالت آمیخته یا بر هم نهیده (blend or superposed) نیز دارد.

پس اگر یک ساختار حافظه ای n کیوبیتی داشته باشیم، طبق این اصل، این تعداد می توانند در 2n پیکربندی متمایز وجود داشته باشند. به این ترتیب یک کامپیوتر کوانتومی این امکان را می یابد که مانند یک کامپیوتر موازی کلاسیک بسیار پر قدرت عمل کند که در یک لحظه روی چندین مسیر اطلاعاتی پردازش می کند. البته مشاهده و متمایز کردن تک تک این محاسبه گرهای کوانتومی غیر ممکن است. چون کامپیوتر کوانتومی با تعداد بسیار زیادی مسیر محاسباتی کار می کند، می توان کاری کرد که این محاسبات با هم تداخل یا بر هم تاثیر هم داشته باشند. به عبارتی، محاسباتی که به طور موازی با هم انجام می شوند طبق اصل تداخل می توانند اثر هم را تقویت یا تضعیف کنند.

 در نتیجه محاسبه ای شبکه ای بوجود می آید که نوعی خاصیت جمعی از تمام محاسبات را نشان می دهد. خاصیت بسیار شگفت انگیز در مکانیک کوانتومی خاصیت در هم تافتگی است. اگر دو یا چند کیوبیت را در بر هم کنش با هم قرار دهیم، می توانند برای مدتی در یک حالت کوانتومی مشترک قرار بگیرندبه طوریکه نتوان آن حالت را به شکل حاصلضربی از حالت های جدا ازهم اولیه نشان داد.حالت این واحدهای اطلاعاتی راگنگ یا نادقیق (fuzzy)می نامیم.

یک نتیجه مهمentanglement(درهم تافتگی)این است که یک جفت کیوبیت درهم پیچیده روی یکدیگر تاثیرهمزمانی را می گذارند که به فاصله آن ها ازیکدیگر وماده ای که این فاصله را پرمی کند بستگی ندارد.

یک جفت در هم تافته با هم مخلوط نمی شوند بلکه تنها به طور کوانتومی با هم بر هم کنش می کنند. علاوه بر اسپین از وضع قطبش یک پرتو فوتونی و نیز سطوح انرژی مجزای یک اتم دلخواه نیز می توان به عنوان سیستم کیوبیتی استفاده کرد.درزیر به طورکامل کیوبیت ها را شرح می دهیم.

● کیوبیت ها

بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها معادل کوانتومی ترانزیستورهایی اند که کامپیوترهای امروزی را تشکیل داده اند. وجه مشترک تمام کیوبیت ها آن است که می توانند از وضعیتی به وضعیت دیگر سوئیچ شوند. به طوری که از این وضعیت ها بتوان برای نشان دادن دوتایی (صفرویک )اطلاعات استفاده نمود. کیوبیت ها دارای یکی از چهار نوع ذرة کوانتومی فوتون، الکترون، اتم و یون می باشند. فوتون ها با یکدیگر برهم کنش خوبی ندارند، اما می توانند به آسانی از نقطه ای به نقطه دیگر جابه جا شوند و این خاصیت آنها را به گزینه ای مناسب جهت انتقال اطلاعات کوانتومی تبدیل می کند و به عکس الکترون ها، اتم ها و یون ها به آسانی با هم برهم کنش دارند، اما جابه جایی خوبی ندارند و به همین دلیل برای پردازش و ذخیرة اطلاعات کوانتومی بسیار مناسب می باشند.

 ● فوتون ها

میدان الکتریکیِ فوتون های غیر قطبی، در صفحه ای عمود بر جهت حرکت فوتون به ارتعاش درمی آید. اما میدان های الکتریکی فوتون های قطبی، تنها در یکی از چهار جهت داخل صفحه (عمودی، افقی و در جهت دیاگونال) مرتعش می شود و این دو جفت قطبش به ترتیب نشان دهنده وضعیت های صفر و یک هستند.فوتون ها را می توان با آینه و فیلترهای قطبی کننده کنترل نمود. این فیلترها تمام فوتون ها به غیر از فوتون های با یک جهت قطبش معین را در خود نگه می دارند. همچنین می توان از چرخه موج یا فاز فوتون ها و نیز زمان رسیدن آنها، به جای کیوبیت استفاده نمود.

 ● الکترون ها

الکترون ها دارای دو جهت اسپین بالا و پایین، همانند دوقطب یک آهنربا، می باشند و می توان با استفاده از میدان های الکتریکی مغناطیسی یا نوری، آنها را در یکی از این دو وضعیت قرار داد. همچنین می توان از موقعیت الکترون در یک نقطه کوانتومی برای نمایش یک عدد دوتایی (صفر یا یک) استفاده نمود.

