رایانه های کوانتومی - Quantom Computers

[silhouette]

رایانه های کوانتومی (Quantum Computers)

احسان شاكري پور
چكيده – تا چند دهه ي ديگر، رايانه هاي كوانتومي از داخل داستان هاي علمي تخيّلي و همچنين آزمايشگاه هاي تحقيقاتي دانشمندان علوم رايانه، فيزيك و رياضي دانان به بيرون خواهند آمد و به صورت كاربردي و عملي مورد استفاده قرار خواهند گرفت. آن دسته از مسائل كه با محاسبات پيچيده ي خود، رايانه ي جبري امروز را به ستوه مي آورند، توسط رايانه هاي كوانتومي حل خواهد شد. ما در اين مقاله كه با فرض داشتن حداقل اطلاعات از دنياي رايانه تنظيم شده است، به مروري مختصر بر رايانه هاي كوانتومي و طرز عملكرد گونه هايي از آن ها پرداخته و گوشه هايي از توانايي هاي آن ها را معرفي خواهيم كرد و همچنين گذري بر محاسبات كوانتومي خواهيم داشت. قابل به ذكر است در اين مقاله سعي شده است تا حد ممكن از وارد شدن به دهليزهاي تخصصي فيزيك و رياضي پرهيز شود.
كليد واژه – رايانه، كوانتوم، كوبيت، پردازش، درهم تنيدگي
مقدمه
میزان گسترده قدرت های پردازشی که توسط شرکت های رایانه ای تولید شده است، تا کنون قادر به فرو نشاندن عطش ما به سرعت و توان محاسباتی نبوده است. در سال 1947 ، یک مهندس کامپیوتر امریکایی به نام هوارد ایکن (Howard Aiken) مدعی شد که تنها 6 رایانه الکترونیکی دیجیتال برای برآوردن نیاز محاسباتی ایالات متحده، کافی است! اینچنین پیش بینی های نامعتبر، در باره ی میزان توان محاسباتی برای برآوردن نیاز روزافزون تکنولوژیکی ما، توسط افراد دیگری نیز گفته شد. احتمالا ایکن و دیگران، مواردی چون میزان حجیم اطلاعاتی که توسط تحقیقات دانشمندان تولید می شود، تکثیر رایانه های شخصی و یا ظهور اینترنت را که هرکدام به نوعی نیاز ما به توانایی محاسباتی را تقویت می کند، در نظر نگرفته بودند.
آیا هیچوقت توان محاسباتی مورد نیاز خود را خواهیم داشت؟ اگر طبق قانون مُور، تعداد ترانزیستورها در ریزپردازنده در هر 18 ماه دوبرابر شود، سال 2020 یا 2030 با مدارهایی به مقیاس اتمی در ریزپردازنده ها روبرو خواهیم بود؛ و به طور منطقی قدم بعدی، ساخت رایانه های کوانتومی (QC) خواهد یود که قدرت اتم ها و مولکول ها را برای اجرای وظایف حافظه ای و پردازشی، به کار خواهند برد. QC ها بالقوه می توانند هر محاسبات معیّنی را سریع تر از هر رایانه ی پایه سیلیکنی دیگر، انجام دهند. فناوری های کوانتومی ابزاری در نسل پنجم رایانه‌ها هستند. محاسبه کوانتومی، ملکولی و نانو به صورت اساسی چهره رایانه‌ها را در سال‌های آتی تغییر خواهد داد.

[silhouette]

دنیای کوانتومی و رایانه های کوانتومی
اولین بار فاینمن (Feynman) بود که ناتوانی رایانه کلاسیک، برای شبیه سازی دقیق یک سیستم کوانتومی هر چند نسبتاً کوچک (مثلا 100 ذره ) را مطرح ساخت. پیچیدگی سیستمهای کوانتومی با افزایش ذرات به شکل نمایی افزایش می یابد، بدین معنی که پارامترهایی که برای توصیف سیستم کوانتومی لازم میباشند، با افزایش اندازه ي سیستم به طور نمایی افزایش می یابند. در اين صورت با افزایش اندازه ي سیستم تا اندازه ای معین، تعداد پارامترهای سیستم کوانتومی به قدری زیاد میشوند که دیگر نمی توانند در حافظه ي شبیه ساز کلاسیکی (رایانه امروزی) قرار گيرند. مثلا اگر سیستمی داشته باشیم که از 100 اسپین تشکیل شده باشد، تعداد پارامترهایی که لازم است حالت آن را در حالت کلی توصیف کنیم2100 است كه از کل تعداد اتمهای جهان بیشتر میشود. در این صورت رایانه کلاسیکی به بزرگی کل جهان که هر بیت کلاسیکی حافظه ي آن فقط یک اتم باشد قادر به شبیه سازی دقیق چنین سیستمی درحال کلی نمی باشد. این محدودیت جدی، فاینمن را بر آن داشت که طرح شبیه ساز کوانتومی را پیشنهاد کند. این شبیه ساز خود یک پردازشگر می باشد که از سیستم کوانتومی تشکیل شده است. در این سناریو، اطلاعات ورودی روی حالتهای کوانتومی این پردازشگر ذخیره میشوند و بالطبع تحول زمانی این حالتها از معادله ي شرودینگر تبعیت میکند. تحول زمانی حالتها طبق یک الگوریتم خاص که آن را برای حل یک مسئله ي مشخص مطرح کرده ایم، صورت میگیرد. در این سناریو، رفتار اطلاعات از قوانین کوانتومی تبعیت میکند. این قوانین اثرات و نتایج جدیدی را در پی دارند که میتوانيم آنها را در پردازش اطلاعات بکار ببریم ، به طوری که ثابت میشود از پردازش اطلاعات کلاسیکی بسیار کارآمدتر میباشند.

برای رسیدن به خواستگاه محاسبات کوانتومی، لازم نیست که خیلی به عقب برویم. در حالی که در قرن بیستم رایانه ها بطور وسیعی اطراف ما را احاطه کرده بودند، فرضیه محاسبات کوانتومی برای اولین بار در کمتر از 30 سال پیش توسط یک فیزیکدان در آزمایشگاه ملی آرگان (Argonne National Laboratory (http://computer.howstuffworks.com/framed.htm?parent=quantum-computer.htm&url=http://www.anl.gov/)) بوجود آمد. پول بینایوف (Paul Benioff) به عنوان کسی که نظریه کوانتوم را برای رایانه ها، برای اولین بار در سال 1981 بکار بست، شناخته می شود. همان طور که می دانید، اکثر رایانه های دیجیتال بر پایه ی ماشین تورینگ بناشده اند. بینایوف فرضیه ی ساخت ماشین تورینگ کوانتومی را ارائه کرد.

نیلز بور : « جهان کوانتومی وجود ندارد، بلکه توصیفی انتزاعی کوانتوم فیزیکی وجود دارد.» صرف نظر از اثبات وجود یا عدم وجود جهان کوانتومی به خوبی میدانیم که مکانیک کوانتومی رفتارهای عجیب ذاتاً کوانتومی برای سیستمهای کوانتومی پیش بینی میکند که مانستگی کلاسیکی ندارد. خوشبختانه، بدون وارد شدن در دهلیزهای مباحث فلسفی، این رفتارها را میتوان در آزمایشگاه مشاهده کرد و راز قدرت رایانه کوانتومی چیزی جز بکار بردن این اثرات کوانتومی در ذخیره و پردازش اطلاعات نیست. اصول فیزیک کوانتومی اجازه ساخت رایانه کوانتومی را به ما میدهد كه برتری آن را نسبت به رایانه های کلاسیک به ما نشان میدهد.

[silhouette]

تعریف رایانه کوانتومی
همانطور که می دانید، ماشین تورینگ که توسط الن تورینگ (Alan Turing) در دهه ی 1930 ارائه شد، یک ابزار فرضی است که از یک نوار با طول نامحدود و یک هد خواندن-نوشتن تشکیل شده است. نوار به مربع های کوچکی تقسیم شده که هر مربع می تواند یک سمبل (0 یا 1) در خود نگه داشته و یا خالی باشد. هد خواندن-نوشتن این سمبل ها و یا فضای خالی را می خواند و در نتیجه دستور اجرای یک برنامه مشخص را دریافت می کند.
حتماً با مطالب فوق آشنا هستید، خوب، در ماشین تورینگ کوانتومی (quantum Turing machine) هد خواندن-نوشتن همچنان موجود است. اما تفاوت در این است که نوار در یک وضعیت کوانتومی قرار دارد و این به این معنی است که سمبل ها در روی نوار می توانند در هر کدام از حالات 0 ، 1 و یا انطباقی (برهم نهی) (superposition) از 0 و 1 باشند! به عبارت دیگر سمبل ها در هر لحظه هم 0 هستند و هم 1 (و تمام نقاط بین این دو). در نتیجه، در حالی که ماشین تورینگ معمولی در هر لحظه تنها توانایی انجام یک محاسبه را داراست، ماشین تورینگ کوانتومی می تواند چندین محاسبه را به طور همزمان اجرا کند.
رایانه های امروزی، همانند ماشین تورینگ، با دستکاری بیت هایی که در یکی از دو وضعیت 0 یا 1 هستند، کار می کنند. رایانه های کوانتومی به این دو وضعیت محدود نشده اند؛ این رایانه ها اطلاعات را به صورت بیت های کوانتومی، یا کوبیت (qubit) ، که می توانند در حالت انطباق باشند، کد می کنند.
برای درک بهتر این موضوع دو بیت را در نظر بگیرید. در حالی که این دو بیت در یک لحظه تنها می توانند یکی از حالات 00 ، 01 ، 10 ، 11 را داشته باشند (یعنی یکی از اعداد 0 تا 3) اما دو کوبیت می توانند تمام این 4 حالت را به طور همزمان داشته باشند(تمام اعداد 0 ، 1 ، 2 و 3). پس یک رایانه کوانتومی می تواند n2 حالت ممکن را با هم بررسی کند.
کوبیت ها ارائه کننده ی اتم، یون، فوتون یا الکترون و وسایل کنترلی مربوطه می باشند که با یکدیگر کار کرده تا به عنوان حافظه کامپیوتر و پردازنده عمل کنند. برخی، از سطوح انرژی یون‌های به‌دام ‌افتاده در میدان‌های الکتریکی به عنوان صفر و یک ‌های کوانتومی استفاده کرده‌اند. دیگران در قطبی کردن فوتون‌ها به دنبال کوبیت‌ها گشته‌اند. اما هنوز برخی دیگر، از اسپین‌های کوانتومی درون مولکول‌های کلروفرم و اسپین‌های الکترون درون نانوکریستال‌ها که به عنوان نقطه‌های کوانتومی شناخته می‌شوند، استفاده می‌کنند.

به دلیل اینکه رایانه های کوانتومی می توانند حالت های چند وضعیتی را بطور هم زمان دارا باشند، لذا این پتانسیل وجود دارد که میلیون ها بار سریعتر از قوی ترین ابررایانه های امروزی باشند. برهم نهی کوبیت ها، خاصّیتی است که توانایی ذاتی محاسبات موازی را به رایانه های کوانتومی می دهد.
به عقیده این فیزیکدان، دیوید دویچ (DavidDeutsch) ، خاصیت موازات به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد تا بطور همزمان بر روی میلیون ها محاسبه کار کنند، در حالی که رایانه ی رومیزی شما تنها قادر به انجام یکی از آن محاسبات در آن زمان می باشد. در سال 1985، دويچ مقاله نظري مهمي را منتشر کرد که نشان مي داد اصولا هر فرآيند فيزيکي را مي توان به خوبي با کامپيوترهاي کوانتومي مدل سازي کرد. بعد از انتشار مقاله دويچ، تحقيقات براي دستيابي به کاربردهاي جديدتر براي چنين دستگاهي آغاز شد.
یک رایانه کوانتومی 30-کوبیتی قدرت پردازشی برابر با قدرت پردازش یک رایانه متداول امروزی که می تواند بر روی 10 ترافلاپ (teraflop)(هر ترافلاپ برابر است با یک تریلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) کارکند را ارائه مي كند؛ در حالی که رایانه های رومیزی معمولی امروزی در مقیاس سرعت گیگافلاپ (gigaflops)( یک میلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) کار می کنند.
رایانه های کوانتومی همچنین از خاصیت دیگر ماشین های کوانتومی به نام درهم تنیدگی (entanglement) بهره می برند. یکی از مشکلات ایده ی رایانه های کوانتومی این است که اگر شما به ذره های درون اتمی نگاه کنید، می توانید آن ها را جابجا کنید و بدین وسیله ارزش آن ها را تغییر دهید. اگر برای تشخیص ارزش یک کوبیت در حالت انطباق به آن نگاه کنید، کوبیت هر یک از دو ارزش 0 و 1 را ارائه خواهد کرد، اما نه هردوی آن ها که این مسئله رایانه ی کوانتومی نازنین شما را به یک رایانه ی دیجیتال معمولی تبدیل خواهد کرد.
با توجه به فیزیک کوانتومی، نمی توان دقیقاً وجود یا عدم وجود یک ذره ریز درون اتمی را مشخص کرد. می توان به وسیله آمار و احتمال، امکان وجود این ذرّه های ریز را در مکان و زمان مشخصی تعیین کرد. اما هیچ راهی برای دانستن قطعی اینکه آیا این ذره آنجا هست یا نه، تا وقتی که آن را مستقیماً ندیده ایم، وجود ندارد. البته آنچه در رایانه های کوانتومی با ارزش است همین احتمالات است. این احتمال بودن یا نبودن است که نبودن یا بودن کامپیوترهای کوانتومی را تعیین می کند.
برای ساخت یک رایانه کوانتومی واقعی بی عیب، دانشمندان باید راه هایی غیر مستقیم برای سنجش کوبیت ها پیدا کنند. درهم تنیدگی یک راه بالقوه را ارائه می دهد. در فیزیک کوانتومی، اگر شما یک نیروی خارجی به دو اتم اعمال کنید، این عمل باعث درهم تنیدگی آن ها می شود و در نتیجه اتم دوم می تواند خواص اتم اول را بپذیرد. بنابراین با حذف نیرو، اتم در تمامی مسیرها به گردش درمی آید. در لحظه ای که نیرو مختل می شود، اتم یک مدار گردشی (spin) یا یک ارزش را انتخاب می کند؛ در همان لحظه، اتم درهم تنیده ی دوم مدار گردشی یا ارزش مخالف را انتخاب می کند. این مسئله به دانشمندان کمک می کند تا بتوانند ارزش کوبیت ها را به طور غیر مستقیم تشخیص دهند.

[silhouette]

هم دوسی (coherence) ، سد راه رایانه های کوانتومی
در راه ساخت اين رایانه ها موانع جدي مهندسي و فناوری وجود دارد. از جمله، همان طور که گفته شد، چون اين رایانه ها از خاصيتي موسوم به درهم تنيدگي ذرات اتمي نظير الكترون‌ هااستفاده مي‌كنند كه در آن يك الكترون از يك مجموعه دوتايي، اطلاعات خود را به شكلكوانتومي به الكترون ديگر منتقل مي‌كند، اين خطر وجود دارد كه اين اطلاعات بر طبقيك پديده كوانتومي ديگر موسوم به "از دست رفتن انسجام سيستم"(Decoherence) به الكترون‌هاي ديگري كه جزو اين مجموعه دوتايي نيستند، اما در هماننزديكي قرار دارند، منتقل شوند و به اين ترتيب امنيت اطلاعات و نيز صحت پردازش آنهادر معرض خطر قرار گيرد.
پديده از دست رفتن انسجام مي‌تواند به عنوان مثال بهواسطه ی وجود يك ميدان مغناطيسي ناخواسته در محيط به وجود آيد. اين ميدان احتمالاًمي‌تواند به وسيله حركت خود الكترون‌ها در درون اتم‌ هاي موادي كه براي پردازشاطلاعات مورد استفاده قرار گرفته‌اند، توليد شود .راهي كه تاكنون براي مقابله بااين خطر به ذهن دانشمندان رسيده بود، آن است كه دماي محيط را تا حد كاملاً نزديك بهصفر مطلق، پایين بياورند.
اما به نوشته هفته‌نامه علمي "ساينس" يك گروه ازمحققان در موسسه فناوری فدرال سوئيس در زوريخ، پس از بررسي پديده از دست رفتنانسجام سيستم در بلورهاي فلورايد هولميوم ليتيوم، مشاهده كردند كه بلورها در دماي يكدرجه بالاي صفر مطلق مي‌توانند مانع بروز اين پديده كه براي رایانه ها ي كوانتومينامطلوب است، بشود.
ممكن است برخي تصور كنند، يك درجه بالاي صفر مطلق يعني يك درجه كمتر از منهاي ‪ ۲۷۳ درجه سانتيگراد، چندان تفاوتي با صفر مطلق نداشته باشد، اما واقعيت اين است كه تفاوت بين منهاي ۲۷۲ درجه سانتيگراد و منهاي ۲۷۳ درجه سانتيگراد بسيار چشمگير است. در حاليكه دست يافتن به دومي بسيار بسيار دشوار و احياناً غير ممكن است، دست يافتن به اولي نسبتاًٌ آسان است و با صرف انرژي به مراتب كمتري مي توان آن را تحقق بخشيد. به همين دليل، كشف پژوهشگران سوئيسي گام بلند و مؤثري در زمينه تكميل رایانه ها ي كوانتومي به شمار مي‌آيد

[silhouette]

تجسم محاسبه کوانتومی
الگوریتم های رایانه کوانتومی، اندیشیدن بر حسب عوامل احتمالی را می طلبد، که این مسئله تغییری مفهومی برای برنامه نویسان امروز است. از بعضی جهات این مسئله شبیه به تغییر دید در اولین استفاده از برنامه نویسی شئ گرا (OOP) (Object Oriented Programming) ، برنامه نویسی تابعی و یا چند نخی است. اما از جهتی دیگر این تغییر بسیار بنیادی تر است؛ زیرا کلاس گسترده ای از مسائل نابرابری (احتمالات) را در مقابل ما می گشاید.
بیاید مسئله زیر را با هم بررسی کنیم. می خواهیم مسیری را از درون یک مارپیج پیچیده پیدا کنیم. هر زمان که ما یک مسیر را انتخاب می کنیم ، بلافاصله با انشعاب های جدید روبرو می شویم. با اینکه می دانیم مسیری برای خروج وجود دارد، اما گم شدن به سادگی امکان پذیر است. یک الگوریتم بسیار معروف برای مسئله مارپیچ، قانون دست راست است. اگرچه ممکن است کوتاه ترین راه را نیابیم، اما حداقل وارد دالان های تکراری نمی شویم. در مبحث رایانه ای، این قانون به درخت بازگشتی کاهشی (recursive tree descent) نیز مشهور می باشد.
حالا بیاید مسئله دیگری را بررسی کنیم. در ورودی مارپیچ می ایستیم و مقداری گاز رنگی وارد مارپیچ می کنیم تا همه ی دالان ها را بپوشاند. همچنین دوست ما در خروجی مارپیچ ایستاده است. هنگامی که او وزش گاز رنگی را مشاهده می کند که در حال خارج شدن از مارپیچ است، به سادگی از ذرّات گاز می پرسد که از کدام مسیر گذر کرده اند! با احتمال زیاد، اولین ذرّه ای که مورد پرسش قرار می گیرد، کوتاه ترین راه ممکن را پیموده است.
طبیعتاً ذرّات گاز نمی توانند در مورد سفر خود چیزی به ما بگویند، اما QC ها در وضعیتی بسیار شبیه به داستان ما عمل می کنند. در واقع آنها تمام فضای مسئله را پر خواهند کرد و تنها زحمت، پرسیدن راه صحیح است. (خارج کردن راه های اشتباه از فضای پاسخ ها)

[silhouette]

qcl (Quantum Computing Language) ، شبیه ساز رایانه های کوانتومی
شبیه سازی رایانه های کوانتومی بر روی یک رایانه ی کلاسیک سنتی مسئله ی مشکلی است.
منابعی که برای شبیه سازی یک رایانه کوانتومی مورد نیاز است، با توجه به میزان حافظه کوانتومی تحت شبیه سازی، به طور نمایی افزایش پیدا می کنند. با این وجود شبیه سازی یک رایانه ی کوانتومی حتی با تعداد محدودی کوبیت، قابلیّتی فراتر از رایانه های امروزی دارد.
qcl تنها رایانه های کوانتومی بسیار کوجک را شبیه سازی می کند، اما خوشبختانه به اندازه کافی قدرتمند می باشد تا بتواند ایده ی پشت چند الگوریتم کوانتومی مفید را نمایان کند.
احتمالا مانند ابررایانه های دیروز، اولین رایانه های کوانتومی آینده مرکب از چند سخت افزار عجیب و غریب خواهند بود که بر روی یک هسته مرکزی قرار دارند که ماشین حالت کوانتومی را نگهداری و دستکاری می کند و در اطراف آن ها سخت افزارهایی حیاتی خواهند بود که آن ها را حمایت کرده و به کاربران محیط برنامه نویسی متعارفی را ارائه خواهند داد. qcl بوسیله فراهم کردن ساختار برنامه ای ِ کلاسیک با نوع داده کوانتومی و همچنین توابع بخصوصی برای اجرای عملیات بر روی آن ها، یک چنین محیطی را شبیه سازی می کند. qcl مفسری محاوره ای با گرامری شبیه به C دارد.




Initializing qcl and dumping a qubit :




$ qcl --bits=5

[0/8] 1 |00000>
qcl> qureg a[1];
qcl> dump a
: SPECTRUM a: |....0>
1 |0>
A Boolean function on a qubit :
qcl> Not(a);
[2/8] 1 |00001>
Some more qubit operators (CNot) :
qcl> qureg b[2];
qcl> Not(b[1]);
[3/8] 1 |00100>
qcl> CNot(b[0], b[1]);
[3/8] 1 |00110>
qcl> dump b[0];
: SPECTRUM b[0]: |...0.>
1 |1>
qcl> dump b[1];
: SPECTRUM b[1]: |..0..>

1 |1>

[silhouette]

رایانه های کوانتومی امروز
رایانه های کوانتومی می توانند روزی جانشین تراشه های سیلیکنی شوند، همان طور که روزی ترانزیستور جای لامپ خلاء را گرفت. اما در حال حاظر این تکنولوژی نیاز به پیشرفت دارد و رایانه های کوانتومی دور از دسترس ما هستند. بیشتر تحقیقاتی هم که تا کنون در این زمینه انجام شده، جنبه ی تئوری دارند.
پیشرفته ترین رایانه های کوانتومی هنوز توانایی این را ندارند که بر روی بیش از 16 کوبیت کار کنند، این بدین معنی است که تا کاربرد عملی فاصله ی زیادی دارند. اگرچه پتانسیل موجود تضمین می کند که روزی رایانه های کونتومی بتوانند محاسباتی که به طور باورنکردنی زمان بر هستند را به سرعت و به آسانی انجام دهند.
در سالهای اخیر چندین کلید پیشرفت در زمینه رایانه های کوانتومی به دست آمده است. پس در ادامه به چند رایانه کوانتومی که ایجاد شده اند، می پردازیم.

1998
محققان آزمایشگاه Los Alamos و MITموفق شدند یک کوبیت را در بین سه اسپین هسته ای در هر مولکول محلول مایعی از alanine(آمینواسیدی که برای تجزیه و تحلیل واپاشی حالت کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرد) یا trichloroethylene(محلول هيدروژن و کلروکربن که برای تصحیح خطای کوانتومی استفاده می شود) انتشار دهند. انتشار کوبیت خراب شدن آن را سخت تر می کند، لذا به محققان اين امکان را داد تا از برهم تنیدگی برای مطالعه غیر مستقیم فعل و انفعالات بین حالات، برای تجزیه و تحلیل اطلاعات کوانتومی استفاده کنند.
2000
در ماه مارس، رایانه کوانتومی 7 کوبیتی توسط دانشمندان آزمایشگاه ملی Los Alamos معرفی شد. این رایانه کوانتومی از تشديد مغناطيسی هسته ای (NMR) برای دستکاری اجزاء در هسته ی اتم استفاده می کرد.
2001
دانشمندان IBM و دانشگاه استنفورد به طور موفقیت آمیزی الگوریتم شور را توسط یک رایانه کوانتومی 7 کوبیتی برای پیداکردن عوامل اول عدد 15 پیاده سازی کردند. الگوریتم شور روشی برای پیدا کردن عوامل اول یک عدد است که نقش اصلی را در رمزنگاری بازی می کند.
آن ها موجب شده اند ميلياردها ميليارد سلول رايانه اي خاصي که در محيط آزمايشگاهي طراحي شده اند به رايانه هاي کوانتومي هفت کيوبيتي تبديل شوند که گونه ساده اي از مشکلات رياضي را حل مي کنند که اساس رمزنگاري دستگاه هاي امنيت امروزي است.
2005
مؤسسه اپتیک و اطلاعات کوانتومی در دانشگاه اینسبروک اعلام کردن که دانشمندان اولین کوبایت (Qubyte) ، یعنی رشته ای 8 کوبیتی ، را با استفاده از تله ی یونی (ion trap) ساخته اند.
2007
شرکت کانادایی D-Waveاعلام کرد که رایانه کوانتومی 16 کوبیتی را ساخته است. این رایانه توانست بازی سودوکو و تعداد دیگری ار مسائل ریاضی را حل کند. اما منتقدان معتقدند تا رایانه کوانتومی کاربردی دهه ها سال فاصله است و بسیاری از ادعاهایی که در پایگاه الکترونیکی D-Waveوجود دارد غیر ممکن هستند.
اگر رایانه های کوانتومی کاربردی بتوانند ساخته شوند ، در تجزیه و عامل یابی اعداد بزرگ و همچنین رمزنگاری اطلاعات سرّی بسیار سودمند خواهند بود. این رایانه ها خواهند توانست پایگاه داده های بسیار بزرگ را در کسری از زمان جستجو کنند. همچنین رایانه های کوانتومی خواهند توانست به طور واقعی اعداد تصادفی تولید نمایند ، چیزی که تمام رایانه های امروزی از انجامش عاجزند. کاربردهای دیگر می تواند استفاده از این رایانه ها برای ساخت ماشین های کوانتومی و یا حداقل طراحی رایانه های کوانتومی دیگر باشد.
اما این رایانه ها هنوز قدم های ابتدایی توسعه خود را بر می دارند و بسیاری از دانشمندان علوم کامپیوتر معتقدند که تا فناوری ساخت رایانه های کوانتومی کاربردی، سال ها فاصله وجود دارد. رایانه های کوانتومی باید حداقل چندین جین کوبیت داشته باشند تا بتوانند مسائل دنیای واقعی را حل کنند و همچنین به عنوان روش های محاسباتی ماندگار استفاده شوند.

[silhouette]

