ایده هایی عجیب و مسحورکننده از دنیای محاسبات کوانتومی

ایده‌های پیرامون دنیای کوانتوم و رایانه‌های کوانتومی بسیار عجیب و در عین حال اجتناب‌ناپذیر هستند، زیرا کاملا روی دنیای ما تاثیر دارند.

در سال ۱۹۵۲، رایانه‌ی ساخته شده توسط رمینگتون رند (Remington Rand) با نام UNIVAC برای اولین بار مورد استفاده قرار گرفت. شبکه‌ی سی بی اس (CBS) با دعوت از رمینگتون از او خواست تا با رایانه‌ی خود نتایج انتخابات  ریاست جمهوری سال ۱۹۵۲ را پیش‌بینی کند. در ساعت ۸:۳۰ و بعد از  رسیدن نتایج اولیه، این مغز الکترونیک یک پیش‌بینی عجیب ارائه داد. طبق پیش‌بینی انجام شده توسط رایانه، آیزنهوور (Eisenhower) با ۴۳۸ رای انتخاباتی در مقابل ۹۳ رای استیونسون (Stevenson)، برنده‌ی انتخابات می‌شد. کارشناسان سی بی اس این پیش‌بینی را به تمسخر گرفتند، اما در پایان روز مشخص شد که پیش‌بینی  UNIVAC تا چه اندازه دقیق بوده است.

از همان شب بود که عصر محاسبات دیجیتالی آغاز شد و همین، ضربه‌ی بزرگی به شرکت آی بی ام (IBM) وارد کرد. شرکت IBM در آن زمان  با استفاده از کارت پانچ، ماشین‌حساب‌ تولید می‌کرد، اما قبل از این اتفاق، مرکز تحقیقاتی این شرکت بر روی تکنولوژی پیشرفته دیجیتال کار می‌کرد. در سال ۱۹۶۴ پروژه‌ی System 360 توسط این شرکت به مرحله اجرا درآمد که توانست سلطه‌ی IBM را بر صنایع، تا دو دهه تضمین کند.

اکنون ما به نقطه‌ی عطف دیگری رسیده‌ایم. قانون مور (Moore’s Law) که الگوی اصلی محاسبات دیجیتالی به شمار می‌رود، در پنج سال آینده به حد نهایت خود خواهد رسید. شرکت IBM همانند دهه‌ی ۵۰،  بر روی نوآور‌ی‌های جدید کار می‌کند. این شرکت سعی می‌کند رایانه‌های کوانتومی را توسعه دهد تا بتواند بار دیگر برای ده‌ها سال بازار را در دست بگیرد. اگر فکر می‌کنید این اتفاق بعید است رخ بدهد، صبر کنید تا ایده‌های پشت آن را برای شما توضیح دهیم.

یک مجادله‌ی ۹۰ ساله

در اوایل قرن ۲۰، لاپلاس (Laplace) ایده‌ی جبرگرایانه‌ی خود را ارائه کرد. این فرضیه‌ی اساسی که به عنوان دیو لاپلاس (Laplace's Demon) نیز شناخته می‌شود، بیان می‌کند که همه چیز از پیش تعیین شده است. به عبارت دیگر، اگر شما مکان و ممان حرکتی (تکانه) مربوط به یک ذره را بدانید، می‌توانید تمام گذشته و آینده آن را پیش‌بینی کنید. طبق این فرضیه برای هر معلولی یک دلیل وجود دارد، یا بهتر بگوییم که حداقل در آن زمان اینگونه پنداشته می‌شد. اما تا دهه‌ی ۱۹۲۰، دانشمندان مختلفی  درستی این نظریه را زیر سوال بردند، تا جایی که این موضوع باعث شد یک سری مناظره‌ بین آلبرت اینیشتن (Albert Einstein) و نیلز بور(Niels Bohr) ایجاد شود. در همان زمان بود که اینشتین جمله‌ی معروف خود را گفت:

خدا با جهان تاس بازی نمی‌کند.

 و در مقابل نیلز بور با قاطعیت گفته بود:

اینشتین، به خدا نگو چه کار بکند یا نکند!

 می‌توان گقت که اینشتین حامی سرسخت دیو لاپلاس بود. در واقع ایده‌ی مکانیک کوانتومی، خود از دو مفهوم تشکیل شده است. اولی برهم‌نهی کوانتومی است. این اصل به آن معنا است که ذرات در آن واحد می‌توانند ترکیبی از چند حالت را به خود بگیرند. دومی نیز درهم‌تنیدگی کوانتومی است که بیان می‌کند از روی رفتار غیر‌قابل پیش‌بینی یک ذره می‌توان رفتار یک ذره‌ی دیگر را به صورت دقیق پیش‌بینی کرد.

درک این مسایل کمی سخت است، چون نمی‌توانیم وجود این نظریات را در زندگی روزمره به طور ملموسی حس کنیم. اما به این فکر کنید که هر جسم فیزیکی به خودی ‌خود پدیدار نمی‌شود و یا از بین نمی‌رود، هیچ جسمی بدون دلیل خاصی نمی‌تواند در یک جهت شروع به پرواز کند.

اینیشتن به هیچ روی نمی‌توانست ایده‌ی برهم‌نهی را قبول کند برای همین از تخیل خود استفاده کرد و آزمایش EPR paradox را ابداع کرد تا نادرست بودن چنین ایده‌هایی را ثابت کند. اما تحقیقات جدید IBM بر مبنای همین ایده‌‌ی برهم‌نهی استوار است. برای فهمیدن تمام این موضوعات، گفتگوی چند ساعته‌ای با چارلی بنت (Charlie Bennett) داشتیم. ایشان در شرکت IBM مشغول به کار است و یکی از بنیان‌گذاران تئوری اطلاعات کوانتومی به شمار می‌رود.

یک نابغه‌ی به تمام معنا

بنت در یکی از روستاهای نزدیک مقر IBM درArmonk NY به دنیا آمد و آنطور که خودش می‌گوید در کودکی بیشتر علاقه‌مند رایانه و مجلات علمی بوده است. وقتی که پسران همسن او مشغول  دوچرخه‌سواری بودند و یا بیس‌بال بازی می‌کردند، او سرگرم خواندن مطالب Scientific American و فکر کردن در مورد نظریه‌های دیوانه‌کننده بود.

در دهه‌ی ۱۹۵۰ کشفیات هیجان انگیز بسیاری رخ می‌داد و مردم هر روزه با دیدن اختراعات جدید شگفت‌زده می‌شدند. امروزه استفاده از رایانه به عنوان مغز الکتریکی و یا بهره گرفتن از انرژی هسته‌ای برای مردم چیز عجیبی نیست ولی در آن دهه برای همگان تازگی داشت. با این حال آنچه که بیش از همه چارلی را شیفته خود کرد، کشف ساختار DNA توسط واتسون (Watson) و کریک (Crick) بود.

به همین دلیل، بنت مصمم بود تا یک زیست شیمیدان شود. اما متاسفانه کالجی که او قصد ثبت‌نام در آن را داشت، این رشته را ارائه نمی‌کرد. بنابرین او ابتدا مدرک خود در رشته‌ی شیمی را گرفت و سپس راهی هاروارد شد تا زیر نظر دو استاد شناخته شده، دیوید ترن‌بول (David Turnbull) و برنی آلدر (Bernie Alder) به تحصیل در رشته‌ی دینامیک مولکولی بپردازد. اما حتی این عمل بی‌پروایانه‌ی او نتوانست کنجکاویش را برطرف کند، وی سپس به موضوع دیگری روی آورد. بنت در یک دوره‌ی  آموزشی در مورد منطق ریاضیات و تئوری محاسبات شرکت کرد و به این طریق با نظریه‌های کورت گودل (Kurt Godel) و الن تورینگ (Alan Turing) آشنا شد. همزمان او به عنوان دستیار جیمز واتسون نیز مشغول به کار شده بود. واتسون همان کسی بود که چند سال قبلتر به واسطه‌ی کشف ساختار و عملکرد DNA جایزه‌ی نوبل را از آن خود کرده بود.

در این زمان بود که بنت متوجه یک موضوع عجیب شد، اینکه این دو فعالیت فوق‌برنامه‌ای او در واقع مانند دو روی یک سکه هستند. او فهمید که روش رونویسی دی ان ای  (DNA transcription) به طور رعب‌انگیزی با ایده‌ی رایانه‌ی جهانی تورینگ شباهت دارد. همین موضوع باعث شد او به این فکر کند که دنیای محاسباتی فراتر از یک سری صفر و یک است. بعد از آن بود که او متوجه فرم‌های متفاوت محاسباتی در دنیای اطراف خود شد و به این ترتیب وارد راهی شد که امروزه به اینجا ختم شده است.

جادوی ایده‌های عجیب

بنت بعد از فارغ‌التحصیلی تصمیم گرفت با یکی از دانشمندان IBM بنام رالف لندور (Rolf Landauer) گفتگو کند. لندور به او در مورد اصل خودش توضیح داد، اینکه اگر بیت‌ها حذف نشده‌ باشند، می‌توان از اتلاف انرژی جلو‌گیری کرد. با پیش‌زمینه‌ای که بنت از شیمی داشت توانست کارهای لوندر را پیش ببرد و به پیشرفت‌های بزرگی در حیطه‌ی محاسبات برگشت‌پذیر برسد. به این ترتیب او وارد همکاری با  IBM در حوز‌ه‌ی علوم محاسباتی شد.

بنت در ابتدا قصد داشت در محیط آکادمیک مشغول به کار شود، اما با پیش آمدن موقعیت‌های جدید ترجیح داد تا در تصمیم خود تجدید نظر کند. خود او در این باره می‌گوید:

کار کردن در آزمایشگاه یورک‌تون (Yorktown) به من این فرصت را می‌داد که با فیزیک‌دانان و مهندسان و دانشمندان حوز‌ه‌ی رایانه تعامل داشته باشم. این که در یک ساختمان چنین امکانی داشته باشید بسیار فوق‌العاده است. در ۴۴ سالی که من در اینجا بوده‌ام، فرصت کافی برای فکر کردن به خواسته‌های خودم را داشتم، توانستم تحقیقات مختلفی را انجام دهم و با دانشمندان و آزمایشگاه‌های سراسر دنیا در ارتباط باشم.

بنت با کار کردن برای IBM توانست دست به اکتشاف افق‌های جدیدی بزند، بدون اینکه هیچ گونه محدودیتی سر راه او قرار گیرد. بعنوان مثال، یکی از دوستان بنت، استفان ویزنر (Stephan Wiesner)، ایده‌ی پول کوانتومی را مطرح کرد. او عقیده داشت که به خاطر قوانین کوانتومی، جعل کردن این نوع پول غیر‌ممکن ‌خواهد بود. این اولین بار بود که کسی استفاده از مکانیک کوانتومی را برای اهداف اطلاعاتی پیشنهاد می‌داد. ایده‌ی ویزنر باعث شد که بنت با همکاری گیلز براسرد (Gilles Brassard) بر روی مفهوم رمز‌نویسی کار کند، چون که اساس مفهوم رمز‌نویسی کوانتومی با آنچه ویزنر مطرح کرده بود یکی بود. مفهومی که بنت و همکارانش روی آن تحقیق می‌کردند این بود که با استفاده از رمزنگاری کوانتومی، می‌توان کاری کرد که تلاش برای شنود اطلاعات به طور اتوماتیک باعث پاک شدن آنها شود. ایده‌های مطرح شده از این دست باعث پیشرفت‌های بسیاری می‌شدند، اما ایده‌های تحسین‌انگیز دیگری در راه بود.

آخرین سنگر اینشتین

همانطور که در بالا اشاره کردیم، اینیشتن نمی‌توانست خود را مجاب به قبول کردن مکانیک کوانتومی کند. او به خصوص به درهم‌تنیدگی کوانتومی ایراد می‌گرفت و می‌گفت «این اقدامات مرموز و از راه دور، قوانین فیزیک را نقض می‌کند.» چطورممکن است که مشاهده‌ی یک ذره در یک مکان مشخص، بتواند اطلاعاتی در مورد ذره‌ی دیگر و در مکان دیگر را به ما نشان دهد، بدون اینکه آن را تحت تاثیر قرار ندهد؟

اینیشتن چنان به عقیده خود اطمینان داشت که در نهایت تصمیم گرفت تا آزمایشی به نام EPR paradox ابداع کند تا نادرستی این مفهوم را ثابت کند. آزمایش او در مورد درستی و یا نادرستی درهم‌تنیدگی کوانتومی بود، یعنی پاسخ به این پرسش که آیا می‌توان از روی رفتار یک ذره، رفتار ذره‌ای دیگر را پیش‌بینی  کرد. جان بل (John Bell) نشان داد که آزمایش انیشتن در واقع درستی تئوری درهم‌تنیدگی را نشان می‌دهد، همینطور چند سال بعد دانشمندان مختلفی توانستند این موضوع را به صورت آزمایشگاهی ثابت کنند.

بنت بعد از مطالعات خود بر روی رمز‌نگاری کوانتومی تصمیم گرفت که با همکاری براسرد و چند همکار دیگر، کار‌های بل را دنبال کند. آنها در نهایت توانستند آزمایش مشهور تله ‌پورت کوانتوم (quantum teleportation) را با موفقیت انجام دهند. با این آزمایش نه تنها اشتباه انیشتن در حوزه‌ی کوانتوم ثابت شد بلکه آنها توانستند نشان دهند که  مکانیک کوانتومی  بیش از چیزی که قبلا تصور می‌شد، می‌تواند سودمند باشد.

بنت به این نیز راضی نشد، چون که در پی اکتشاف بزرگ‌تری بود. او به این فکر می‌کرد که با استفاده از حالات کوانتومی می‌توان اطلاعات را ذخیره کرد ولی آیا می‌توان با استفاده از آن به محاسبه‌ی اطلاعات پرداخت؟ ایده‌ی او یک رایانه‌ی کوانتومی بود. رایانه‌ای که با استفاده از حالات کوانتومی می‌تواند تا میلیون‌ها برابر محاسبات بیشتری نسبت به رایانه‌های معمولی انجام دهد. ایده‌ی او در ابتدا بی‌معنی و غیر‌قابل درک به نظر می‌رسید. با این حال، در سال ۱۹۹۳، وی چهار قانونی که معتقد بود راهنمای عمل محققان در این حیطه است را منتشر کرد.

محاسبات در جهان کوانتومی

برای درک اینکه یک رایانه‌ی کوانتومی چگونه کار می‌کند، ابتدا باید با نحوه‌ی کار رایانه‌های معمولی آشنا شویم. به طور خلاصه این طور می‌توانیم بگوییم که رایانه‌های امروزی، یک سری از اعداد صفر و یک را تبدیل به عبارات منطقی و دستور‌العمل می‌کنند. این سری از اعداد صفر و یک را بیت می‌نامند که مطابق با قانونی به نام منطق بولین (Boolean logic) تبدیل به توابع می‌شوند.

در ابتدا شاید این کار احمقانه به نظر برسد، چون برای توصیف اطلاعات مختلف، به تعداد بسیار زیادی صفر و یک نیاز داریم. اما نکته اینجاست که رایانه‌های امروزی می‌توانند میلیاردها عملیات محاسبه را در یک ثانیه انجام دهند، پس استفاده از این روش، منطقی به نظر می‌رسد. این راهکار ما را قادر کرده است که با دستگاه‌های دیگر ارتباط برقرار کنیم و یا از کیبورد استفاده کنیم و یا اینکه صدای خود را ظبط کنیم.

برای فهم بهتر ابعاد این موضوع، یک کاراکتر را در نظر بگیرید. هشت بیت، یا یک بایت، می‌تواند شامل ۲۵۶ ترکیب ممکن باشد. بنابرین فضای در دسترس در یک بایت به حدی بزرگ است که تقریبا می‌توان تمام حروف و اعداد و سمبل‌ها را با آن تعریف کرد. این را نیز در نظر بگیرید که پردازنده‌ها‌ی  مدرن در هر ثانیه می‌توانند میلیاردها بیت را مدیریت کنند، بنابرین رایانه‌ها و سایر ماشین‌های امروزی می‌توانند کارکرد‌های مفید وسیعی داشته باشند.

رایانه‌های کوانتومی نیز به شکل مشابهی کار می‌کنند، جز اینکه به خاطر استفاده از اصول برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، به جای ترکیب‌های مختلف، حالات کوانتومی تولید می‌کنند. این حالات (states) از هیچ قانون فیزیکی متعارفی تبعیت نمی‌کنند. اینطور می‌توانیم بگوییم که این حالات به نوعی، نشانگر بعد‌های جداگانه‌ای هستند که یک محاسبه‌ی کوانتومی می‌تواند در آن اتفاق بیافتد.

پس، یک رایانه‌ی کوانتومی هشت بیتی می‌تواند ۲۵۶ حالت  یا بعد مختلف تولید کند، در حالیکه که تعداد محاسبات همزمان یک رایانه‌ی کوانتومی ۳۰ بیتی، از تعداد کل اتم‌های موجود در عالم می‌تواند بیشتر باشد.