 ● اتم ها و یون ها

اتم ها و یون ها از الکترون ها پیچیده تر می باشد و به روش های متعددی می توان از آنها برای نمایش اطلاعات استفاده کرد. یون ها؛ در واقع؛ اتم های بارداری هستند که بار آنها ناشی از دریافت کردن و یا از دست دادن الکترون می باشد.اتم ها نیز همانند الکترون ها دارای جهت اسپینی هستند که می توان از آن برای نمایش یک رقم دوتایی در یک کیوبیت استفاده نمود. همچنین از موقعیت الکترون لایه خارجی اتم در سطح انرژی پایین تر یا بالاتر هم می توان برای نمایش صفر و یک ها استفاده نمود. همچنین اتم هایی که به دام انداخته شده و ثابت می شوند دارای ارتعاشات کوانتومی گسسته ای خواهند بود که از آن نیز می توان در کیوبیت ها استفاده نمود.

نوع چهارم کیوبیت های اتمی، مبتنی بر سطوح فوق ظریف یا ارتعاشات بسیار ریز سطوح اربیتال های الکترونی است که حاصل برهم کنش های مغناطیسی بین هسته و الکترون است.

کیوبیت ها از ذرات کنترل شده ای تشکیل شده اند و در واقع ابزارهای به دام اندازی دارند.

 این کیوبیت ها چهار نوع می باشند

دام های یونی، نقاط کوانتومی، ناخالصی های نیمه رسانا و مدارهای ابررسانا.

 ● دام های یونی

 دام های یونی برای نگهداشتن هر کدام از یون ها از میدان های مغناطیسی و یا نوری استفاده می کنند. محققان تاکنون توانسته اند شش یون را دریک تک دام یونی نگه دارند. فناوری دام یونی به خوبی جا افتاده و احتمال دارد که بتوان با استفاده از آن در سطح انبوه به تولید کیوبیت ها پرداخت. به دلیل باردار بودن یون ها، آنها در برابر نویز زیست محیطی آسیب پذیری بیشتری نسبت به اتم های خنثا دارند.

 ● نقاط کوانتومی

نقاط کوانتومی در واقع بیت هایی از مواد نیمه رسانا شامل یک یا چند الکترون است. این نقاط کوانتومی را می توان با الکترون های منفرد بارگذاری نمود و به آسانی آنها را در ابزارها و تجهیزات الکترونیکی جای داد در عین حال نمونه های اولیه نقاط کوانتومی تنها در دماهای فوق العاده پایین کار می کنند.

 ● ناخالصی های نیمه رسانا

 اتم های قرار داده شده در مواد نیمه رسانا معمولاً ناخالصی یا نقص تراشه های رایانه ای به حساب می آیند. ساخت تراشه خالص بسیار دشوار است و علی رغم تمام تلاش های انجام شده، در هر چند میلیارد اتم نیمه رسانا یک اتم ناخواسته وجود خواهد داشت.کیوبیت های از جنس ناخالصی نیمه رسانا، از الکترون موجود در اتم های فسفر یا دیگر اتم هایی که به طور مصنوعی در ماده نیمه رسانا قرار داده شده اند استفاده می کنند و حالت این الکترون ها را می توان با استفاده از لیزر یا میدان الکتریکی کنترل نمود.

 ● مدارهای ابررسانا

مدارهای ابررسانا، مدارهایی الکتریکی هستند که از مواد ابررسانا تشکیل شده اند در این مواد امکان حرکت الکترون ها تقریباً بدون هیچ گونه مقاومتی در دمای پایین فراهم می شود. این مدارها به چندین روش می توانند کیوبیت ها را تشکل دهند. از جمله این روش ها حرکت جریان الکتریکی است که می توان آن را در یک لحظه در دوجهت و در یک وضعیت کوانتومی ابرمکانی حرکت داد.

الکترون ها از طریق ابررسانا با جریان جفت می شوند و میلیاردها از این جفت ها، ماده ای را تشکیل می دهند که وقتی ابررسانا یک شکاف بسیار ریز داشته باشد، به صورت یک ذره زیراتمی بزرگ عمل می کند.

وقتی یکی از مدارها، از طریق اتصال Josephson، به منبعی از جفت الکترون ها متصل شود، تعداد این جفت الکترون ها تغییر می کند و این تغییر قابل اندازه گیری است. مدارهای ابررسانا را می توان با استفاده از همان روش های تولید نیمه رسانا ساخت.

