کامپیوتر کوانتومی به زبان ساده: رؤیایی در چند قدمی واقعیت

تصور کنید در یک هزارتو با میلیون‌ها مسیر پیچیده و درهم‌تنیده گیر افتاده‌اید و می‌خواهید برای پیدا کردن راه خروج، از یک کامپیوتر کمک بگیرید. کامپیوترهای کلاسیک، با صبوری دیوانه‌کننده‌ای که شاید میلیون‌ها سال طول بکشد، تک‌تک مسیرها را امتحان می‌کنند تا سرانجام به جواب برسند؛ اما کامپیوترهای کوانتومی، با استفاده از قدرت خارق‌العاده‌ی ذرات زیراتمی، می‌توانند همزمان در تمام مسیرها حضور داشته باشند و در چشم‌برهم‌زدنی، کوتاه‌ترین مسیر خروج را پیدا کنند.

این مثال ساده، قدرت شگفت‌انگیز کامپیوترهای کوانتومی را به تصویر می‌کشد؛ فناوری‌ای که با بهره‌گیری از قوانین عجیب‌وغریب دنیای کوانتوم، می‌تواند محاسباتی را انجام دهد که برای پیشرفته‌ترین ابرکامپیوترهای امروزی نیز غیرممکن است. از رمزگشایی کدهای پیچیده و طراحی داروهای جدید گرفته تا شبیه‌سازی مولکول‌ها و بهینه‌سازی سیستم‌های حمل‌ونقل، کامپیوترهای کوانتومی دریچه‌ای نو به سوی آینده‌ای روشن‌تر می‌گشایند.

البته در نظر داشته باشید که با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه‌ی کامپیوترهای کوانتومی، این فناوری قرار نیست جایگزین کامپیوترهای کلاسیک شود؛ بلکه کامپیوترهای کوانتومی ابزاری قدرتمند برای حل مسائل پیچیده و تخصصی خواهند بود که کامپیوتر کلاسیک از انجام آن‌ها عاجز است.

اگرچه دانش محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد و با چالش‌های فنی متعددی روبه‌رو است، پتانسیل بالایی در متحول‌کردن صنایع و فناوری‌های مختلف دارد. حوزه‌هایی مانند علم مواد، پزشکی، رمزنگاری و بهینه‌سازی، همگی می‌توانند از قدرت محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی بهره‌مند شوند و به پیشرفت‌های چشمگیری دست یابند.

در این مطلب، سفری به دنیای شگفت‌انگیز کامپیوترهای کوانتومی خواهیم داشت و به بررسی اصول بنیادی، کاربردها، چالش‌ها و آینده‌ی این فناوری تحول‌آفرین می‌پردازیم.

محاسبات کوانتومی بر اصول شناخته‌شده (هرچند همچنان مرموز) نظریه‌ی مکانیک کوانتومی متکی است. این نظریه بنیادی فیزیک، طبیعت را در کوچک‌ترین مقیاس‌های اتمی و زیراتمی توصیف می‌کند. همان‌طور که خواهیم گفت، جنبه‌هایی از مکانیک کوانتومی به ‌ویژه برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی، مزایای محاسباتی شگفت‌انگیزی را ارائه می‌دهند.

پژوهشگران علم اطلاعات کوانتومی مشغول تلاش برای دسترسی دقیق و قابل اعتماد به پتانسیل محاسباتی هستند تا  بتوانند کامپیوترهای کوانتومی را برای حل مشکلات دنیای واقعی به کار گیرند.

همان‌طور که مشخص است، کامپیوترهای کوانتومی و علم محاسبات کوانتومی براساس قوانین دنیای کوانتومی کار می‌کنند. برای درک محاسبات کوانتومی، ابتدا باید مفاهیم کلیدی‌ای که آن را از محاسبات کلاسیک متمایز می‌کند، بشناسیم، از جمله کیوبیت‌ها، برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی کوانتومی.

مکانیک کوانتومی، نظریه‌ای نسبتاً جدید در فیزیک است که در قرن بیستم قدم به عرصه‌ی ظهور نهاد. در اواخر قرن نوزدهم، فیزیکدانان در توجیه برخی پدیده‌ها مانند ساختار اتم و تابش جسم سیاه با استفاده از فیزیک کلاسیک دچار مشکل شده بودند و نیاز به تغییر پارادایم غالب در فیزیک احساس می‌شد. به همین دلایل، فیزیکدانانی از جمله مکس پلانک، آلبرت اینشتین، نیلز بور، ورنر هایزنبرگ و بسیاری دیگر، پایه‌های نظریه‌ای را که امروزه به‌عنوان مکانیک کوانتومی شناخته می‌شود، بنا نهادند. توجه داشته باشید که نظریه‌های غیر کوانتومی را نظریه‌های کلاسیک یا فیزیک کلاسیک می‌نامیم و نظریه‌هایی که توانایی ادغام با فیزیک کوانتومی را دارند، به‌عنوان نظریه کوانتومی می‌شناسیم.

