کامپیوترهای کوانتمی

آیا تاکنون نام قانون مور را شنیده‌اید؟ حدود 40 سال پیش، «گوردون مور» (Gordon Moor) از بنیان‌گذاران شرکت «اینتل» با در نظر‌گرفتن روند تغییر میزان پیچید‌گی مدارهای میکرو‌الکترونیک پیش‌بینی کرد این میزان هر‌سال دو برابر شود.معیار اندازه‌گیری این پیچیدگی تعداد ترانزیستور در واحد سطح بود. بر اساس این پیش بینی، هر سال ‌IC هایی به بازار می‌آمدند که تعداد ترانزیستورهای آن‌ها در واحد سطح، دو برابر سال قبل بود. این پیش‌بینی کم‌کم به‌عنوان شاخصی برای پیش‌بینی آینده‌ی صنعت میکروالکترونیک تبدیل شد و نام قانون به خود گرفت .

اما لحظه‌ای تامل کنید: دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها یعنی نصف شدن ابعاد آن‌ها!بدیهی است که برای کوچک‌شدن ابعاد ترانزیستورها حد پایینی وجود دارد. به این معنی که اندازه‌ی چیپ‌های سیلیکونی سرانجام به جایی میرسد که از حدود ابعاد اتمی بزرگ‌تر نخواهد ‌بود و فیزیک حاکم برابعاد اتمی دیگر از قوانین کلاسیک پیروی نمی‌کند.ومشکل دقیقا از همین‌جا شروع می‌شود:

از یک‌سو برای افزایش سرعت پردازش داده‌ها باید ترانزیستورهای تراشه‌ها کوچک‌تر شوند تا الکترون‌ مسیر کوتاه‌تری بپیماید و از سوی دیگر کوچک شدن ابعاد تراشه‌ها سبب بروز مشکلات ترمودینامیکی می‌شود به این معنی که دمای تراشه‌ها به سرعت افزایش می‌یابد و در نهایت کارکرد کلی سیستم را کاهش می‌دهد.

مجموعه‌ی تمام این مشکلات پرسش جدیدی را پیش روی دانشمندان نهاد:

آیا می‌توان نوع جدیدی از کامپیوتر بر اساس اصول کوانتم مکانیک طراحی کرد؟

فیزیکدان مشهور،«ریچارد فاینمن»، در زمره‌ی اولین افرادی بود که در جستجوی پاسخی برای این پرسش برآمد ودر این راستا درسال 1982 میلادی مدلی انتزاعی برای چگونگی انجام محاسبات مبتنی بر اصول کوانتم مکانیک ارائه کرد. کامپیوتر‌کوانتومی باید با کامپیوتر‌کلاسیک، یعنی همین کامپیوتری که در مقابل شما قرار‌دارد، تفاوت اساسی داشته‌ باشد. به این نکته توجه کنید که اگر‌چه کامپیوتر‌های کنونی بر قله‌ی پیشرفت فناوری‌های رایانه‌ای ایستاده‌اند ، با‌نهایت شگفتی،بر‌اساس اصول کارکرد با اجداد غول‌پیکر 30 تنی خود که به 18000 لامپ خلا و500 مایل سیم مجهز بودند تفاوت چندانی ندارند. یعنی اگر‌چه فشرده‌تر ونیز به‌طور چشم‌گیری درانجام فرآیندهای محاسباتی سریع‌تر شده‌اند، نحوه‌ی عمل‌کرد آن‌ها اصولا ثابت مانده است.

واحد اطلاعات در کامپیوتر‌های کلاسیک بیت است که با 0و1 نمایش داده می‌شود وهر بیت به لحاظ فیزیکی به کمک یک سیستم ماکروسکوپی مانند مغناطیدگی دیسک سخت یا باردارشدن خازن مشخص می‌شود اما در یک کامپیوترکوانتمی واحد اطلاعات کیوبیت (qbit) است و مقادیر صفر، یک و یا حتی یک برهم‌نهی کوانتمی ازاین دو را در بر‌می‌گیرد و بنابراین دودویی نیست پس دیگراز چارچوب منطق «بولی» تبعیت نمی‌کند وبه جای آن ازچارچوب «منطق کوانتومی» پیروی می‌‌کند. یک مثال برای اجرایی کردن ایده‌ی طراحی کامپیوتر‌های کوانتومی، استفاده از ذره‌هایی است که دو حالت اسپینی دارند.(اسپین یک خاصیت ذاتی ذره است که مشابه کلاسیک ندارد و با یک تقریب ساده‌‌انگارانه می‌توان آن‌ راهم‌چون حرکت وضعی زمین، چرخش الکترون به دور خودش دانست. )

درصورت ساخت کامپیوترهای کوانتمی بزرگ، این کامپیوترها قادر خواهند بود مسائلی را که کامپیوتر‌های کنونی برای حل آن‌ها نیاز به زمان و حافظه‌ی زیادی دارند با صرف زمان وهزینه‌ی کم‌تر (به طور نمایی سریع‌تر) حل کنند. مثلا اگر فرض کنیم تجزیه یک عدد بسیاربزرگ به عوامل اول آن برای کامپیوترهای کنونی به مدت زمانی از مرتبه‌ی طول عمر عالم نیازداشته باشند، کامپیوترهای کوانتومی این عمل راتنها در مدت چند ثانیه انجام می‌دهند.

محاسبات کوانتمی در مرز مشترک فیزیک، علوم‌کامپیوتر، تکنولوژی اطلاعات، وفناوری نانو قرار دارد. این رشته‌ی نوظهور درطی ده سال گذشته توجه ویژه‌ی دولت‌ها وسرمایه‌گذاری‌های کلان صنایع را به خود اختصاص داده است.یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های محاسبات کوانتومی ،رمزنگاری کوانتومی است که در انتقال محرمانه‌ترین پیغام‌ها،نظیر پیام‌های بانکی ونظامی استفاده می‌شود.

اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز دوران کودکی خود را سپری می‌کند، پژوهش در هر دو حوزه‌ی تئوری وعملی با سرعت چشم‌گیری پیش می‌رود.