پاورپوینت کامپیوترهای کوانتومی


عنوان:کامپیوترهای کوانتومی

تاریخچه کامپیوتر کوانتومی
نظریه کامپیوتر کوانتومی ازسال ۱۹۸۲مطرح بوده است از زمانی که فیزیکدان مشهور و برنده جایزه نوبل «ریچارد فاینمن » برای نخستین بار، پیشنهاد کرد که باید محاسبات از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم شود، همچنین بیان کرد کامپیوتر کوانتومی چگونه ممکن است کار کند.
در سال ۱۹۹۴ « پیتر شور» نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت.
وی مقاله ای را منتشر نمود که حاوی روشی برای استفاده از کامپیوترهای کوانتومی در حل مشکل پیچیده ای در نظریه اعداد، به نام فاکتورگیری بود. او نشان داد که چگونه یک مجموعه از عملیات ریاضی که منحصراً برای کامپیوترهای کوانتومی طراحی شده اند، می توانند چنین دستگاهی را به انجام فاکتورگیری از اعداد بیشماری با سرعت بالاتر از کامپیوترهای کلاسیک، قادر سازد با این اختراع، محاسبات کوانتومی از یک کنجکاوی به یک توجه جهانی تبدیل شد.

پدیده هایی که مکانیک کوانتوم را از دنیای کلاسیک جدا می کند عبارتند از: برهم نهی، تداخل، درهم تنیدگی، ناجایگزیدگی و تکثیرناپذیری. برای مثال در جهان کوانتومی، یک ذره در یک لحظه واحد می تواند از دو، سه، چهار و هزاران سوراخ بگذرد و با خود تداخل یا برهم نهی کند. چرا که در واقع تمام ذرات از الکترون گرفته تا فوتون نور، موج هم هستند، این خود یکی از خاصیت های مکانیک کوانتومی می باشد مثل خاصیت برهم نهی
تفاوت مکانیک کوانتومی و کلاسیک

هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می نامیم. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه ای معرفی می شود که آنرا کیوبیت (Qubit) یا بیت کوانتومی می نامیم. یک بیت کوانتومی (که به آن “کیوبیت”اطلاق می گردد) ممکن است درحالت های کلاسیک صفر یا یک وجود داشته باشد، یا ترکیبی از این دو (یعنی درآن واحد، مقادیر صفرویک را به طور همزمان داشته باشیم “حالت برهم نهی “) یا حتی معرف عددی باشند که حالت آنها را جایی بین صفر و یک تعیین می کند.
بترتیب از راست به چپ، کیوبیت (Qubit) و کلاسیک بیت (Classical Bit)
 
اطلاعات کوانتومی بر اساس کیوبیت

چه تفاوتی میان یک کامپیوتر کوانتومی ویک کامپیوترکلاسیک وجود دارد؟
در کامپیوترهای کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای رایانه ای معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریز مانند نانو ذرات نیمه رسانا(نقاط کوانتومی- Quantum Dots) برای پردازش اطلاعات استفاده می‎کنند. در ادامه توضیح خواهیم داد.
در مقایسه این ۲نوع کامپیوتر می توان گفت، مسائلی که زمانی تصور می‎شد درکامپیوترهای کلاسیک غیر قابل حل است، درکامپیوتر های کوانتومی حل خواهد شد و شبیه سازی‎های صورت گرفته به واقعیت نزدیک تر می‎شود. حتی ابر کامپیوترها هم در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد.
کامپیوترهای کوانتومی از یک خاصیت دیگر هم سود می برند که آنها را از کامپیوترهای کلاسیک مستثنی می کند و آن انتقال از راه دور است. انتقال از راه دور موجب می شود، اطلاعات یک ذره به ذره دیگری منتقل شود. درنتیجه کامپیوترهای کوانتومی برای انتقال بیت در درون و بیرون ساختار خود، نیازمند سیم نیستند.

چه تفاوتی میان یک کامپیوتر کوانتومی ویک کامپیوترکلاسیک وجود دارد؟
(4 تفاوت دیگر کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک این است که، اندازه ترانزیستورها هر سال کوچک تر می شود. وقتی اندازه ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک می شود، دیگر قوانین حاکم بر فیزیک کلاسیک بر رفتار اتم ها حاکم نیست.
(5همان طورکه می دانیم در یک کامپیوتر کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک، اصول حاکم تغییر نموده اند. نه تنها، یک بیت کوانتومی، موسوم به کیوبیت می تواند درحالت های صفرویک کلاسیک وجود داشته باشد بلکه همچنین می توانند درحالت برهم نهی قرار داشته باشد. هرگاه هر کیوبیت دریک کامپیوتر کوانتومی درحالت برهم نهی واقع شده باشد، آنگاه کامپیوتر را می توان درهرحالت ممکنی مجسم کرد که آن کیوبیت هامی توانند از خود نشان دهند. درواقع کامپیوتر های کوانتومی می تواند در یک زمان چندین حالت داشته باشد و این امکان را ایجاد می کند که میلیون ها بار سریع تر و قدرتمند تر از ابرکامپیوتر های فعلی کار کند.

در این شکل به طور شماتیک و در سمت چپ یک مدار نیم جمع کننده را مشاهده می کنید که معادل کوانتومی و نانو متری آن در سمت راست پیشنهاد شده است. نوع اتم های به کار رفته، نحوه چینش اتم ها، چگونگی ایجاد سلول نمایش یافته ( معماری سلولی ) و چند ویژگی دیگر خصوصیات معادل با گیت های به کار رفته در نمونه دیجیتال هستند. یک راه نظری برای پیاده سازی سلول در این طرح، استفاده از «نقاط کوانتومی» (Quantum Dots) یا چیزی است که در زبان مکانیک کوانتومی آنرا «اتم مصنوعی » می نامیم.

درهم تنیدگی Entanglement
خاصیت بسیار شگفت انگیز در مکانیک کوانتومی، خاصیت در هم تنیدگی 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 بگیرند به طوریکه نتوان آن حالت را به شکل حاصل ضربی از حالت های جدا ازهم اولیه نشان داد به این حالت، حالت درهم تنیده گفته می شود.

یک نتیجه مهم Entanglement(درهم تنیدگی) این است که یک جفت کیوبیت درهم پیچیده روی یکدیگر تاثیرهمزمانی را می گذارند که به فاصله آنها از یکدیگر و ماده ای که این فاصله را پر می کند بستگی ندارد.
یک جفت در هم تنیده با هم مخلوط نمی شوند بلکه تنها به طور کوانتومی با هم برهم 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.

EPR
برای نخستین بار در سال 1935 میلادی آلبرت انیشتن طی مقاله ای مشترک با بوریس پودولسکی و نیتان روزن، EPR مورد بحث قرار گرفت، در این مطالعه پارادوکس EPR فرموله شد، آزمایشی فکر که در تلاش بود ناکامل بودن تئوری مکانیک کوانتومی را نشان دهد. پس از انتشار مقاله، اروین شرودینگر برای نخستین بار در نامه ای که برای اینشتن می نویسد از واژه در هم تنیدگی (Verschränkung )برای توصیف بستگی دو ذره که موقتاً با یکدیگر در اندرکنش بوده و سپس جدا شده اند استفاده کرد. شرودینگر همانند اینشتن با مفهوم درهم تنیدگی مخالف بود چرا که آشکارا نظریه نسبیت را که در آن سرعت نور، بیشینه سرعت انتقال اطلاعات بود را به چالش می کشید. در سال 1964 میلادی جان استوارت بل اثبات کرد یکی از فرضیات کلیدی موجود در EPR، یعنی اصل جایگزیدگی، با نظریه کوانتوم در تضاد بوده است.

EPR سه خصوصیت
هر اصلاح یا تغییری که به ذره شماره یک اعمال شود، زوج آن یعنی ذره شماره 2 نیز دچار آن تغییرات می شود.
تغییرات ذره 2 که ناشی از تغییرات اعمال شده به ذره 1 است، وابسته به فاصله میان آنها نیست.
ذره 2 بطور همزمان تغییرات ذره 1 را حس می کند.

تشریح فرآیند مخابرات کوانتومی
در این فرآیند، یک زوج فوتون EPR تولید و یکی از این فوتون ها برایA و دیگری برای B ارسال می شود. فرستندهA تغییرات مورد نظر خود را با استفاده از گیت U به فوتون خود اعمال می کند. این تغییرات همان تغییر در پلاریزاسیون فوتون می باشد. تغییرات فوتون A بر فوتون گیرنده B نیز اثر می کند.
فرستنده A نتایج اندازه گیری خود را با استفاده از یک کانال کلاسیک برای Bمی فرستد. گیرندهB بوسیله گیت کوانتومی M تغییرات مورد نیاز را روی فوتون خود انجام داده تا پیام ارسالی A را استخراج کند.

شکل کلی از یک کامپیوتر کوانتومی

چگونه یک کامپیوترکوانتومی کارمی کند؟
در یک کامپیوتر کوانتومی به جای استفاده از ترانزیستورها و مدارهای کامپیوتری معمولی از اتم ها و سایر ذرات ریز برای پردازش اطلاعات استفاده می شود. یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در کامپیوتر عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان می پذیرد. کریس مونرو و همکارانش در دانشگاه میشیگان برای ذخیره اطلاعات با استفاده از حالت مغناطیسی اتم از یک اتم کادمیم به دام افتاده در میدان الکتریکی استفاده کردند. در این روش انرژی توسط یک لیزر به درون اتم پمپاژ شده و اتم وادار به گسیل فوتونی می شود که رونوشتی از اطلاعات اتم را در بر دارد و توسط آشکارساز قابل تشخیص است.

الگوریتم های کوانتومی
به منظور وارد کردن مسائل به درون یک کامپیوترما نیازداریم تا الگوریتم ها را به دقت تعریف و بنیان گذاری کنیم، الگوریتم مجموعه ای ازدستورالعمل های عمومیت یافته است که این امکان رابرای ما فراهم می سازد تا بتوانیم عملیات محاسبه ی معین و ویژه ای رابه ترتیب اجراکنیم. هرگاه ما الگوریتم های کلاسیکی خودمان رابر روی یک کامپیوتر کوانتومی مورد استفاده قراردهیم، به سادگی محاسبات را به طریقه مشابه با یک کامپیوتر کلاسیک انجام و اجرا خواهدکرد.

انواع الگوریتم های کوانتومی
● الگوریتم شور (Shor’s Algorithm) : هدف این الگوریتم شکستن یا تجزیه یک عدد بزرگ به عامل های اول آن است.
● الگوریتم گراور( Graver’s Algorithm): الگوریتم می تواند عملیات مرتب کردن داده ها را ازمیان پایگاه های اطلاعاتی بزرگ و نامرتب انجام دهد.

مراکز تحقیقاتی بزرگی در اروپا و آمریکای شمالی از جمله انیستیتو پریمیتر در کانادا، شرکت IBM ، دانشگاه هایی همچون آکسفورد، MIT ، هاروارد، پرینستون و چندین مرکز دیگر به طور جدی روی این موضوع مشغول تحقیق هستند. اما شرکت IBM پیشرو در این زمینه است و ستاوردهایش طی سال ها به صورت زیر است:
سیر تکامل کامپیوتر های کوانتومی
۱۹۹1- اولین کار کامپیوتر دارای ۲ کیوبیت در دانشگاه کالیفرنیا بریکلی نمایش داده شد.

۱۹۹۹- اولین کار کامپیوتر دارای ۳  کیوبیت در مرکز تحقیقات المدن IBM نمایش داده شد اولین اجرای  الگوریتم گراور.

۲۰۰۰- اولین عملکرد کامپیوتر دارای ۵ کیوبیت در مرکز تحقیقات المدن IBM به نمایش در آمد. نخستین  اجرای یافت دستور (بخشی از الگوریتم شور).

۲۰۰۱- اولین عملکرد  کامپیوتر دارای ۷ کیوبیت در مرکز تحقیقات المدن IBM  نمایش داده شد نخستین اجرای الگوریتم شور. عدد ۱۵ با استفاده از مولکول های یکسان ۱۰۱۸ که هر کدام شامل ۷ اتم می باشد فاکتورگیری شد.
در حال حاضر پردازنده کوانتومی کامپیوتر تکمیل شده از نوع 20 کیوبیتی بوده و دیگر طرح در حال تکمیل که نمونه اولیه ای از آن هم ساخته شده پردازنده ای 50 کیوبیتی دارد.

نمای کلی کامپیوتر کوانتومی شرکت IBM
یک کامپیوتر کوانتومی 30 کیوبیتیIBM قدرتی معادل کامپیوتری معمولی با توانایی انجام 10ترا محاسبه بر روی اعداد اعشاری در یک ثانیه ترافلاپس (Teraflops) دارد. سریع ترین ابرکامپیوتر کنونی سرعتی برابر 2 ترافلاپس دارد.

جدیدترین کامپیوتر کوانتومی به سفارش گوگل و ناسا
شرکت‬ D-wave سازنده این کامپیوتر است که نامش را ‬D-Wave One گذاشته و با انتشار مقاله ای در مجله Nature کار خودش را در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی اثبات کرده است. در تصویر بالا پردازشگر این کامپیوتر را می بینید که از نوع 128 Qubit است و برای خرید آن ده میلیون دلار لازم است. بعد از آن کامپیوتر D-Wave 2X می باشد. در 2X تعداد کیوبیت ها نسبت به مدل پیشین D-Wave دوبرابر شده و به ۱۰۰۰ رسیده است. گفته می شود این ابررایانه در دمای ۱۶ میلی کلوین (یعنی خیلی خیلی خیلی سرد!) کار می کند.
سومین نسل و جدیدترین کامپیوتر این شرکت D-Wave 2000Q می باشد که طبق اعلام کمپانی «دی-وِیو»، ناسا پیش از پایان سال 2017 کامپیوتر کوانتومی 2000Qرا در مرکز تحقیقاتی Ames نصب خواهد کرد.
پردازنده می بایست در محفظه ای با فشار ده میلیارد مرتبه کمتر از اتمسفر زمین قرار داشته باشد. یعنی در فضایی با دمای 180 بار سردتر از فضا یا به عبارتی 0.015 درجه بیشتر از صفر مطلق قرار داشته باشد.

با تشکر…