در قلب فیزیک کوانتوم، موجودی ریاضی وجود دارد که اطلاعات یک ذره را با این تابع ریاضیاتی مشخص می‌کنیم. در نظریه‌ی مکانیک کوانتومی، هر حالت ذره را با یک تابع ریاضیاتی به نام «تابع موج» مشخص می‌کنیم. یک ویژگی عجیب در فیزیک کوانتوم این است که تا زمانی که ذره را مورد اندازه‌گیری قرار ندهیم (مشاهده نکنیم)، حالت ذره نامشخص است و به‌صورت یک برهم‌نهی از حالت‌های مختلف است؛ اما به‌محض انجام اندازه‌گیری (مشاهده)، تابع موج اصطلاحاً رمبش یا فروریزش می‌کند و حالت آن مشخص می‌شود. تابع موج می‌تواند تحول زمانی داشته باشد. تحول تابع موج یا حالت ذره توسط معادله‌ای به نام معادله‌ی شرودینگر توصیف می‌شود. اولین شخصی که تابع موج را در نظریه‌ی کوانتومی مطرح کرد، ورنر هازبنبریگ بود.

با استفاده از مربع اندازه‌ی تابع موج و جمع زدن آن روی تمام فضای احتمالاتی، می‌توان احتمال حضور ذره در یک مکان را مشخص کرد. اروین شرودینگر معادله‌ای به‌دست آورد که با استفاده از آن تحول تابع موج به‌دست می‌آید و رفتار تابع موج را می‌توان توصیف کرد.

مفهوم اسپین، یکی از خواص ذاتی ذرات بنیادی است و انواع مختلف ذرات، مقادیر متفاوتی از اسپین را اختیار می‌کنند. اسپین، در فیزیک نیوتنی، مفهوم متناظری ندارد؛ اما، برای تقریب به ذهن، آن را مشابه چرخش و تکانه زاویه‌ای در نظر می‌گیرند. به‌طور مثال اسپین الکترون می‌تواند دو حالت s=+1/2 و s=-1/2 به خود بگیرد.

گفتیم که یک ذره تا زمانی که مورد اندازه‌گیری قرار نگیرد، حالت مشخصی ندارد. در واقع، ذره پیش از اندازه‌گیری در یک وضعیت برهم‌نهی از تمام حالت‌های ممکن قرار دارد. برهم‌نهی یعنی اینکه ذره در ترکیبی از تمام حالت‌های ممکن قرار دارد. یعنی ادغامی از تابع موج‌های مختلف است و در این حالت، نمی‌توان دقیقاً تابع موج ذره را مشخص کرد؛ اما به محض مشاهده و مورد اندازه‌گیری واقع شدن، حالت ذره به یکی از حالت‌های ممکن تقلیل می‌یابد. در این حالت، به‌اصطلاح تابع موج فروریزش می‌کند.

صبا سلوکی

چرا نظریه کوانتوم پس از گذشت صد سال هنوز برای فیزیکدانان معما است؟

مطالعه '12

آلبرت اینشتین، یکی از منتقدان سرسخت نظریه کوانتومی بود و در مباحثات متعددی که با فیزیکدانان کوانتومی به‌ویژه نیلز بور داشت، تلاش می‌کرد با نقد مبانی مکانیک کوانتومی، آن را زیر سؤال ببرد.

یکی از استدلال‌های اینشتین علیه نظریه کوانتومی در قالب یک آزمایش ذهنی مشهور به پارادوکس EPR مطرح می‌شود. اینشتین به‌همراه همکارانش پودولسکی و روزن در مقاله‌ای، آزمایشی ذهنی را توصیف کرد به این صورت که: اگر دو ذره را در حالتی خاص قرار دهیم که به آن درهم‌تنیدگی می‌گوییم و این دو ذره را در فاصله‌ی دوری از یکدیگر قرار دهیم، به محض اینکه به‌طور مثال اسپین یکی از این ذرات تغییر کند، ذره‌ی دیگر نیز بلافاصله به آن تغییر واکنش نشان می‌دهد و حالتش تغییر می‌کند. این تغییر وضعیت آنی و مستقل از فاصله است. اینشتین معتقد بود که این آنی و بلادرنگ بودن تغییر حالت ذرات درهم‌تنیده، با نسبیت خاص و حد سرعت نور در تضاد است.

بابک قهرمانی

درهم‌تنیدگی کوانتومی: بحثی فراتر و عجیب‌تر از مکانیک کوانتومی

مطالعه '7

ناهمدوسی کوانتومی فرایندی است که در آن ذرات و سیستم‌های کوانتومی شاید دچار فروپاشی یا تغییر حالت شوند و به حالت‌های منفردی که توسط فیزیک کلاسیک قابل اندازه‌گیری هستند، تبدیل شوند. این پدیده‌ی چالشی بزرگ در طراحی کامپیوترهای کوانتومی است، زیرا حفظ حالت‌های کوانتومی برای محاسبات اهمیت حیاتی دارد. در واقع با از دست رفتن همدوسی، سیستم از وضعیت کوانتومی به کلاسیک تغییر می‌کند و خواص کوانتومی از جمله درهم‌تنیدگی کوانتومی از بین می‌رود.

تداخل پدیده‌ای است که در آن حالت‌های کوانتومی درهم‌تنیده می‌توانند با یکدیگر تعامل کنند و احتمالات بیشتر یا کمتری را ایجاد کنند. این اصل، که در اصل مبتنی بر فیزیک امواج است، به سیستم‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا نتایج محاسبات را بهینه‌سازی کنند.

این اصول پایه‌ای که بیان کردیم، بنیان علم اطلاعات کوانتومی و محاسبات کوانتومی را تشکیل می‌دهند و درک آن‌ها برای مطالعه و کاربردهای این فناوری ضروری است.

برخلاف کامپیوترهای کلاسیک که داده‌ها را به‌صورت بیت‌های دو-دویی (۰ یا ۱) رمزگذاری می‌کنند، کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند در حالت‌های برهم‌نهی نیز باشند. این بدان معنا است که یک کیوبیت می‌تواند در حالت ۰، ۱، یا هم‌زمان در هر دو حالت ۰ و ۱ باشد.

کیوبیت‌ها معمولاً از سیستم‌هایی که رفتارهای مکانیک کوانتومی از خود نشان می‌دهند، مانند اسپین یک الکترون یا قطبش یک فوتون، به وجود می‌آیند. کنترل دقیق این ویژگی‌ها امکان ایجاد و مدیریت کیوبیت‌ها برای انجام محاسبات را فراهم می‌کند.

کیوبیت‌ها، با توانایی شگفت‌انگیزشان در قرارگیری در حالت‌هایی فراتر از صفر و یک کلاسیک، محاسبات را متحول می‌کنند. با این حال، این واحدهای اطلاعاتی کوانتومی، بسیار ظریف و حساس هستند. آن‌ها به‌راحتی تحت‌تأثیر کوچک‌ترین تغییرات محیطی قرار می‌گیرند و حالت کوانتومی‌شان را از دست می‌دهند، پدیده‌ای که دانشمندان آن را «واهم‌گسیختگی» (وا همدوسی) می‌نامند.

این حساسیت، محدودیت‌های جدی‌ای را بر محاسبات کوانتومی تحمیل می‌کند. محاسبات باید در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه و اغلب در دماهای بسیار پایین انجام شوند تا حالت کوانتومی کیوبیت‌ها حفظ شود. به همین دلیل، یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی، ساخت کیوبیت‌های پایدار است که بتوانند حالت کوانتومی خود را برای مدت‌زمان کافی جهت انجام محاسبات، حفظ کنند.

همان‌طور که اشاره شد، بیت‌های محاسبات کلاسیک در حالت ۱ یا ۰ هستند، مانند یک کلید روشنایی که یا در حالت روشن است یا خاموش. از سوی دیگر، برهم‌نهی در مکانیک کوانتومی، اصلی است که در آن یک سیستم کوانتومی می‌تواند به‌طور هم‌زمان در چندین حالت یا پیکربندی وجود داشته باشد.

مثال‌ها اغلب نمی‌توانند مفهوم ظریف برهم‌نهی را به‌طور کامل برسانند، اما می‌توانید آن را مانند چراغی تصور کنید که کلید ندارد و به‌جای آن از یک دیمر (کنترل‌کننده‌ی شدت نور) استفاده می‌کند که می‌تواند نور را بین حالت روشن و خاموش تنظیم کند؛ یا می‌توانید آن را به شکل سکه‌ای تصور کنید که با سرعت بسیار بالا می‌چرخد. این سکه به‌طور هم‌زمان هم در حالت شیر و هم در حالت خط است تا زمانی که چرخش متوقف شود و وضعیت نهایی آن مشاهده شود.

درهم‌تنیدگی کوانتومی قدرت برهم‌نهی را گسترش می‌دهد. زمانی که کیوبیت‌ها درهم‌تنیده می‌شوند، حالت یک کیوبیت می‌تواند به حالت کیوبیت دیگری وابسته باشد، فارغ از اینکه چقدر از هم فاصله دارند. این پدیده باعث می‌شود ظرفیت اطلاعاتی یک سیستم کوانتومی با افزایش تعداد کیوبیت‌ها به‌صورت نمایی رشد کند، زیرا آن‌ها می‌توانند محاسبات بسیاری را به‌طور هم‌زمان انجام دهند.

یک کیوبیت می‌تواند مانند یک بیت عمل کرده و صفر یا یک را ذخیره کند، اما همچنین می‌تواند ترکیبی وزنی از صفر و یک را به‌طور هم‌زمان نمایش دهد. وقتی کیوبیت‌ها در حالت برهم‌نهی ترکیب شوند، ظرفیت محاسباتی آن‌ها به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد.

• دو کیوبیت می‌توانند با چهار واحد اطلاعات محاسبه کنند.
• سه کیوبیت می‌توانند با هشت واحد اطلاعات محاسبه کنند.
• چهار کیوبیت می‌توانند با ۱۶ واحد اطلاعات محاسبه کنند.

بااین‌حال، در پایان هر محاسبه، هر کیوبیت تنها می‌تواند یک بیت اطلاعات را نتیجه دهد. الگوریتم‌های کوانتومی با ذخیره و دست‌کاری اطلاعات به روشی که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرقابل دسترس است، سرعت بیشتری در حل برخی مسائل خاص فراهم می‌کنند.

کیوبیت‌ها معمولاً با دست‌کاری و اندازه‌گیری ذرات کوانتومی (کوچک‌ترین اجزای شناخته‌شده‌ی جهان فیزیکی) مانند فوتون‌ها، الکترون‌ها، یون‌های به دام افتاده و اتم‌ها ایجاد می‌شوند. همچنین می‌توان سیستم‌هایی طراحی کرد که مانند ذرات کوانتومی عمل کنند، مانند مدارهای ابررسانا.

برای کنترل این ذرات، کیوبیت‌ها باید در دمای بسیار پایین نگه داشته شوند تا نویز به حداقل برسد و از بروز خطاهای ناشی از واهمدوسی (Decoherence) ناخواسته جلوگیری شود.

امروزه انواع مختلفی از کیوبیت‌ها در محاسبات کوانتومی استفاده می‌شوند که هرکدام برای وظایف خاصی مناسب‌تر هستند. برخی از رایج‌ترین انواع کیوبیت‌ها عبارت‌اند از:

از مواد ابررسانا ساخته شده و در دماهای بسیار پایین کار می‌کنند. این کیوبیت‌ها به‌دلیل سرعت بالا در انجام محاسبات و کنترل دقیق، محبوب هستند.

در این نوع کیوبیت، از یون‌های به دام افتاده استفاده می‌کنند و به‌خاطر زمان‌های طولانی همدوسی (پایداری) و اندازه‌گیری‌های با دقت بالا شناخته می‌شوند.

نقاط کوانتومی، نیمه‌رساناهای کوچکی هستند که یک الکترون منفرد را به دام می‌اندازند و به‌عنوان کیوبیت استفاده می‌کنند. این کیوبیت‌ها قابلیت مقیاس‌پذیری و تطبیق با فناوری‌های نیمه‌رسانای موجود را دارند.

فوتون‌ها ذرات نور هستند که برای انتقال اطلاعات کوانتومی در مسافت‌های طولانی از طریق کابل‌های فیبر نوری استفاده می‌شوند. این کیوبیت‌ها درحال‌حاضر در ارتباطات و رمزنگاری کوانتومی کاربرد دارند.

اتم‌های خنثی که با لیزر شارژ می‌شوند، برای مقیاس‌پذیری و انجام عملیات مناسب هستند.

زمانی که یک مسئله‌ی پیچیده، مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ، پردازش می‌شود، بیت‌های کلاسیک با نگهداری حجم زیادی از اطلاعات محدود می‌شوند. اما، کیوبیت‌ها به‌دلیل توانایی حفظ برهم‌نهی، می‌توانند مسئله را به روش‌هایی که کامپیوترهای کلاسیک قادر نیستند، حل کنند.

برای درک بهتر اینکه چگونه کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌ها مسائل پیچیده را حل می‌کنند، این مثال را در نظر بگیرید: تصور کنید که در مرکز یک هزارتوی پیچیده ایستاده‌اید.

• یک کامپیوتر کلاسیک برای خروج از هزارتو باید تمامی مسیرهای ممکن را به‌طور جداگانه آزمایش کند، مشابه روش  «Brute Force».
• در مقابل، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند با استفاده از روش «دید پرنده‌ای» (دید از بالا) به‌صورت هم‌زمان مسیرهای مختلف را بررسی کرده و با استفاده از تداخل کوانتومی، مسیر صحیح را تشخیص دهد.

در واقع، کیوبیت‌ها همه مسیرها را به‌طور هم‌زمان آزمایش نمی‌کنند. بلکه کامپیوترهای کوانتومی با اندازه‌گیری دامنه‌های احتمالی کیوبیت‌ها، به یک نتیجه می‌رسند. این دامنه‌ها مانند امواج عمل می‌کنند که با یکدیگر همپوشانی دارند. زمانی که امواج غیر هم‌زمان همپوشانی می‌کنند، راه‌حل‌های نامحتمل حذف می‌شوند و موج منسجم باقی‌مانده، راه‌حل نهایی را ارائه می‌دهد.

بیایید به بحثمان درباره بیت‌های کلاسیک بازگردیم. بیت‌ها به‌راحتی با دروازه‌های دیجیتال (گیت‌های منطقی دیجیتال) دستکاری می‌شوند؛ اما کیوبیت‌ها متفاوت هستند. آن‌ها باید با استفاده از دروازه‌های کوانتومی (کوانتوم گیت‌ها) در یک مدار کوانتومی دستکاری شوند. این دروازه‌ها احتمالات حالت کیوبیت را تغییر می‌دهند بدون اینکه لزوماً مقدار آن اندازه‌گیری شود و به این ترتیب امکان انجام محاسبات پیچیده را فراهم می‌کنند.

ازآنجاکه کیوبیت‌ها می‌توانند در یک برهم‌نهی از حالت‌ها باشند، دروازه‌های کوانتومی این کیوبیت‌ها را از طریق عملیاتی دستکاری می‌کنند که معمولاً با ماتریس‌ها نمایش داده می‌شود. ماتریس‌ها آرایه‌های مستطیلی از اعداد یا نمادها هستند که در ردیف‌ها و ستون‌ها چیده شده‌اند و معمولاً برای نمایش و پردازش داده‌ها به کار می‌روند.

این عملیات شامل چرخش حالت (تغییر احتمالات کیوبیت در حالت ۰ یا ۱)، درهم‌تنیدگی (ارتباط دادن حالت دو کیوبیت به گونه‌ای که حالت یکی به حالت دیگری وابسته باشد)، و برهم‌نهی (ایجاد حالتی که کیوبیت در ترکیبی از ۰ و ۱ باشد) می‌باشد.

یک مدار کوانتومی توالی‌ای از دروازه‌های کوانتومی است که برای انجام یک محاسبه خاص طراحی شده است. کیوبیت‌ها از این دروازه‌ها عبور می‌کنند، به روشی که از نظر مفهومی مشابه عبور بیت‌ها از دروازه‌های کلاسیک در یک مدار متعارف است؛ اما به‌دلیل ماهیت کوانتومی این مدارها، آن‌ها می‌توانند محاسبات پیچیده را کارآمدتر از مدارهای کلاسیک انجام دهند، به‌ویژه برای مسائلی مانند تجزیه اعداد بزرگ یا شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی.

مدارهای کوانتومی باید به دقت طراحی شوند تا پدیده‌های کوانتومی مانند همدوسی و درهم‌تنیدگی را در نظر بگیرند. علاوه‌براین، اندازه‌گیری‌ها در محاسبات کوانتومی اساساً با محاسبات کلاسیک متفاوت هستند. وقتی یک کیوبیت اندازه‌گیری می‌شود، برهم‌نهی آن به یکی از حالت‌های پایه (۰ یا ۱) فرو می‌ریزد و این امر بر نتیجه محاسبه تأثیر می‌گذارد.

همان‌طور که می‌توان حدس زد، فرایند محاسبات کوانتومی، از نظریه تا کاربرد، شامل چندین مرحله‌ی پیچیده و به‌هم مرتبط است: از تحقق فیزیکی کیوبیت‌ها تا طراحی دروازه‌ها و مدارهای کوانتومی، ایجاد الگوهای تصحیح خطا، و توسعه الگوریتم‌های کوانتومی.

هدف، البته، ایجاد کامپیوترهای کوانتومی برای کاربردهای بالقوه در زمینه‌های مختلف مانند رمزنگاری، کشف دارو، حل مسائل بهینه‌سازی، مدل‌سازی مالی و موارد دیگر است.

بااین‌حال، محاسبات کوانتومی هنوز در مرحله‌ی نسبتاً ابتدایی قرار دارد. تحقیقات مداوم روی ایجاد کیوبیت‌های پایدارتر، افزایش تعداد کیوبیت‌ها، بهبود تصحیح خطا و توسعه‌ی الگوریتم‌ها و کاربردهای جدید متمرکز است.

اما شاید این سؤال برایتان پیش آمده باشد که چرا تمام این تلاش‌ها برای ایجاد کامپیوترهای کوانتومی انجام می‌شود، وقتی که فناوری‌های موجود با کامپیوترهای کلاسیک و حتی ابرکامپیوترهای کلاسیک به خوبی عمل می‌کنند؟

حقیقت این است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در بسیاری از وظایف به‌طور چشمگیری از کامپیوترهای کلاسیک پیشی بگیرند و حتی عملکرد ابرکامپیوترهای امروزی را به‌طور قابل‌ توجهی بهبود بخشند.