 مزیت اساسی این روش آن است که از میلیون ها و یا میلیاردها الکترون استفاده می شود و دیگر نیازی به کنترل تک تک ذرات نیست. البته عیب این کار آن است که انجام آن فقط در دماهای بسیار پایین امکان پذیر است.

 ● دام های نوری

اتم های خنثای به دام افتاده در دام های نوری، نوع دیگری از کیوبیت ها می باشند که به علت قدرت کافی امواج نور در سطح اتمی برای به دام انداختن و کنترل ذرات، از آنها استفاده می شود. کار این دام ها بسیار شبیه آسیاب بادی است. اتم ها آسیب پذیری کمتری در برابر نویز دارند، اما واداشتن آنها به هم کنش سخت تر است.

 ● واهمدوسی(Decoherence)،دشمن محاسبات کوانتومی

دوکیوبیت کوانتومی منفردممکن است طوری باهم همبستگی (correlate)پیداکنند که هرگاه یک کیوبیت درحالت برهم نهی واقع شده باشد،بتواند حالت کیوبیت دیگرراتحت تاثیرخود قراردهد،به طوری که کیوبیت دوم هم به حالت برهم نهی وجودداشته باشد.این نوع همبستگی به درهم تنیدگی( entanglement)،گره خوردگی یاایجادمانع موسوم است وتنها برهم نهی کامل (entire superposition)اطلاعات راحمل می کند.وقتی که دوموج کوانتومی برهم منطبق شده باشند،همانند یک موج رفتار می کنندوگفته می شود که آن ها همدوس می باشند،فرایندی که بوسیله آن دوموج همدوس دوباره به حالت های اولیه خود برمی گردند،وهویت های انفرادی (individual identitie) اولیه خودرادوباره به دست می آورند،واهمدوسی نامیده می شود.

برای یک الکترون درانطباقی ازدوحالت انرژی مختلف (یا تقریبا دوموقعیت متفاوت درون یک اتم)واهمدوسی می تواند مدت زمان بسیاری طول بکشد،ممکن است گاهی اوقات روزها به طول انجامد.یکی از موانع اصلی درک وتحلیل محاسبه کوانتومی ،مسئله واهمدوسی می باشد.حالت برهم نهی یک کیوبیت بسیار زودگذر وناپایدار می باشد،تقریبا هر چیزی نظیریک الکترون یافوتون سرگردان می تواندسبب فروریختن ومتلاشی شدن کیوبیت همدوس وقرارگرفتن آن دریکی ازدوحالت کلاسیکی گردد.

 بنابراین تعدادمحاسباتی که یک کامپیوتر می تواند انجام دهد به زمانی که کیوبیت ها می توانند همدوس باقی بمانند،مربوط می شود.این مسئله بااین واقعیت درهم آمیخته است که حتی اندازه گیری یک کیوبیت می توانند سبب فروپاشی آن گردد.بنابراین ما نمی توانیم حتی یک کیوبیت را کنترل نماییم وببینیم که چه اتفاقی می افتد،زیرا این فرایند آزمایش خود،حالت برهم نهی رامتلاشی خواهدکردومحاسبات قبل از اینکه تمام شده باشندمتوقف خواهند شد. دریک کامپیوتر کلاسیک،الگوریتم ها طوری بسط وتوسعه یافته اندکه هرنوع خطایی را که به درون محاسبه راه پیدا می کنند قبل ازاینکه آن ها محاسبه را به طور کامل واژگون،دگرگون ویا تخریب سازند،تصحیح می کنند؛تصحیح خطا یک بخش روتین یامعمول ازارتباطات رقمی مدرن یا جدید می باشد.

 درهرصورت،نظریات کلاسیک برای تصحیح خطا وتحمل عیب را نمی توان به آسانی به سیستم های کوانتومی عمومیت داد.درسال 1995،steaneوshor مستقلا کدهای تصحیح خطای کوانتومی راکشف کردند که دربعضی ازمقالات مروری جدیدترباجزئیات بیشتری توسط preskillوsteanمورد بحث قرار گرفته است.درادامه این کار ،knillوهمکارانش نشان دادند که علیرغم تاثیرات تضعیف کننده واهمدوسی،یک کامپیوتر کوانتومی می تواند به طور موفقیت آمیزی یک محاسبه دلخواه طولانی را انجام دهد.این اصول جدید وآزمایشهای اخیر نشان می دهند که بعضی از سیستم ها می توانند برای چندین ساعت برهم نهی کوانتومی راحفظ کنند،که این خود نوید این را می دهد که کامپیوتر های کوانتومی بر مشکلات واهمدوسی غلبه خواهند کرد.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: