محاسبات کوانتومی. ریاضی و فیزیک

دانستنی‌ها

دانشمندان شرکت مایکروسافت و همکاران آن‌ها در سرتاسر دنیا، ۱۰ سال گذشته را صرف کشف مکان‌های هیجان‌انگیز و در حقیقت عجیبی کرده‌‌اند که در آن‌ها علم رایانه و فیزیک کوانتوم با‌هم همکاری می‌کنند. خب، این مکان‌ها به‌طور دقیق کجا هستند؟ رایانه‌ کوانتومی را مثل نقشه‌ تونل‌های زیرزمینی در نظر بگیرید که دارای ۲ خط قطار، یکی قطار محلی فیزیک کوانتوم و دیگری قطار ویژه‌ علم رایانه است که از دو مسیر متفاوت آمده و در ایستگاه مرکزی یعنی ایستگاه کیو روی نقشه با‌هم تلاقی می‌کنند و با یکدیگر رو‌به‌جلو به جایی که هیچ‌کس نمی‌داند، به حرکت خود ادامه می‌دهند. به لطف مغزهای بااستعداد از نیوتون تا اینشتین، ما به شناخت ثابت و بسیار مستحکمی از ماده، حرکت، زمان، فضا و نحوه‌ کارکرد کلی جهان دست یافته‌ایم. اما در طول چیزی حدود صد سال گذشته، دانشمندانی که به‌دنبال یافتن زندگی در اندازه‌ اتم یا زیر‌اتمی بودند، متوجه وجود ناهماهنگی هایی با فیزیک سنتی شده‌اند. سوال‌ها و تئوری‌های بسیاری وجود دارد، درباره‌ این‌که چرا و چگونه ذرات در مقیاس بزرگ مثل گیاهان، پرندگان، سنگ‌ها و ... به ظاهر قابل پیش‌بینی رفتار کرده، ولی در مقیاس نانو نامشخص و به‌طور تعجب‌آوری دیوانه می‌شوند! در این رابطه کشف شد، رفتارهایی که در مقیاس انسانی غیرقابل‌باور به نظر می‌رسند، در سطح مولکولی اتفاقاتی عادی هستند. آن پایین، ذرات -‌توپ‌های کوچکی از ماده‌ جامد‌- مثل امواج عمل می‌کنند. آن‌ها از یک مکان به مکانی دیگر «تلپورت»شده و همچنین می‌توانند در‌هم بپیچند؛ به‌طوری که جدا کردن آن‌ها غیر‌ممکن خواهد بود. ذرات در حالت کوانتوم می‌توانند به چیزی که ما آن را «انطباق»(برهم‌نهی) می‌نامیم، برسند؛ حالتی که در آن واحد ذرات می‌توانند در حالت‌های چندگانه‌ای وجود داشته باشند. شما این جمله را پیش از این به دفعات شنیده‌اید: می‌دانید که لپ‌تاپ روی میز کار شما، تلفن‌ هوشمند در دستتان و تبلتی که در کیف خود دارید، همه به‌وسیله‌ اطلاعاتی به شکل بیت کار می‌کنند. بیت‌ها که می‌توانند 1 یا 0 باشند، به شکلی هنرمندانه در رشته‌های بلندی چیده شده‌اند تا کامپیوترها را به انجام هر نوع کاری مثل تشریح DNA یا پرتاب انگری‌بردز به قلعه‌های ساخته شده از خوک‌ها وادار کنند. اما محدودیت‌هایی در حل مسئله توسط رایانه‌های کلاسیک وجود دارد. مسئله‌هایی آنچنان سخت که اگر تمام رایانه‌های دنیا را برای حل آن‌ها بسیج کنیم، باز‌هم زمان بسیار زیادی طول می‌کشد تا جواب آن‌ها را پیدا کنند. خب، حالا و اینجا است که در‌واقع قضیه جالب شده و رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به درد بخورند. رایانه‌های کوانتومی به‌وسیله‌ بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها کار می‌کنند. به دلیل تاثیر توهم‌گونه‌ای مانند انطباق که حالت کوانتومی در خود دارد، یک کیوبیت می‌تواند 1 یا 0 بوده و یا به عنوان 1 و 0 به‌طور همزمان وجود داشته باشد. اگر یک کیوبیت به عنوان 1 و 0 بتواند 2 محاسبه را انجام دهد، پس دو کیوبیت می‌تواند 4 محاسبه و چهار کیوبیت می‌تواند 8 محاسبه را انجام دهد و به این ترتیب، قدرت محاسباتی کامپیوتر می‌تواند به‌طور بالقوه‌ای قابلیت «رشد نمایی»(Exponential growth) داشته باشد. وقتی رشته‌های بلندی از کیوبیت محاسبات را انجام دهند، مسئله‌هایی که حل آن‌ها توسط رایانه‌های امروزی قرن‌های متمادی به طول خواهد انجامید، به اندازه‌ نوشیدن یک فنجان قهوه وقت خواهد گرفت. این رایانه‌ها برنامه‌هایی بسیار دور از ذهن خواهند ساخت که می‌توانند باعث پیشرفت در زمینه‌هایی همچون یادگیری ماشین‌ها و پزشکی، شیمی و رمزنویسی، علم مواد و مهندسی شده و همچنین برای درک بخش‌های سازنده‌ جهان به انسان کمک کنند. منبع: ویدوال