بیشتر دانشمندان معتقدند که کامپیوترهای کوانتومی مقاوم در برابر خطا می‌توانند در بسیاری از وظایف (اما نه همه) از روش‌های محاسبات کلاسیک پیشی بگیرند. به‌طور خاص، دستگاه‌های کوانتومی در محاسباتی مانند بهینه‌سازی، شبیه‌سازی و روش‌های مختلف رمزنگاری برتری دارند.

برای این وظایف، کامپیوترهای کوانتومی با بهره‌گیری از برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی به‌عنوان ماشین‌های محاسباتی انقلابی شناخته می‌شوند که سرعت و کارایی بی‌سابقه‌ای ارائه می‌دهند. برهم‌نهی به کامپیوترهای کوانتومی امکان پردازش موازی را می‌دهد که می‌تواند سرعت را افزایش دهد، درحالی‌که درهم‌تنیدگی باعث افزایش کارایی می‌شود، چیزی که کامپیوترهای کلاسیک نمی‌توانند به آن دست یابند، زیرا مجبورند هر بیت را به‌طور مستقل پردازش کنند.

با چنین سرعت و کارایی، باید دلیلی وجود داشته باشد که این دستگاه‌ها امروزه به‌طور گسترده مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. چندین محدودیت و چالش در محاسبات کوانتومی وجود دارد.

نخستین چالش، پیچیدگی ذاتی این دستگاه‌ها است. همه‌ی رویکردهای محاسبات کوانتومی به تجهیزات بسیار حساس و مهندسی پیچیده‌ای نیاز دارند، حتی در مقایسه با پیشرفته‌ترین ابرکامپیوترها.

اما اصلی‌ترین محدودیت و چالش در محاسبات کوانتومی، آسیب‌پذیری در برابر نویز محیطی است. ازآنجاکه کیوبیت‌ها نسبت به تداخل از جمله گرما، امواج الکترومغناطیس و حتی پرتوهای کیهانی فوق‌العاده حساس هستند، ممکن است خطاهایی ایجاد کنند که توانایی کامپیوتر کوانتومی را در انجام محاسبات کارآمد و سریع‌تر تحت‌تأثیر قرار دهد. بنابراین، باید مراقبت ویژه‌ای صورت گیرد تا این حالات کوانتومی تا حد امکان حفظ شوند. این موضوع نیاز به مهندسی پیچیده‌ی این دستگاه‌ها را بیشتر توضیح می‌دهد.

علاوه‌براین، دانشمندان باید پروتکل‌های تصحیح خطا را طراحی کنند تا تمایل به خطا را به حداقل برسانند. اگرچه گروه‌های تحقیقاتی پیشرفت سریعی دارند، اما کامپیوترهای کلاسیک هنوز در حل اکثر مسائل به‌ویژه مسائل عملی به‌دلیل پایداری‌شان در مقایسه با کامپیوترهای کوانتومی برتری دارند.

شرکت مایکروسافت، در فوریه‌ی ۲۰۲۵ فناوری جدیدی از کامپیوترهای کوانتومی معرفی کرد که شاید به‌نوعی برگ برنده و تغییردهنده‌ی قواعد بازی در دنیای محاسبات کوانتومی باشد. تراشه‌ی کوانتومی «مایورانا» حاصل ۱۷ سال تحقیق و توسعه توسط مایکروسافت است و می‌تواند تا یک میلیون کیوبیت را در یک چیپ مشابه پردازنده‌های دسکتاپ جای دهد.

این پردازنده برای محاسبات خود از «ذره مایورانا» استفاده می‌کند که اولین بار ایتوره مایورانا فیزیکدان ایتالیایی در سال ۱۹۳۷ آن را معرفی کرد. مایوراناها برخلاف الکترون یا پروتون به‌شکل عادی پدید نمی‌آیند. آن‌ها فقط در نوعی نادر از مواد به نام ابررسانای توپولوژیکی (Topological Superconductor) وجود دارند.

هوشیار ذوالفقارنسب

تراشه مایورانا ۱ مایکروسافت؛ دستاورد تاریخی برای پردازش کوانتومی

مطالعه '16

ذره‌ی مایورانا در طبیعت وجود ندارد و فیزیکدان‌ها سال‌ها است به‌دنبال ساخت آن در آزمایشگاه هستند؛ اما، مایکروسافت با تغییر معادلات، پس از سال‌ها تحقیق، این ذرات را ساخته و در چیپ کوانتومی خود به کار برده است.

ذرات مایورانا از نظر تئوری از قوی‌ترین راه‌ها برای ذخیره‌سازی اطلاعات کوانتومی هستند. آن‌ها با خواص عجیبشان به محافظت از داده‌ها در برابر نویزهای محیطی کمک می‌کنند و حالت‌های کوانتومی ظریف را سالم نگه می‌دارند.

