مقاله دنیای وارونه از محاسبات مقداری

ایده های عجیب و غریب می تواند منشا کاملاًمعمولی داشته باشد.ایده کنونی زادگاهی به نام تگزاز دارد.در سال 1981 ویلر پدر روزنه سیاه و فیزیک نظری از دانشگاه تگزاز در آستین جلسه ای تشکیل داد.همه ی مهمان ها فیزیک دانهایی جوان با علاقه های مشترک دربنیان محاسبات بودند،همان موضوعی که ویلر به آن اعتقاد داشت،و در آن سال اهمیت افزونتری یافت .در این جلسه بود که بحث و مکالمه با چالز بنت ،یک فیزیک دان ABM ،جرقه ای را در ذهن یکی از محققان دانشگاه آکسفورد به نام دیوید دسچ ایجاد کرد.او بر این عقیده بود که نظریه محاسبات (کامپیوتر) بر روی قانونهای نیوتن بنا نهاده شده است،نه بر اساس توصیفات اساسی دنیا که بوسیله تئوری کوانتوم حمایت می شوند.

در هر صورت،صنعت کامپیوتر برای تحریک بیش از اندازه ریز تراشه ها شروع به کار کرده بود. این صنعت محاسبات بسیار گسترده ای را در هر ثانیه ممکن ساخته بود.اگر چه گرمای تولید شده باعث باقی ماندن ابدی سیلسیوم می شد ،برای رفع این مشکل دانشمندان تئوری مذکور رادر سال 1930 با پیشگامی ‍”آلان ترنینک” ارائه کردند .اما در جلسه ویلر ،داچ عقیده داشت “خیلی زودتر از حد انتظار ما خواهیم دید که با استفاده از قانونها ‹ماشین کوانتوم› ما به جوابهای متفاوتی خواهیم رسید.

داچ کار خود را ابتدا به صورت کتبی بر روی کاغذ شروع کرد که حالا ما نتایج آن را به صورت ملاحظاتی کلاسیک در این زمینه مشاهده می کنیم .این نتایج در سال 1985 منتشر شدند.نتایج نشان می دهد چطور کامپیوتر ها از قانون عجیب نیرو برد کوانتوم استفاده می کنند وچرا چنین کامپیوتر هایی اساساًبا کامپیوتر های معمولی تفاوت دارند.

15سال بعد انقلابی را که داچ شروع کرد به تناسبی جهانی رسید.چنین کامپیوتر هایی برای مدت طولانی به عنوان وسیله ای مرموز وجادویی باقی ماندند اما به صنعت آینده کامپیوتر قدرتی عجیب بخشیدند وبعد از آن بحث جابجایی و تغیر مکان آن ها پیش آمد مشروط به آنکه به آن حد انتظار می رسند یا نه؟هیجان انگیز بودن این مسئله به قدرتش وامدار ومقروض نخواهد بود.هر چند که بدون شک مدلهای امروزی این نمونه قدرت بسیار بالاتری دارند.

نقطه برتری چنین کامپیوتر هایی ،حل مسائل و انجام محاسباتی است که اساساً بوسیله کامپیوتر های قراردادی اصلاً قابل انجام نیستند. این همان پتانسیل و نیروی بالقوه ای است که باعث می شود برنامه تجارت کامپیوتر وبزرگترین برقراری ارتباطهای راه دور جهانی رونق فراوانی بیابد. این کمپانی ها شامل ABM ،هولت پاکارد ،لوسنت تکنولوژی ،AT،T،ماکروسافت. حتی پایگاهی در شهر نیویورک بنا شده است که “مجیک تکنولوژی ” نامیده می شود. و امید وار است با مجهز شدن در این زمینه به پول زیادی برسد. به وسیله یکی از قدرتمندترین نیروهایی که از گسترش و توسعه کامپیوتر های کوانتوم ساطع شده است،آنها به راحتی کدهای سری تاثیر ناپذیر و غیر قابل نفوذ را خواهند شکست.

آهنگ و زنگ خطر این مسئله در سال1994 به صدا در آمد . وقتی پیتر شورت در نیو جرسی نشان داد که کامپیوتر های کوانتوم نسبت به نوع معمولیشان در کارخانه های متعدد بسیار سریترند و فاصله ی بسیاری با آنها دارند.

پیدا کردن کارخانه ها با آن تعداد بالابسیار سخت خواهد بود.چرا که سازنده های کد به عیب و حساسیت اطلاعات محصولاتشان اعتماد داشتند.با گسترش کامپیوتر های کوانتوم، چنین کد هایی کاملا متروک وبی استفاده خواهند شد. به محض اینکه اولین سایز کامپیوتر های کوانتوم وارد بازار شد،دولت و ارتش ملزم شدند تا بسیاری از کد گذاری های نا مناسب خود را واگذار کنند.

مطمئناً کارشناسان توانایی خواهند داشت که همان کارههایی را انجام دهند که کوانتوم ها انجام می دهند.پس آزمایش های ملی مختلفی شروع به برنامه ریزی های اساسی کردند .مخصوصاً موسسه ی استاندارد ها وتکنولوژی در بولدر ،لوس آلاموس،آزمایشگاه ملی در نیومکزیکو، کینگ دام،سنجش دفاعیکوانتومژانس تحقیقاتی در مالورن.

دانشمندان سعی می کنند اطلاعاتی را در مورد کوانتوم ها و چگونگی کنترل آنها کسب کنند. کامپیوتر های کوانتومی در آزمایشگاه در حال کوچکتر شدن هستند.تا دانشمندان بتوانند تئوری ماشین های کوانتوم را آزمایش کنندبا دقت بیشتری نسبت به گذشته.قویترین تیم در جهان چنین تحقیقاتی را در دانشگاه آکسفورد انجام می دهد.گروههای کوچکتر هم در مکانهایی مثلMIT کار می کنند.همچنین گروههای استرالیایی با پراکندگی با نفوذی که میان ایالتهای آمریکایی و اروپایی دارندبه تحقیق می پرداختند.پس از یک شروع نسبتاً با تاخیر ،ژاپن برای رسیدن به گروههای دیگر سعی و تلاش زیادی کرد.

اطلاعات کوانتومی
اطلاعات کوانتوم موجودیت کالا را مشخص می کندOS،IS، نرم افزارهای مربوط به عملیات سخت افزاری می توانند کد های0 و1 را به راحتی اندازه گیری کنند،کپی و حتی جابجا کنند.

اما واگذاری قسمتی از اطلاعات به بخش کوانتوم، واحد های کوانتومی نامیده می شود که نامانوس است. این اطلاعات اساسی،واحد کوانتوم نامیده می شود.و کمی با همتای کلاسیک خود متفاوت است.

برای شروع ،یک کوابیت ، میتواند هم 0وهم1 در یک زمان باشد،مثل چرخش یک الکترون، دارایی که میتواند به عنوان چرخش قطب بالایی یا پایینی فرض شود.بالا یا پایین اسپین می تواند برابر با0 یا1 باشد.اما الکترون ها می تواننددر یک دو تایی خیالی قرار گیرند.برای انجام محاسبه ای از الکترون استفاده کنید،شما این کار را به صورت همزمان به صورت 1 و0 انجام دهید.

در نگاه اول ،ممکن است موثر جلوه کند ،اما کوبیت بیشتری اضافه کنید که این کار باعث تشویق بیشتر الکترون ها می شود.هنگامی که کوبیت 1می تواند ابر موقعیت در دو حالت باشد،دو کوبیت 0و1 می توانند ابر موقعیتی در 4 حالت باشند .11و10و01و00 که نماینده 4 حالت در یک لحظه است. این افزایش قابل تشریح است.به وسیله کوبیت های m .انجام محاسبات واحدی روی 2 به توان m به صورت موازی وهمزمان ممکن است.با حدود تنها چند صد کوبیت ،نمایش همزمان تقریباً تعداد وسیعی از اتمها در جهان ممکن خواهد بود.

