محاسبات کوانتومی چیست؟
محاسبات کوانتومی یک رشته چندگانه است که شامل جنبه‌هایی از علوم کامپیوتر، فیزیک و ریاضیات می‌شود و از مکانیک کوانتومی برای حل مسائل پیچیده سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک استفاده می‌کند. حوزه محاسبات کوانتومی شامل تحقیقات سخت‌افزاری و توسعه برنامه‌های کاربردی است. رایانه‌های کوانتومی با بهره‌گیری از اثرات مکانیکی کوانتومی، مانند برهم‌نهی و تداخل کوانتومی، قادر به حل انواع خاصی از مسائل سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک هستند. برخی از کاربردهایی که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند چنین افزایش سرعتی را ارائه دهند شامل یادگیری ماشین (ML)، بهینه‌سازی و شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی است. موارد استفاده احتمالی می‌تواند بهینه‌سازی پورتفولیو در امور مالی یا شبیه‌سازی سیستم‌های شیمیایی باشد، که حل مسائلی است که در حال حاضر حتی برای قدرتمندترین ابررایانه‌های موجود در بازار نیز غیرممکن است.
مزیت محاسبات کوانتومی چیست؟
در حال حاضر، هیچ رایانه کوانتومی نمی‌تواند وظیفه‌ای مفید را سریع‌تر، ارزان‌تر یا کارآمدتر از یک رایانه کلاسیک انجام دهد. مزیت کوانتومی آستانه‌ای است که در آن سیستمی کوانتومی ساخته‌ایم که می‌تواند عملیاتی را انجام دهد که بهترین رایانه کلاسیک ممکن نمی‌تواند آن را در هیچ زمان معقولی شبیه‌سازی کند.
مکانیک کوانتومی چیست؟
مکانیک کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک است که رفتار ذرات را در سطح میکروسکوپی مطالعه می‌کند. در سطوح زیر اتمی، معادلاتی که نحوه رفتار ذرات را توصیف می‌کنند با معادلاتی که دنیای ماکروسکوپی اطراف ما را توصیف می‌کنند، متفاوت است. رایانه‌های کوانتومی از این رفتارها برای انجام محاسبات به روشی کاملاً جدید استفاده می‌کنند.
کیوبیت چیست؟
بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها توسط ذرات کوانتومی نمایش داده می‌شوند. دستکاری کیوبیت‌ها توسط دستگاه‌های کنترلی در هسته قدرت پردازش یک رایانه کوانتومی قرار دارد. کیوبیت‌ها در رایانه‌های کوانتومی مشابه بیت‌ها در رایانه‌های کلاسیک هستند. در هسته خود، پردازنده یک ماشین کلاسیک تمام کار خود را با دستکاری بیت‌ها انجام می‌دهد. به همین ترتیب، پردازنده کوانتومی تمام کار خود را با پردازش کیوبیت‌ها انجام می‌دهد.
کیوبیت‌ها چگونه با بیت‌های کلاسیک متفاوتند؟
در محاسبات کلاسیک، یک بیت یک سیگنال الکترونیکی است که یا روشن است یا خاموش. بنابراین مقدار بیت کلاسیک می‌تواند یک (روشن) یا صفر (خاموش) باشد. با این حال، از آنجا که کیوبیت مبتنی بر قوانین مکانیک کوانتومی است، می‌تواند در یک برهم‌نهی از حالت‌ها قرار گیرد.
اصول محاسبات کوانتومی چیست؟
یک رایانه کوانتومی با استفاده از اصول کوانتومی کار می‌کند. اصول کوانتومی برای درک کامل به یک واژه‌نامه جدید از اصطلاحات نیاز دارد، اصطلاحاتی که شامل برهم‌نهی، درهم‌تنیدگی و واپاشیدگی می‌شوند. بیایید این اصول را در زیر بررسی کنیم.
برهم‌نهی
برهم‌نهی بیان می‌کند که، درست مانند امواج در فیزیک کلاسیک، می‌توانید دو یا چند حالت کوانتومی را اضافه کنید و نتیجه حالت کوانتومی معتبر دیگری خواهد بود. برعکس، شما همچنین می‌توانید هر حالت کوانتومی را به عنوان مجموع دو یا چند حالت متمایز دیگر نشان دهید. این برهم‌نهی کیوبیت‌ها به رایانه‌های کوانتومی موازی بودن ذاتی آنها را می‌دهد و به آنها اجازه می‌دهد میلیون‌ها عملیات را به طور همزمان پردازش کنند.
درهم‌تنیدگی
درهم‌تنیدگی کوانتومی زمانی رخ می‌دهد که دو سیستم آنقدر نزدیک به هم مرتبط باشند که دانش در مورد یکی از آنها به شما دانش فوری در مورد دیگری، صرف نظر از فاصله آنها، می‌دهد. پردازنده‌های کوانتومی می‌توانند با اندازه‌گیری ذره دیگر، در مورد یک ذره نتیجه‌گیری کنند. به عنوان مثال، آنها می‌توانند تعیین کنند که اگر یک کیوبیت به سمت بالا بچرخد، کیوبیت دیگر همیشه به سمت پایین می‌چرخد و بالعکس. درهم‌تنیدگی کوانتومی به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد مسائل پیچیده را سریع‌تر حل کنند.
هنگامی که یک حالت کوانتومی اندازه‌گیری می‌شود، تابع موج فرو می‌ریزد و شما حالت را به عنوان صفر یا یک اندازه‌گیری می‌کنید. در این حالت شناخته شده یا قطعی، کیوبیت به عنوان یک بیت کلاسیک عمل می‌کند. درهم‌تنیدگی توانایی کیوبیت‌ها در مرتبط کردن حالت خود با کیوبیت‌های دیگر است.
واپاشیدگی
واپاشیدگی از دست رفتن حالت کوانتومی در یک کیوبیت است. عوامل محیطی، مانند تشعشع، می‌توانند باعث فروپاشی حالت کوانتومی کیوبیت‌ها شوند. یک چالش بزرگ مهندسی در ساخت یک رایانه کوانتومی، طراحی ویژگی‌های مختلفی است که تلاش می‌کنند واپاشی حالت را به تأخیر بیندازند، مانند ساخت سازه‌های خاصی که کیوبیت‌ها را از میدان‌های خارجی محافظت می‌کنند.
اجزای یک رایانه کوانتومی چیست؟
رایانه‌های کوانتومی مانند یک رایانه کلاسیک دارای سخت‌افزار و نرم‌افزار هستند.
سخت‌افزار کوانتومی
سخت‌افزار کوانتومی سه جزء اصلی دارد.
صفحه داده کوانتومی
صفحه داده کوانتومی هسته رایانه کوانتومی است و شامل کیوبیت‌های فیزیکی و ساختارهای مورد نیاز برای نگه داشتن آنها در جای خود است.
صفحه کنترل و اندازه‌گیری
صفحه کنترل و اندازه‌گیری سیگنال‌های دیجیتال را به سیگنال‌های کنترل آنالوگ یا موج تبدیل می‌کند. این سیگنال‌های آنالوگ عملیات را روی کیوبیت‌ها در صفحه داده کوانتومی انجام می‌دهند.
صفحه پردازنده کنترل و پردازنده میزبان
صفحه پردازنده کنترل الگوریتم کوانتومی یا توالی عملیات را پیاده‌سازی می‌کند. پردازنده میزبان با نرم‌افزار کوانتومی تعامل می‌کند و یک سیگنال دیجیتال یا توالی بیت‌های کلاسیک را به صفحه کنترل و اندازه‌گیری ارائه می‌دهد.
نرم‌افزار کوانتومی
نرم‌افزار کوانتومی الگوریتم‌های کوانتومی منحصر به فرد را با استفاده از مدارهای کوانتومی پیاده‌سازی می‌کند. یک مدار کوانتومی یک روال محاسباتی است که مجموعه‌ای از عملیات منطقی کوانتومی را روی کیوبیت‌های زیربنایی تعریف می‌کند. توسعه‌دهندگان می‌توانند از ابزارها و کتابخانه‌های مختلف توسعه نرم‌افزار برای کدنویسی الگوریتم‌های کوانتومی استفاده کنند.
انواع فناوری کوانتومی چیست؟
هیچ‌کس بهترین راه برای ساخت یک رایانه کوانتومی مقاوم در برابر خطا را نشان نداده است، و شرکت‌ها و گروه‌های تحقیقاتی متعددی در حال بررسی انواع مختلف کیوبیت‌ها هستند. در زیر مثال کوتاهی از برخی از این فناوری‌های کیوبیت ارائه می‌دهیم.