در کل کیوبیت‌های الکترونی سنتی به‌شدت حساس‌اند و به‌محض اینکه با سیگنال‌های الکترومغناطیسی، نوسانات دما یا حتی کوچک‌ترین اختلال در تعامل باشند، دچار اختلال می‌شوند. با این معماری بنیادی جدید مایکروسافت موفق به ساخت هسته‌ی جدیدی به‌ نام هسته‌ی توپولوژیکی شده است.

معماری نوین تراشه کوانتومی مایکروسافت، با بهره‌گیری از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد ذرات مایورانا، امکان جای‌دهی تعداد بیشتری کیوبیت را در فضایی بسیار کوچک فراهم می‌آورد. این فناوری، ساخت کیوبیت‌های توپولوژیکی را ممکن می‌سازد که از قابلیت اطمینان، اندازه‌ی کوچک و کنترل‌پذیری بالایی برخوردارند و بدین ترتیب، مشکل نویز و خطاهای رایج در کیوبیت‌ها را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.

اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز با چالش‌های عملی متعددی دست‌وپنجه نرم می‌کند، تلاش‌های بی‌وقفه تیم‌های علمی در سراسر جهان، امیدها را برای دستیابی به محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا افزایش داده است. در صورت تحقق این هدف، کاربردهای اولیه و تحول‌آفرین متعددی برای محاسبات کوانتومی پدیدار خواهد شد. در ادامه، به بررسی برخی از محتمل‌ترین و مهم‌ترین کاربردهای این فناوری نوین می‌پردازیم.

• رمزنگاری و بهبود امنیت سایبری: محاسبات کوانتومی پیامدهای عمیقی برای رمزنگاری و امنیت سایبری دارد. روش‌های رمزنگاری سنتی، مانند RSA، مبتنی بر روش دشوار فاکتورگیری اعداد بزرگ هستند، کاری که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به‌طور نمایی به‌مراتب سریع‌تر انجام دهند. این قابلیت استانداردهای فعلی رمزنگاری را تهدید می‌کند و نیاز به توسعه‌ی رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم را ایجاد می‌کند.
• پیشرفت‌ها در کشف دارو و علم مواد: در کشف دارو و علم مواد، محاسبات کوانتومی امکان شبیه‌سازی اندرکنش‌های مولکولی و شیمیایی را در  سطحی بی‌سابقه از جزئیات فراهم می‌کند. کامپیوترهای سنتی در شبیه‌سازی مولکول‌های پیچیده به‌دلیل افزایش نمایی متغیرها دچار مشکل می‌شوند، اما کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند این پیچیدگی را با سهولت نسبی مدیریت کنند. این توانایی به مدل‌سازی دقیق ساختارها و رفتارهای مولکولی منجر می‌شود و فرایند کشف دارو را سریع‌تر و کارآمدتر می‌سازد.
• بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده از مالی تا لجستیک: در حوزه‌ی مالی و لجستیک، محاسبات کوانتومی می‌توانند موجب پیشرفت‌های قابل توجهی در بهینه‌سازی سیستم‌های پیچیده شوند.

در خبرهای مربوط به پیشرفت‌های کامپیوترهای کوانتومی، گفته می‌شود که دلیل قدرت بسیار عجیب این ماشین‌های محاسباتی و توانایی انجام همزمان تعداد بسیار زیادی محاسبه و دسترسی آن‌ها به جهان‌های موازی است؛ اما ایده‌ی جهان‌های موازی چیست و چه ارتباطی با رایانه‌های کوانتومی دارد؟

تصور رایج مبنی بر اینکه «کامپیوتر کوانتومی تمام راه‌حل‌ها را به‌طور همزمان امتحان می‌کند»، ریشه در تفسیر جهان‌های متعدد (MWI) در فیزیک کوانتومی دارد. این تفسیر، ابتدا در رساله‌ی دکترای هیو اورت سوم در سال ۱۹۵۷ با عنوان «در مورد مبانی مکانیک کوانتومی» مطرح شد. با این حال، این ایده تا دهه ۱۹۷۰ مورد توجه چندانی قرار نگرفت؛ تا اینکه برایس دوویت در مقاله‌ای با عنوان «مکانیک کوانتومی و واقعیت» که در مجله‌ی Physics Today منتشر شد، آن را دوباره مطرح کرد. از آن زمان، تعداد فزاینده‌ای از فیزیکدانان به این ایده علاقه‌مند شده‌اند و بسیاری از آن‌ها خود را «اورتی» می‌نامند.