الگوریتم ها ،گره ها ، اصلاح خطا ها
بعد از انجام محاسبات باید به جواب درستی برسیم. ممکن است ما با یک اندازهگیری ساده به ویرانی ابر موقعیت و یا جابجایی سیستم در یک حالت و یا حالات مختلف بپردازیم. بدبختانه ،به ندرت ممکن است که ما به نتیجه اصلی در موقعیت های پیشرفته برسیم. که این خود یک مشکل است. هدف اطمینان و یقین در مورد جوابهای بدست آمده است. همچنین دستیابی به استخراج مرجع کوانتوم های خارق العاده. هر کدام از مراحل منطبق شده ،احتمال ارتباط با رفتار موج شبیه به خود را دارد. این احتمال ممکن است با دیگر احتمالات مخرب یا سازنده مخلوط شود.

برای رسیدن به پاسخ دلخواه در یک محاسبه ،فرایند اطلاعات در چنین راهی که راه حل های نامطلوب و ناخوشایند،در آن دخالت دارند ،در پایان شاید فقط حالت های دلخواه و یا یکی دو مورد کمتر از آن باقی خواهند ماند. فرایند به عنوان الگوریتم کوانتوم شناخته شده است. وچنین طرحی فیزیک دانها ریاضی دانها و کارشناسان کامپیوتر را به مبارزه می طلبد.

پس از تمام این اندازه گیریها نتیجه دلخواه حاصل می شود. البته در مورد بعضی از این مراحل نهایی یک سری از اندازه گیری ها نتایج احتمالی و حدسی را به جا می گذارد که قبلاً ما انتظار آن را داشته ایم. الگوریتم های کوآنتوم پتانسیلی نمایش فوق العاده ای دارد که نسبت به مقدار قراردادی در نقطه مقابل قرار دارد. یک مثال خوب در این رابطه ،الگوریتمی است که برای جست وجو از بین لیست هایی است که به وسیله لو گراور در آزمایشگاه بل انجام شد. مشکل پیدا کردن شماره تلفن مستقیم نام فردی مشخص بود. اگر مقصود شامل داخلی Nباشد پس به صورت میانگین شما مجبورید حدود N/2 مدخل ها را برای پیدا کردن حکم مورد نظر چک کنید. الگوریتم کوانتوم گراور بهتر انجام شد.

که برای جستجوی حدود 10000 نام قاعدتاً ما احتیاج به 100 مرحله داریم. کار الگوریتم با ایجاد اولیه حدود 10000 مدخل ،در هر مدخل خاص احتمالی برابر در پاسخ با اندازه گیری در سیستم دارد.

البرت انیشتن نمی توانست باور کند که جهان به عنوان مکانیک کوانتوم ساخته شده است. پس با همکاری بوریز پودلسکی و ناسان روزن او با انجام آزمایشات فراوان راههای جدیدی را برای تئوری تازه ای جستجو کرد.مرکز آزمایشات وتفکرات روی رفتار مواد و اجزای جفت که هیچ مشابهی در جهان ندارند انجام شد.نوع یراد آن به نظر می رسد که فوراً تحت تاثیر قرار گیرد.سه دانشمند خاطرنشان کردند که این فرایند ها شامل عبور سریعتری نسبت به نوردر بین اجزا خواهد شد.که این نتیجه گیریها به عنوان EPR شناخته شدند.

این ابهام و شک به وسیله CERN که یک تئوریست بود حاصل شد.آلیان(فیزیک دان فرانسوی)

و گنوا ،در مورد ماشین های کوانتوم مانند دو قلو های همسان رفتار می کردند.اگر چه آزمایشات نشان می داد که هیچ جسم منفردی سریعتر از نور حرکت نمی کند و این گره خوردگی کمکی به برقراری ارتباط نخواهد کرد.EPR هستی یکسانی را تقسیم کرد.

در هم گره خوردگی حالا یکی از کلید های خارق العاده در فرایند اطلاعات کوانتوم می باشد.امروزه آزمایشات EPR تقریباً در سراسر دنیا انجام می شود.اگر این در هم گره خوردگی و ابر موقعیت پیش پا افتاده و معمولی با حدود 10 سال پیش مقایسه شوند ،اطلاعات باقی مانده از کوانتوم سست و شکننده خواهد بود و اثرات متقابل روزمره با محیط کوبیت های ویران شده و اطلاعاتی که شامل فرایند های شناخته شده ای می شوند.

اگر اطلاعات کوانتومی از بین علوم کامپیوتر ی عبور کند فرایند تصحیح غلط ها احتیاج به حمایت محکمی خواهد داشت. ابتداعاً فیزیکدانها بر این اعتقادند که چنین تکنیک هایی غیر ممکن است ،زیرا اصلاح خطا ها به معنای اندازه گیری درجه و مرحله سیستم کوانتوم می باشد.مشکل شبیه به تولید دوباره در مکانی است که در جای دیگری ساخته شده است.اگر اطلاعات توسط یک کانال فرستاده شوند یا در جایی ذخیره شوند،که انقدر آن مکان شلوغ باشد که به راحتی ترتیب بعضی واحد ها به هم بخورد چگونه دریافت کننده می تواند پیام را دریافت کند،با اضافه کردن بیش از حد به یک پیام فرستنده می تواند در پیام خود اصلاحاتی را انجام دهد.

شور و استین با نسبت کوانتوم فرستنده در حدود سه برابر کنار آمدند.

اندازه گیری کوبیت بزرگ نشان می دهد که دریافت کننده با احتساب خطایی که اتفاق می افتد و چگونگی اصلاح کوبیت ها ،بخش پیام را مشخص می کند.

هدایت گر های (NMR)
بزرگترین مانع برای ساختمان عمل کوانتوم کامپیوتر در میان سال های 90 شکل گرفت.هنگامی که آنها کشف کردند چگونه محاسبات را با تکنیک های ایجاد طنین آهنربای هسته ای انجام دهند. ایده ی کلیدی ملکول واحدی است که می تواند مثل ذره ی کامپیوتر عمل کند.اطلاعات در جهت لایه های هسته قرار می گیرد.هر هسته شامل یک کوبیت می باشد.و اثرات متقابل بین لایه های هسته به عنوان جفت گیری های لایه به لایه شناخته می شوند.در یک محیط مغناطیسی قوی هسته در اطراف مسیر میدان مغناطیسی در فرکانس های مشخص وابسته به محیط شیمیایی حرکت می کند.

برای مثال در یک محیط 9. 3 تسلا ،یک هسته کربن 13 در مولکول کلروفرم ،حدود MHZ 100 پیش می رود. با حذف مولکول به وسیله امواج رادیویی میزان بسامد متغیر می شود. این ممکن است که با دستکاری ومهارت ،هر هسته به صورت شخصی عمل مشخص و منطقی را انجام دهد. دستکاری ممکن است شامل تلنگر یک هسته از یک 1 به 0 باشد. که آن را کوبیت واحد یا مجرد می نامیم. و یا شامل دو هسته متصل به هم شود. در عمل دو کوبیت میشود که ارزش هر یک با توجه به دیگری معلوم می شود. کلروفرم با کربن 13 ایزوتوپ مثال ونمونه خوبی از یک مولکول است که می تواند مثل کوانتوم دو کوبیتی در کامپیوتر عمل کند چون هسته هیدروژن و کربن می تواند مشخصاً بوسیله موجهای رادیویی شناسایی شود.

محاسبات کوانتومی به وسیله شماره گذاری برنامه ای انجام می شود. (به عنوان یک سری از جمعهای RF) نتایج به وسیله باز خوانی سیستم های تهیه شده از هسته در پایان محاسبه تعیین می شود که این نتیجه جهت گیری مناسب هسته را نشان می دهد. رزونانس هسته مغناطیسی صدایی مانند راه حل یک معمای مشکل می باشد.

هسته طبیعتاً از صداهای جهان خارج دور است و همچنین می تواند ارتباطی برای انواع بسیار باشد. به علاوه ،NMR یک تکنولوژی کاملاً پیشرفته است و در طی سالیان سال ،به آنالیز شکل ها و تکنیک ها می پردازد. اما راه حل ها و تکنیک ها محدودیت های بیشتری دارند. مولکول های تک واحد ،نوع به اندازه کافی قوی را تولید نمی کنند. در عوض آزمایشات NMR شامل تعداد گسترده ای از مولکول است. که با مغناطیس ترکیب شده اند. برای شروع یک محاسبه ،مراحل ابتدایی از کامپیوتر باید شناخته شده باشد . اما در یک بخش خاص از اتاق با درجه حرارت مشخص لایه ها بالا و پایین می رود که این عمل ابتدا به صورت تصادفی صورت می گیرد .

از طرف دیگر ،مکان هر کامپیوتری قابل شناسایی نخواهد بود ومحاسبه بی معنی خواهد بود.

در سال 1997 ،2 گروه مستقل برای نجات و تصحیح محاسبات کوانتوم پیش قدم شدند. اسحاق چانگ که حالا در آزمایشگاه ABM مشغول به کار است و نیل گرشن فلد درموسسه ماساچوست به این نتیجه رسیدند که آنها قادرند یک القای طبیعی را دستکاری کنند. آنها همچنین از این شیوه به منظور تاسیس یک نوع زمین مصنوعی استفاده کردند. (00 برای یک سیستم دو کوبیتی) در همان زمان دیوید کرمی و امر فهمی و تی موتی هاول از دانشگاه هاروارد در کمبریج کشف کردند که با بمباران نمونه مورد بحث ،به وسیله اشعه های چرخشی ،می توانند به تراکم موثری از آن نمونه بپردازند . برای انجام محاسبات مفید ،کامپیوتر باید قادر به انجام هر کار منطقی باشد.

برای کامپیوترهای کوانتوم ،2 عمل منطقی وجود دارد که می تواند از اعمال دیگر ساطع شود ،مثل ANDوNOT در محاسبات پیشرفته. که یکی از آنها شامل کوبیت تک چرخشی می باشد. دیگری مربوط به دو کوبیت است و یک کنترل – NOT نامیده می شود. یا عمل نمی کند یا کنترل خود را ازدست می دهد. بسته به موقعیتی که زوج خود دارد. هر دو این اعمال آسان ،راست وبه سمت جلو هستند. با بمبارانی ساده به نمونه ای مایع با ترتیب اختصاصی تبدیل می شوند . از سال 1997 ،این دو گروه و البته گروه های دیگر در حال ساخت کوآنتوم NMR بوده اند. یکی از این موارد حتی به گروه ریاضی فرمول کد شکن مربوط بوده اند .

متاسفانه کامپیوتر های کوانتوم که بر روی NMR مایع بنا شده اند هرگز قدرتمند تر ازاین حالت نخواهند شد. پس دانشمندان انتظار ندارند که قادر به کنترل 12 کوبیت غیر قابل تشخیص باشند. تلاش ها برای ساختن ماشینی که بیش از 10 کوبیت را کنترل کند ادامه دارد. اما حتی اگر محاسبات نه جزئی کامپیوترهای کوانتوم ممکن شود بعضی دسترسی های دیگر نیاز خواهد بود.

یونهای منجمد شده
تکنولوژی که کمتر در دید عموم مردم است نسبت به NMR ،دیگران را جذب می کند. در سال 1995 ایگناسیو کیارک و پیتر زولد از دانشگاه اینزبرک در استرالیا پیشنهاد کردند ازتله یونها برای ساختن پایگاه های منطقی کوانتوم استفاده شود. اما پیشرفت های عظیمی برای ادامه این محاسبات نیاز می باشد. ایده این است که تعدادی از این یون های فرا سرد می تواند دریچه ای باشدبرای خطوط فرکانس های رادیوئی پاول ترپ. این وسیله یک فرکانس RF بلند را تنظیم می کند که یون ها را فشرده به هم و به صورت دو بعدی نمایش می دهد،که البته بعد سومی هم خواهد بود که فوق العاده ضعیف است .