پردازنده‌های تله یونی مبتنی بر گیت
یک رایانه کوانتومی مبتنی بر گیت دستگاهی است که داده‌های ورودی را می‌گیرد و آن را مطابق یک عملیات واحد از پیش تعریف شده تبدیل می‌کند. این عملیات معمولاً توسط یک مدار کوانتومی نمایش داده می‌شود و مشابه عملیات گیت در الکترونیک سنتی است. با این حال، دروازه‌های کوانتومی کاملاً با دروازه‌های الکترونیکی متفاوت هستند. رایانه‌های کوانتومی تله یونی کیوبیت‌ها را با استفاده از حالات الکترونیکی اتم‌های باردار به نام یون‌ها پیاده‌سازی می‌کنند. یون‌ها با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی محدود و بالای تله ساخته شده با فناوری میکرو معلق می‌شوند. سیستم‌های مبتنی بر تله یونی از لیزرها برای دستکاری حالت الکترونیکی یون برای اعمال دروازه‌های کوانتومی استفاده می‌کنند. کیوبیت‌های تله یونی از اتم‌هایی استفاده می‌کنند که از طبیعت می‌آیند، نه اینکه کیوبیت‌ها را به صورت مصنوعی تولید کنند.
پردازنده‌های ابررسانا مبتنی بر گیت
ابررسانایی مجموعه‌ای از خواص فیزیکی است که می‌توانید در مواد خاصی مانند جیوه و هلیوم در دماهای بسیار پایین مشاهده کنید. در این مواد، می‌توانید یک دمای بحرانی مشخص را مشاهده کنید که زیر آن مقاومت الکتریکی صفر است و میدان‌های شار مغناطیسی دفع می‌شوند. یک جریان الکتریکی از طریق یک حلقه سیم ابررسانا می‌تواند برای همیشه بدون منبع تغذیه باقی بماند.
محاسبات کوانتومی ابررسانا پیاده‌سازی یک رایانه کوانتومی در مدارهای الکترونیکی ابررسانا است. کیوبیت‌های ابررسانا با مدارهای الکتریکی ابررسانا ساخته می‌شوند که در دماهای برودتی کار می‌کنند.
پردازنده‌های فوتونی
یک پردازنده کوانتومی فوتونی دستگاهی است که نور را برای محاسبات دستکاری می‌کند. رایانه‌های کوانتومی فوتونی از منابع نور کوانتومی استفاده می‌کنند که پالس‌های نور فشرده را منتشر می‌کنند، با معادل‌های کیوبیت که مربوط به حالت‌های یک عملگر پیوسته، مانند موقعیت یا تکانه هستند.
پردازنده‌های اتم خنثی
فناوری کیوبیت اتم خنثی مشابه فناوری یون محبوس شده است. با این حال، به جای نیروهای الکترومغناطیسی از نور برای به دام انداختن کیوبیت و نگه داشتن آن در موقعیت استفاده می‌کند. اتم‌ها باردار نیستند و مدارها می‌توانند در دمای اتاق کار کنند.
پردازنده‌های اتم ریدبرگ
اتم ریدبرگ یک اتم برانگیخته است که یک یا چند الکترون آن به طور متوسط از هسته دورتر هستند. اتم‌های ریدبرگ دارای تعدادی ویژگی عجیب هستند، از جمله پاسخ اغراق‌آمیز به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی، و عمر طولانی. هنگامی که به عنوان کیوبیت استفاده می‌شوند، تعاملات اتمی قوی و قابل کنترلی را ارائه می‌دهند که می‌توانید با انتخاب حالت‌های مختلف، آنها را تنظیم کنید.
آنیلرهای کوانتومی
آنیلینگ کوانتومی از یک فرآیند فیزیکی برای قرار دادن کیوبیت‌های یک سیستم کوانتومی در حداقل انرژی مطلق استفاده می‌کند. از آنجا، سخت‌افزار به آرامی پیکربندی سیستم را تغییر می‌دهد به طوری که چشم‌انداز انرژی آن منعکس کننده مسئله‌ای باشد که باید حل شود. مزیت آنیلرهای کوانتومی این است که تعداد کیوبیت‌ها می‌تواند بسیار بیشتر از کیوبیت‌های موجود در یک سیستم مبتنی بر گیت باشد. با این حال، استفاده از آنها فقط به موارد خاصی محدود می‌شود.