با این حال یک مشکل وجود دارد. این حالاتی که از آنها صحبت می‌کنیم تنها نشانگر احتمالات هستند. پیچیدگی و سختی کار اینجاست که کاری کنیم تا رایانه‌ی کوانتومی در هر لحظه روی یک پاسخ محسوس تمرکز کند. اگر از رایانه‌ی کوانتومی برای پاسخ دادن به یک سوال کوانتومی استفاده ‌کنیم، مثلا بخواهیم اثرات یک داروی خاص بر بدن را بررسی کنیم، این عمل تمرکز به‌ خودی‌خود اتفاق می‌افتد. اما در موارد دیگر و زمانیکه که از رایانه‌ی کوانتومی برای پاسخ گرفتن در مورد یک سوال کلاسیک استفاده شود، در این جا است که مشکلات اساسی ظاهر می‌شوند.

محاسبات کوانتومی به قدری پتانسیل دارند که باعث شده است تا دانشمندان حوزه‌ی رایانه‌ در IBM و همینطور در سرتاسر جهان، در تب و تاب پیدا کردن راه‌حل این مسائل باشند. البته ناگفته نماند که پیشرفت‌هایی هم حاصل شده است. شرکت IBM یک نمونه‌ی آزمایشی از رایانه‌ی کوانتومی ساخته است که از طریق سرویس cloud در دسترس هستند و حتی دانشجویان می‌توانند نحوه‌ی برنامه‌نویسی با آن را یاد بگیرند.

در حال ورود به عصر کوانتومی هستیم

ایده‌هایی که در صحبت با چارلی بنت مطرح شد به قدری عجیب و نامعمول هستند که انسان تصور می‌کند در یکی از بحث‌هایی که در شب‌نشینی‌های محیط خوابگاه اتفاق می‌افتد، حضور دارد! همانطور که فیزیکدان برجسته ریچارد فاینمن (Richard Feynman) عنوان کرده است، پذیرش ایده‌های مربوط به مکانیک کوانتوم آسان نیست. اما آن طور که او می‌گوید، اینها حقایقی هستند که مجبوریم بپذیریم. حقایقی که در عالم هستی، در جایی که ما زندگی می‌کنیم، به میراث گذاشته شده‌اند. آنها، جزئی از انتزاع فطری هستند، یعنی ایده‌هایی که با ادراک و دانسته‌های ما تناقض دارند، ولی با این حال نقش مهمی در زندگی ما ایفا می‌کنند.

برای مثال، ما می‌توانیم نظریه‌های اینیشتن در مورد نسبی بودن زمان و فضا را نقض کنیم، اما رهیاب‌های GPS طبق قوانینی که از این نظریات استخراج شده، کار می‌کنند. ما هرچقدر که می‌خواهیم می‌توانیم به نظریه‌های مختلف اعتراض کنیم، اما عالم هستی به ما بهایی نمی‌دهد.

خیلی از مردم در مورد این موضوعات می‌گویند:” ای وای، چه عجیب!” اما بنت در همین عجایب، قوانینی را مشاهده می‌کند و سعی می‌کند که با استفاده از آنها چیز جدیدی بسازد که هیچکس تصور آن را نیز نمی‌تواند بکند. او به جای بازی کردن در کازینو، با جهان هستی بازی می‌کند تا بلکه سودی عاید بشر شود. هیک رایل (Heike Riel) از شرکت IBM می‌گوید:

کمتر کسی را می‌شناسم که مانند چارلی عمیق فکر کند. اشخاصی مانند او سعی می‌کنند که مفاهیم تئوری را وارد دنیای ما کنند. ما اکنون در مسیر تولید یک رایانه‌ی کوانتومی کاربردی قرار داریم، زمانی که چنین رایانه‌ای ساخته شود، نه تنها موفقیت بزرگی برای شرکت ما خواهد بود بلکه می‌تواند تکنولوژی اطلاعات را متحول کند.

اکنون ما در شرایطی هستیم که نسل قبل از ما در دهه‌ی ۵۰ تجربه کردند، زمانی که کمتر کسی فکر می‌کرد UNIVAC بتواند کارشناسان زبده را غافل‌گیر کند. در ده یا بیست سال آینده، ما احتمالا به نسل جدید توضیح خواهیم داد که زندگی در جهان، بدون رایانه‌های کوانتومی چطور بوده‌ است.

منبع digitaltonto

از سراسر وب

  دیدگاه
کاراکتر باقی مانده

بیشتر بخوانید