2009 : استفاده از نور به عنوان سوخت و محاسبه عوامل عدد در یک چشم به هم زدن

دانشمندان در بریستول موفق به ساخت ابتدایی اولین رایانه بر روی یک ریزتراشه شدند که برای محاسبات خود بجای الکتریسیته از نور استفاده می کند. این تراشه کوچک، تنها با چند میلیمتر عرض، شاید بتواند منادی رایانه ها برای شکستن کدهای امنیتی پیچیده ی بانک ها باشد. پرفسور جِرمی اُبراین (Jeremy O’Brien) ، سرپرست مرکز فوتون های کوانتومی دانشگاه بریستول می گوید : « خبر بزرگ این است که ما توانستیم این مهم را بر روی یک تراشه پیاده سازی کنیم. »
چیزی که پرفسور به آن اشاره نمی کند این است که این تراشه یک رایانه کوانتومی کاملاً عملیاتی است که بر اساس پدیده ی قدرتمند مکانیک کوانتومی بنا نهاده شده است. پرفسور اُبراین تأکید می کند که این رایانه ابتدایی است و کاری بیشتر از محاسبه ای که شما برای ضرب عامل ها و بدست آوردن عدد 15 انجام می دهید، نمی کند اما این محاسبه را با استفاده از مکانیک کوانتومی انجام می دهد. « این یک رایاته کوانتومی ناقابل است که به شما چیزی می گوید که در حال حاضر آن را می دانید، اما این رایانه بر پایه ی اصول محاسبه ی کوانتومی کار می کند. »
دستگاه حاضر برای انجام محاسبات تنها از 4 فوتون یا ذرّات نور استفاده می کند. « این مدار چهار فتون به عنوان ورودی می گیرد و چهار فوتون به بیرون پرتاب می کند و در این جریان عوامل عدد 15 را بدست می آورد. »
مسئله با اهمیت این است که این رایانه راه حل را با استفاده از تأثیرات مکانیک کوانتومی از جمله انطباق و در هم تنیدگی بدست می آورد.
اولین QC برنامه پذیر
با استفاده از تعدادي يون فوق سرد، ليزرهاي قوي و چند الكترود، محققان قادر به ساخت اولين QC برنامه پذير شدند. اين سيستم جديد نشان داد كه توانايي تطبيق با 160 روال پردازشي كه بطور تصادفي انتخاب شده بودند را داراست.
نسخه هاي قبلي رايانه هاي كوانتومي، به شدت محدود به دامنه ي كوچكي از وظايفي مشخص بودند. اما براي سودمند شدن، اين رايانه ها بايد همانند رايانه هاي كلاسيك امروزي قابليت برنامه پذيري داشته باشند.
گروه محققان به سرپرستي ديويد هنِك (David Hannek) از مؤسسه ملي استاندارد و فناوري در بولدر ايالت كلرادو، رايانه كوانتومي خود را بر پايه ي دو يون بريليوم سرد شده كه تنها كمي بالاتر از صفر مطلق قرار داشتند، بنا نهادند. اين يون ها كه بوسيله ي ميدان مقناطيسي بر روي يك تراشه ي آلومينيومي با روكش طلا، در تله انداخته شده بودند، نقش كوبيت را بازي مي كردند. ليزر كوتاه بطور پيوسته يون ها را براي اجراي عمليات پردازشي، دستكاري كرده و از طرفي، همزمان يون هاي منيزيوم، ‌يون هاي بريلويم را سرد و بي حركت مي كنند.
هنك و همكاران وي، هر برنامه را 900 بار اجرا كردند و به طور متوسط 79 درصد پردازش ها با موفقيت انجام شد. با اين وجود، تحقيق هاي قبلي موفقيت 99/99 درصدي را تخمين زده بودند اما هنك معتقد است كه با ليزري قوي تر و چند تغيير و پالايش ديگر، موفقيت سيستم را مي توان افزايش داد.
دانشمندان علوم كامپيوتر و فيزيك دانان معتقدند كه يكي از مهيّج ترين موارد اين تحقيقات، امكان ساخت QC در مقياس بزرگتر است. زيرا فناوري استفاده شده در اين سيستم براي دو كوبيت، قابل گسترش به سيستم هاي بسيار بزرگ تر است.
نتيجه گيري
در اين مقاله به بررسي رايانه هاي كوانتومي پرداختيم و پس از شناخت اساس كار آن ها و آشنايي با دنياي كوانتومي، با خواصي چون درهم تنيدگي و هم دوسي، مزايا و معايب آن ها آشنا شديم. سپس براي درك هر چه بهتر توانايي QC ها، تجسمي از محاسبات كوانتومي ارائه گرديد و همچنين زبان qcl به عنوان شبيه ساز رایانه های کوانتومی معرفي و در پايان آخرين موفقيت ها در عرصه ي رایانه های کوانتومی عنوان شد.
سپاسگزاري
با سپاس فراوان از همكاري و راهنمايي هاي دوست گرامي جناب هادي منصوري، دانشجوي كارشناسي ارشد رشته علوم كامپيوتر دانشگاه تهران.
منابع :

http://www.sciencedaily.com
http://www.doc.ic.ac.uk
http://www.technologynewsdaily.com
http://cryptome.org
http://www.cs.cmu.edu
http://www.cs.caltech.edu
http://www.ibm.com
http://www.iqc.ca
http://www.technologyreview.com
http://www.amd1.com
http://www.qubit.org
http://www.newscientisttech.com
http://www.theregister.co.uk
http://www.irishtimes.com
http://www.itna.ir
http://www.sips.ir