در مقطعی از زندگی، ما فیلم یا سریال‌های تلویزیونی علمی تخیلی‌ای را تماشا کرده‌ایم که در آن افراد خوب باید یک شبکه رایانه‌ای را هک کنند و جلوی منفجر شدن دنیا یا برخی از این قبیل اقدامات شیطانی توسط افراد بد را بگیرند. اکنون یک بمب زمانی وجود دارد که به آخرین لحظات خود می‌رسد و بچه‌های خوب ما باید رمز را حدس بزنند و باید این کار را قبل از انفجار سریعاً انجام دهند! یک کامپیوتر کوانتومی برای این سناریو یک هدیه‌ی از بهشت فرستاده شده است. این شاید یک کار شبه بعید برای یک کامپیوتر کوانتومی باشد اما شکستن رمزها با سرعت جت قطعاً یکی از کاربردهای امیدوارکننده آن است.
قابل فهم سازی کلمه "کوانتوم"
برای این که محاسبات کوانتومی توضیح داده شود، باید کمی در مکانیک کوانتومی کاوش کنیم. مکانیک کوانتومی مبتنی بر این اصل است که هر جسم از ذرات کوانتومی یا کوانتوم‌ها (اتم ، الکترون و فوتون) ساخته می‌شود. این ذرات، گاهی اوقات، مانند موج رفتار می‌کنند و گاه موج‌ها به عنوان ذره رفتار می‌کنند، اما در واقع هیچ یک نیستند، مگر این که کسی آنها را مشاهده کند. علاوه بر این، آنچه مشاهده گر می‌یابد، خوب، یک احتمال تصادفی است! به نظر عجیب است؟ خوب، رهایش نکنید. ذره کوانتومی می‌تواند در دو حالت به طور هم زمان وجود داشته باشد! این در نظریه کوانتومی به عنوان اصل برهم نهی شناخته می‌شود که در محاسبات کوانتومی کاربرد پیدا می‌کند. یکی دیگر از اصول غیر شهودی کوانتومی می‌گوید که حتی اگر آنها با فواصل وسیع از هم جدا شوند، حتی اگر در انتهاهای مخالف جهان قرار بگیرند، رابطه‌ی محکمی بین آنها وجود دارد! این اصل گرفتاری است. به دنیای عجیب مکانیک کوانتومی خوش آمدید.کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟
اگر بند فوق معنی چندانی نداشته باشد، شاید این بند داشته باشد. یک کامپیوتر کلاسیک از بیت‌ها برای رمز گذاری اطلاعات استفاده می‌کند، که یک یا صفر را نشان می‌دهند، در حالی که یک کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کند. بنابراین با استناد به پاراگراف بالا، یک کیوبیت می‌تواند یک، صفر یا بر هم نهی‌ای از این دو را به طور همزمان نشان دهد و بدین ترتیب به توازی کوانتومی برسد. از این رو، ما می‌فهمیم که یک کیوبیت اساساً می‌تواند به نحوی قابل توجه اطلاعاتی بیشتر از بیت در یک کامپیوتر کلاسیک را نشان دهد.محاسبات کوانتومی با این ایده شروع شد که اگر اصول مکانیک کوانتومی بتواند با ساخت یک کامپیوتر کوانتومی نشان داده شود، انقلابی در محاسبات می‌تواند ایجاد شود. ریچارد فاینمن، فیزیکدان برنده جایزه نوبل، یکی از پیشگامان حوزه محاسبات کوانتومی به حساب می‌آید. وی در سال 1982 ایده یک کامپیوتر کوانتومی را در نظر گرفت. در سال 1994، پیتر شور، دانشمندی در آزمایشگاه‌های بل، الگوریتمی را ساخت که می‌توانست برای در نظر گرفتن تعداد عظیمی عدد، به ویژه حاصل ضرب عوامل اول، توسط یک کامپیوتر کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد. با این حال، این دوباره اقدامی نظری بود زیرا هیچ کامپیوتر کوانتومی واقعی‌ای برای آزمایش الگوریتم ساخته نشده بود.