شرکت‌ها چگونه از محاسبات کوانتومی استفاده می‌کنند؟
محاسبات کوانتومی می‌تواند صنایع را متحول کند. در زیر چند مورد از موارد استفاده را ارائه می‌دهیم:
یادگیری ماشین
یادگیری ماشین (ML) فرآیند تجزیه و تحلیل مقادیر زیادی از داده‌ها برای کمک به رایانه‌ها در پیش‌بینی و تصمیم‌گیری بهتر است. تحقیقات در محاسبات کوانتومی محدودیت‌های فیزیکی پردازش اطلاعات را مطالعه می‌کند و زمینه‌های جدیدی را در فیزیک بنیادی باز می‌کند. این تحقیق منجر به پیشرفت در بسیاری از زمینه‌های علمی و صنعتی، مانند شیمی، بهینه‌سازی و شبیه‌سازی مولکولی می‌شود. این همچنین یک حوزه رو به رشد مورد علاقه برای خدمات مالی برای پیش‌بینی حرکات بازار و برای تولید برای بهبود عملیات است.
بهینه‌سازی
محاسبات کوانتومی می‌تواند تحقیق و توسعه، بهینه‌سازی زنجیره تامین و تولید را بهبود بخشد. به عنوان مثال، می‌توانید از محاسبات کوانتومی برای کاهش هزینه‌های مرتبط با فرآیند تولید و کوتاه کردن زمان‌های چرخه با بهینه‌سازی عناصری مانند برنامه‌ریزی مسیر در فرآیندهای پیچیده استفاده کنید. یکی دیگر از کاربردها، بهینه‌سازی کوانتومی پورتفولیوهای وام است به طوری که وام دهندگان می‌توانند سرمایه را آزاد کنند، نرخ بهره را کاهش دهند و پیشنهادات خود را بهبود بخشند.
شبیه‌سازی
تلاش محاسباتی مورد نیاز برای شبیه‌سازی دقیق سیستم‌ها به طور نمایی با پیچیدگی مولکول‌های دارو و مواد افزایش می‌یابد. حتی با استفاده از روش‌های تقریبی، ابررایانه‌های فعلی نمی‌توانند به سطح دقت مورد نیاز این شبیه‌سازی‌ها دست یابند. محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که برخی از چالش‌برانگیزترین مسائل محاسباتی موجود در شیمی را حل کند و به جامعه علمی اجازه می‌دهد شبیه‌سازی‌های شیمیایی را انجام دهد که امروزه غیرقابل انجام هستند. به عنوان مثال، پاسکال نرم‌افزار محاسباتی QUBEC خود را برای اجرای شبیه‌سازی‌های شیمیایی ساخته است. QUBEC کارهای سنگین لازم برای اجرای وظایف محاسباتی کوانتومی را از تهیه خودکار زیرساخت محاسباتی گرفته تا اجرای محاسبات کلاسیک پیش و پس از پردازش و انجام وظایف کاهش خطا خودکار می‌کند.
چگونه شروع به کار با محاسبات کوانتومی کنیم؟
اگر می‌خواهید محاسبات کوانتومی را امتحان کنید، می‌توانید با یک شبیه‌ساز سخت‌افزار کوانتومی روی دستگاه محلی خود شروع کنید. شبیه‌سازها نرم‌افزارهای معمولی هستند که رفتار کوانتومی را روی یک رایانه کلاسیک تقلید می‌کنند. آنها قابل پیش‌بینی هستند و به شما امکان می‌دهند حالات کوانتومی را ببینید. اگر می‌خواهید الگوریتم‌های خود را قبل از سرمایه‌گذاری در زمان سخت‌افزار کوانتومی آزمایش کنید، مفید هستند. با این حال، آنها نمی‌توانند رفتار کوانتومی واقعی را بازسازی کنند.همچنین می‌توانید از یک سرویس محاسبات کوانتومی ابری برای کدنویسی روی یک رایانه کوانتومی واقعی بدون سرمایه‌گذاری در سخت‌افزار گران‌قیمت استفاده کنید.
