کامپیوتر کوانتومی چیست؟
سلام
هدف از این مقاله دادن یک دیدگاه به شما از طرز کار یک کامپیوتر کوانتومی است.
در ضمن شما برای فهمیدن و درک این مقاله نیاز به دانش قبلی درباره‌ی فیزیک کوانتوم و کامپیوتر نخواهید داشت.
به طور خلاصه میتوانیم یک کامپیوتر کوانتومی را با جمله‌ی زیر توصیف کنیم:
کامپیوترهای کوانتومی نوعی از کامپیوترها هستند که با استفاده از مکانیک کوانتومی می‌توانند انواع خاصی از محاسبات را با کارآیی بیشتر نسبت به یک کامپیوتر معمولی انجام دهند.
برای توضیح دادن چیستی یک کامپیوتر کوانتومی اول نیاز داریم که کمی در مورد کامپیوترهای معمولی (غیرکوانتومی) بدانیم.
چگونه یک کامپیوتر معمولی اطلاعات را ذخیره میکند؟
امروزه، یک کامپیوتر معمولی اطلاعات را در تعدادی از 0ها و 1ها ذخیره میکند این اطلاعات می توانند شامل شماره‌ها، عکس ها، متن‌ها و ... باشند.
هر واحد از این سلسله 0ها و 1ها بیت نام دارند بنابراین بیت ها می توانند به طور متغیر 0 یا 1 باشند.
حالا یک کامپیوتر کوانتومی چگونه این کار را انجام می دهد؟
یک کامپیوتر کوانتومی برای ذخیره کردن داده ها از بیت استفاده نمی کند در عوض از چیز هایی به نام کوبیت استفاده می کند.
هر کوبیت نمی تواند 0 یا 1باشد ولی آن می تواند در عین حال هم 0 و هم 1 باشد.
منظور چیست؟
یک سکه را وقتی در هوا معلق است فرض کنید، سکه در عین حال هم شیر و هم خط است اما وقتی به روی زمین میفتد فقط میتواند شیر یا خط باشد در واقع سکه ی معلق کوبیت و سکه‌ای که روی زمین افتاده بیت است.
برای آشنایی بهتر از یک مثال ساده استفاده میکنیم که این مثال برای درک نحوه‌ی کار کامپیوتر کوانتومی بسیار مفید است:
فرض کنید شما در حال رفتن به یک آزانس مسافربری هستید و باید چند نفر دیگر را نیز با خود ببرید؛ این افراد سه نفر به نام های امیر، علی و رضا هستند.
همچنین شما دو تاکسی برای رساندن آنها به مقصد رزرو کرده‌اید و باید نحوه‌ی سوار شدن آنها را تعیین کنید به این صورت که بعضی از آنها با هم دشمن، و بعضی دوست هستند؛ شما باید بیشترین دوست را در کنار هم و کمترین دشمن را در کنار هم در یک تاکسی قرار دهید.
امیر و علی دوست هستنند.
امیر و رضا دشمن هستند.
علی و رضا دشمن هستند.
(حل این مسئله برای ذهن انسان بسیار ساده است؛ هدف ما بررسی چگونگی کار کامپیوتر هاست.)
برای مثال تاکسی اول را تاکسی 0 و تاکسی دوم را تاکسی 1 می‌نامیم و هر کس که وارد هر تاکسی شود بنابر شماره‌ی تاکسی که وارد شده اسمش 0 یا 1 میشود.
امیر وارد تاکسی 0 میشود.
علی وارد تاکسی 0 میشود.
رضا وارد تاکسی 1 میشود.
هر کدام از آنها دو انتخاب دارند؛ پس:
8=2*2*2
پس کامپیوتر باید 8 حالت ممکن را بررسی کند که کمترین دشمن و بیشترین دوست کنار هم باشند.
لیست حالات:
امیر| علی| رضا
0 | 0 | 0
0 | 0 | 1
0 | 1 | 0
0 | 1 | 1
1 | 0 | 0
1 | 0 | 1
1 | 1 | 0
1 | 1 | 1
(در واقع برای نشان دادن یک حالت سه بیت استفاده میشود.)
برای اینکه کامپیوتر بهترین حالت را بفهمد باید تعداد دو نفری که باهم دوست هستند و نفراتی که باهم دشمن هستند و در یک تاکسی قرار دارند را بشمارد سپس از هم کم کند تا بهترین حالت را پیدا کند مثلا حالت 111 که همه افراد داخل تاکسی یک میشوند یک جفت دوست و دو جفت دشمن را در خود دارد و میتوانیم بگوییم امتیاز آن منفی یک است.
1-=2-1
لیست امتیاز ها که کامپیوتر محاسبه میکند:
امیر| علی| رضا| امتیاز
0 | 0 | 0 | -1
0 | 0 | 1 | 1 <- یکی از بهترین حالات
0 | 1 | 0 | -1
0 | 1 | 1 | -1
1| 0 | 0 | -1
1 | 0 | 1 | -1
1 | 1 | 0 | 1 <- یکی دیگر از این بهترین حالات
1 | 1 | 1 | -1
و درنهایت نتایج را اعلام میکند.
برای سه نفر، کامپیوتر محبور به بررسی 8 حالت، برای چهار نفر 16 حالت و برای 100 نفر2100 =یک میلیون میلیون میلیون میلیون میلیون حالت خواهد بود.
بنابراین حل کردن چنین مسئله‌ای با تعداد بالا با یک کامپیوتر معمولی ممکن نخواهد بود.
کامپیوتر کوانتومی چطور این کار را می کند؟
همانطور که دیدیم، یک حالت از هشت حالت، برای ذخیره شدن، سه بیت از فضا را اشغال می کند اما یک کامپیوتر کوانتومی با سه کوبیت هر هشت حالت را همزمان و بسیار سریع بررسی میکند!
اما چگونه؟
گفتیم که یک کوبیت می تواند در عین حال هم صفر و هم یک باشد.
کوبیت اول کوبیت دوم کوبیت سوم
0 یا 1 0 یا 1 0 یا 1
بنا بر این می توانیم هر هشت حالت را در یک لحظه همزمان داشته باشیم؛ بدین صورت که اگر هر سه کوبیت 0 باشند حالت 000 پدید می آید اما نکته اینجاست که در همان لحظه کوبیت دو میتواند یک باشد و حالت 010 را درست کند و یا کوبیت سه نیز 1 باشد که حالت 110 پدید میاید و همینطور هر هشت حالت درست میشوند.
بنابراین حل کردن چنین مسئله هایی با کامپیوتر کوانتومی بسیار سریعتر و راحتتر خواهد بود.
سخن پایانی
در این مقاله سعی شد تا نحوه ی کار کامپیوتر کوانتومی توضیح داده شود اما در مقاله‌های بعدی این موضوع که هر کوبیت چگونه می تواند در آن واحد هم 1 و هم 0 باشد را شرح خواهیم داد.
منبع:
What is a quantum computer? Explained with a simple example.