به سبب اینکه یون ها شارژ یکسانی را دارند ،هرکدام دیگری را می راند و تمایل دارندکه خود را در یک خط مستقیم تنظیم کنند ،با فضایی برابر مانند مهره ای روی کشی لاستیکی. چنین طبقه بندی به آنها اجازه می دهد برای محاسبات کامپیوتری به عنوان گروهی مهم ارتعاشات خاصی داشته باشند.

کوبیت ها مقدمتاً در لایه های درونی یون های مربوط به زمینه محیط مغناطیسی ذخیره می شوند .آنها به عنوان یون هایی هستند که با استفاده از پالس محیط های آهنربایی را به نوسان در می آورند. فایده تله یونها به این صورت است که بی نهایت تنومندندو طول آنها تقریباً با طول کوابیت ها در NMR برابری می کند.زمان زیادی طول خواهد کشید تا نمونه ای منطقی انجام شود.

برای تقسیم کوبیت ها بین یونها ،دانشمندان یونها را مرتعش می کنند ،هدف این است که یون ها را سرد کنند، و به این ترتیب بتوانند انها را کاملاً در گروه های خاص قرار دهند . با تزریق کمی انرژی ،یون ها شروع به ارتعاش می کنند ،اما برای اینکه بخشی از ماده کوانتوم باشد یون ها باید در موقعیتی بالا تر از موقعیت اولیه قرار بگیرند و مرتعش شوند . پس از ارتعاش می توان به منظور ذخیره ی کوبیت ها استفاده کرد . چون تمامی یون ها در ارتعاش شرکت می کنند کوبیت ها بین آنها تقسیم می شوند، گویا حرکت و جنبش این مجموعه به یون ها امکان می دهد سریعاً اطلاعات را تقسیم کنند . چنین تقسیماتی ابتدا به IF و سپس به THEN اجازه ی عمل می دهد و دروازه منطقی کامپیوتر شکل می گیرد.

برای مثال دستور العمل باید چنین باشد:اگر مرحله ی ارتعاش 1 باشد ، تراشه ی کوبیت THEN در اولین لایه درونی جای خواهد گرفت. محققان در موسسه ی تحقیقاتی (NIST) نشان دادند که یک نوار 4 یونه می تواند در دسترس قرار گیرد، و البته گفته شده که این تعداد می تواند قابل افزایش باشد.

حد اقل 5 گروه در دور دنیا روی یون کامپیوتر های کوانتوم کار می کنند. اما تیم وین لندز در (NIST) به صورت گسترده رهبری این گروه ها را بر عهده دارند. که به عنوان ین سرد شده برلیم برای ارتعاش مراحل زمینی مورد استفاده قرار می گیرند. با استفاده از لیزری که روی یونها متمرکز می کنیم ،با اضافه شدن بر گروه روی میدان مغناطیسی ،محیط مغناطیسی دومی بر روی یون ها به وجود می آید که جایگاهی متفاوت با جایگاه یونها دارد . ارتعاش یون ها سبب نوسان میدان مغناطیسی می شود و هنگامی که فرکانس نوسان انرژی متفاوتی را بین دو لایه یون آزاد کند انرژی از اسپین به مکان ارتعاش منتقل می شود و به این وسیله از لایه های مرتعش کننده کوانتوم نقشه برداری می کنند.

این یکی از مراحل اساسی کنترل دروازه NOT می باشد ودر سال 1995 تنها چند ماه پس از کیراک و آگهی های زولر نتیجه گیری شد . با خواندن اطلاعات که شامل طیف پراکنده یون ها می شد ،از آنجا که لایه های بالایی یونها می توانند پراکندگی قوی داشته باشند،لایه های پایینی اصلاً قادر به پراکندگی نخواهند بود .

تله یون همچنین محدودیت هایی هم خواهد داشت که از جمله آنها ناپیوستگی زمانی کوابیت ها بعد از انتقال به مکان های مرتعش شده می باشد، چون یون ها مورد حمایت می باشند ارتعاش با الکترون های سرگردان تقویت می شود و باعث این ناپیوستگی می شود.