کامپیوتر کوانتومی چیست و چه کاربرد‌هایی دارد؟

به گزارش خبرنگار خبرگزاری آنا، در معماری کامپیوتر کوانتومی به جای بیت از کیوبیت (Qubit) استفاده شده که به آن بیت کوانتومی نیز گفته می‌شود. تفاوت کامپیوتر کوانتومی و معمولی دقیقا از این نقطه آغاز می‌شود. کامپیوتر کوانتومی وسیله‌ای است که با بکارگیری یک سری مفاهیم کوانتومی مانند اصل برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، سرعت و قدرت پردازش بالاتری برای انجام محاسبات و عملیات منطقی در مقایسه با کامپیوتر‌های معمولی ارائه می‌دهد. 

این کامپیوتر‌ها با استفاده از کیوبیت به‌جای بیت می‌توانند برخی از محاسبات و چالش‌های خارج از توان ابرکامپیوتر‌ها را حل کنند. مطالعات در این زمینه با رویکرد استفاده از این کامپیوتر‌ها در کنار انواع دیگر (و نه جایگزینی به جای آنها) در حال انجام است.

ویژگی مهم کامپیوتر کوانتومی در استفاده از کیوبیت‌ها به‌جای بیت‌های معمولی با دو حالت ۰۰ یا ۱۱ است. هر سیستم کوانتومی دو حالته‌ای مانند اسپین الکترون، یون‌های به دام افتاده یا نور قطبیده می‌تواند به‌عنوان کیوبیت برای ساخت کامپیوتر کوانتومی استفاده شود. کیوبیت‌ها علاوه بر حالت ۰۰ و ۱۱، می‌توانند در حالت جدیدی به نام «حالت برهم‌نهی» ترکیبی از ۰۰ و ۱۱ نیز قرار بگیرند. 

این ویژگی همراه با درهم‌تنیدگی کوانتومی موجب شده است تا بتوانیم در یک کامپیوتر کوانتومی اطلاعات و داده‌های بیشتری را به‌صورت تصاعدی پردازش کنیم.

یکی از عواملی که باعث پیوند کامپیوتر و کوانتوم شده کوچک‌تر شدن ابعاد اجزایی مانند پردازنده‌های محاسباتی است. با وجود پیشرفت‌های شگفت‌انگیز در کارایی و سرعت این قطعات مسائل پیچیده‌ای وجود دارند که حل آنها از عهده هیچ یک از ابرکامپیوتر‌های موجود بر نمی‌آید. 

همچنین یک مشکل اساسی‌تر در روند توسعه و ساخت تراشه‌ها کوچک شدن ابعاد ترانزیستور‌ها است. ترانزیستور به زبان ساده نوعی کلید الکترونیکی است که عمل ذخیره‌سازی و پردازش را در کامپیوتر‌های معمولی انجام می‌دهد.

می‌دانیم حرکت الکترون‌ها از یک مکان به مکان دیگر موجب برقراری جریان الکتریکی می‌شود؛ بنابراین هر مسیری که به نوعی از حرکت الکترون‌ها در یک راستای مشخص جلوگیری کند یک کلید یا Switch محسوب می‌شود.

با وجود شباهت‌های کامپیوتر کوانتومی و معمولی، تفاوت‌هایی بعضا اساسی نیز بین این دو کامپیوتر وجود دارد مانند تفاوت در سخت افزار، سرعت پردازش، مصرف انرژی، چالش‌های ساخت و زبان‌های برنامه نویسی.

بیشتر بخوانید

دایرةالمعارف دانش‌بنیان‌ها (۱۸۳)؛

فناوری پردازش زبان طبیعی چیست؟

کاربرد‌های کامپیوتر کوانتومی در آینده

به دلیل وجود پتانسیل‌های بالای رایانه‌های کوانتومی می‌توان از آنها در مسائل روز دنیا استفاده کرد تا با افزایش سرعت حل، به پاسخ مسائلی که تا کنون برای بشر پنهان بوده دست پیدا کرد. در ادامه به دو مورد از آنها می‌پردازیم.

رمزنگاری (Cryptography)

یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های سیستم‌های کوانتومی مربوط به مسائل رمزنگاری می‌شود. با استفاده از سیستم‌های کوانتومی می‌توان به سیستم‌های رمزنگاری شده حمله کرد که هم اکنون این کار به وسیله کامپیوتر‌های معمولی یا ابر کامپیوتر‌ها انجام می‌شود. 

از کامپیوتر‌ها در فرایند یافتن عوامل اول اعداد که بنای رمزنگاری است استفاده می‌کنند. هرچه ارقام اعداد بزرگتر شود زمان و سختی پیدا کردن عوامل اول یک عدد افزایش پیدا می‌کند به عنوان مثال حاصل ضرب دو عدد اول، یک عدد ۳۰۰ رقمی می‌شود که یافتن عوامل اول این عدد کاری بسیار زمان‌بر است ولی از آنجایی که سیستم‌های کوانتومی قدرت بسیار زیادی در مقایسه با ابرکامپیوتر‌ها دارند می‌توانند این مسائل را در مدت زمان کمتر و با صرف هزینه کمتری حل کنند.

یادگیری ماشین (Machine Learning)

همچنین رایانه‌های کوانتومی قادرند خروجی‌هایی را تولید کنند که کامپیوتر‌های کلاسیک از تولید آنها عاجزند از طرفی محاسبات کوانتومی اساسا بر مبنای جبر خطی هستند. این موضوع نقطه مشترک یادگیری ماشین و مکانیک کوانتوم بوده و یادگیری ماشین نیز بر پایه جبر خطی بنا نهاده شده و دانشمندان امیدوارند بتوانند از روش‌هایی که در ساخت کامپیوتر کوانتومی به کار گرفته شده برای افزایش سرعت و عملکرد الگوریتم‌های یادگیری ماشین و شبکه عصبی استفاده کرده و مسائل با پیچیدگی‌های بالا را راحت‌تر مدل سازی کنند.