چالش‌های اولیه در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی
اگرچه از آن زمان تاکنون، به خصوص در چند سال گذشته، رایانه‌های کوانتومی ساخته شده‌اند، پیشگامان این رشته در تلاش برای ساختن آنها چالش‌هایی واقعی داشتند. در حالی که چندین الگوریتم برای یک کامپیوتر کوانتومی فرضی نوشته شده بود، اما اصول ضد شهودی که این نوع کامپیوتر بر اساس آن بنا شده است، به گونه‌ای طعنه آمیز بزرگترین چالش در تحقق یک وسیله فیزیکی واقعی را مطرح می‌کرد. ثابت شد که نگاه داشتن انسجام حالات کوانتومی دشوارترین مسأله است.توازی کوانتومی تنها در صورت دستیابی به حالت‌های کوانتومی برای مدت زمانی مطلوب قابل دستیابی است. محاسبات کوانتومی پتانسیل سرعت بخشیدن به محاسبات را دارد معلوم شده بود که عوامل محیطی خارجی (از جمله عمل اندازه گیری یک حالت کوانتومی، سر و صدای کلاسیک و سر و صدای کوانتومی و غیره) باعث از بین رفتن کوانتوم می‌شوند و تمام تحقیقات بعدی در زمینه رایانه‌های کوانتومی با جداسازی این عوامل خارجی با تمرکز بر کنترل یا از بین بردن تغییر شکل شروع شد .
دستگاه‌هایی برای کنترل از انسجام خارج شدگی کوانتومی
- تله‌های یونی و تله‌های نوری: الکترودهای کشیده، یک میدان الکترومغناطیسی را برای به دام انداختن یون‌ها تشکیل می‌دهند و این پتانسیل را دارند که اتم‌ها را بچرخانند. دستگاه‌های تله یونی نیز روی تراشه‌ها ساخته شده‌اند. تله‌های نوری برای کنترل ذرات از امواج نور استفاده می‌کنند.- کیوبیت‌های ابررسانا: این‌ها اجازه می‌دهند تا الکترون‌ها با کمترین مقاومت در دماهای پایین جاری شوند.
- کیوبیت‌های نیمه رسانا و نقاط کوانتومی: این‌ها دارای زمان‌های منسجم طولانی هستند.
آیا کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده‌اند؟
رایانه‌های کوانتومی با چند کیوبیت (تا حداکثر ده تا) در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی ساخته شده‌اند و آنها برخی محاسبات ریاضی اساسی را انجام می‌دهند. یکی از مبتکرترین شرکت‌های جهان، IBM ، در زمینه تحقیقات محاسبات کوانتومی سرمایه گذاری می‌کند زیرا پتانسیلِ داشتنِ بازار بزرگی را پیش بینی می‌کند. بسیاری از شرکت‌های دیگر و همچنین دانشمندان رایانه معتقدند که روزی رایانه‌های کوانتومی از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی به قلمرو تجاری جهش می‌کنند، و می توانند تبدیل به یک بازیگردان شوند. یک دستگاه کوانتومی کاملاً کاربردی با هزاران کیوبیت درهم پیچیده هنوز یک ایده آینده نگرانه است.به هر حال، تردیدها و حدس و گمان‌های بسیار کمتری در مورد قابلیت‌های رایانه‌های کوانتومی وجود دارد. در حقیقت، بسیاری از دانشمندان موافق هستند که یک دستگاه قدرتمند از این نوع در مقیاس کامل می‌تواند امکاناتی را فراهم کند که با تئوری‌ها و الگوریتم‌های شبیه سازیِ مدل‌های فعلیِ اسباب بازی مانندِ جاری، قابل تصور و درک نیستند.
منبع: پریتی سونیل