تصور رایج از تفسیر جهان‌های متعدد (MWI) اغلب با استعاره‌هایی از انشعاب جهان به جهان‌های موازی همراه است. این استعاره‌ها می‌توانند گمراه‌کننده باشند. برای پرهیز از این سردرگمی، بهتر است این نوع تفاسیر را «جهان‌های متعدد استعاری» بنامیم و به‌جای آن، به درک عمیق‌تر ایده‌ی اصلی اورت بپردازیم.

ایده‌ی اصلی اورت، «تابع موج جهانی» بود. تابع موج (ψ) یک مفهوم ریاضی است که برای محاسبه‌ی نتایج احتمالی آزمایش‌های کوانتومی به کار می‌رود. در کامپیوترهای کوانتومی، این تابع، اطلاعات کوانتومی (کیوبیت‌ها) را در یک سیستم فیزیکی توصیف می‌کند و تمام اطلاعات لازم برای پیش‌بینی رفتار سیستم را خلاصه می‌کند.

معادله‌ی شرودینگر، چگونگی تغییر تابع موج (و درنتیجه، کیوبیت‌ها) را در طول زمان مشخص می‌کند. اما این معادله تنها زمانی صادق است که اطلاعات کوانتومی «اندازه‌گیری» نشوند. اندازه‌گیری، اطلاعات کوانتومی را از بین می‌برد. به عبارت دیگر، دو قانون برای تغییر کیوبیت‌ها وجود دارد و انتخاب بین این دو قانون، به تصمیم کاربر بستگی دارد. این دوگانگی، یکی از نقاط چالش‌برانگیز فیزیک کوانتومی است که هیو اورت به‌دنبال حل آن بود.

دیوید دویچ، «پدر محاسبات کوانتومی»، در سال ۱۹۸۵ مدل کامپیوتر کوانتومی جهانی را مطرح کرد. انگیزه‌ی دویچ، یافتن مدرکی برای اثبات صحت تفسیر MWI بود. دویچ معتقد بود که وقتی یک کامپیوتر کوانتومی در حالت برهم‌نهی (ترکیبی از حالت‌های مختلف) قرار دارد، هر حالت مؤلفه، معادل یک جهان است که در آن مسیر محاسباتی خاصی دنبال می‌شود. او این پدیده را «موازی‌سازی کوانتومی» نامید و پیش‌بینی کرد که ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، تأییدی تجربی بر MWI خواهد بود. البته، تفسیر MWI منتقدانی دارد که اساساً این تفسیر را رد می‌کنند. عملکرد موفقیت‌آمیز کامپیوترهای کوانتومی، از نظر طرفداران MWI، تأییدی بر این نظریه است.

به گفته‌ی کارشناسان، ما هنوز در ابتدای مسیر برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی کاربردی هستیم. اگرچه نمی‌توان جدول زمانی دقیقی برای تحول این فناوری پیش‌بینی کرد، چند نقطه عطف را می‌توان در سال‌های آینده انتظار داشت.

به گفته کارشناسان، ما هنوز در ابتدای مسیر برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی کاربردی هستیم. اگرچه نمی‌توان جدول زمانی دقیقی برای تحول این فناوری پیش‌بینی کرد، چند نقطه عطف را می‌توان در سال‌های آینده انتظار داشت.

با وجود پیشرفت‌ها، هنوز موانعی وجود دارند که باید برطرف شوند. تصحیح خطا همچنان یک چالش دشوار برای دانشمندان و مهندسانی است که در تلاش برای عملی کردن محاسبات کوانتومی هستند. در آینده‌ی نزدیک، تلاش‌ها برای تسلط بر تصحیح خطا ادامه خواهد یافت.

با رفع مشکل تصحیح خطا، تحمل خطا که شامل طراحی کامپیوترهای کوانتومی برای جلوگیری و اصلاح خطاهای ناشی از تداخل و نویزهای کوانتومی است، به‌تدریج به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود.

اگر همه‌چیز به خوبی پیش برود، می‌توان انتظار داشت که کامپیوترهای کوانتومی به آرامی اما مطمئناً به‌عنوان بخشی از گزینه‌های محاسباتی برای مؤسسات تحقیقاتی و شرکت‌ها مورد استفاده قرار گیرند. در بلندمدت، مراکز داده ترکیبی کوانتومی-کلاسیک به مقابله با چالش‌های بزرگ پیش روی علم و جامعه خواهند پرداخت. این بدان معناست که کامپیوترهای کوانتومی نقش مهمی در یافتن درمان‌ها و داروهای جدید، تدوین استراتژی‌های بهینه‌سازی مالی و کشف مواد جدید برای مقابله با تغییرات اقلیمی خواهند داشت.

قدرت زیاد، مسئولیت زیادی نیز می‌طلبد. این جمله که معمولاً به شخصیت مرد عنکبوتی نسبت داده می‌شود، به همان اندازه برای ابرقهرمان فضای محاسباتی یعنی محاسبات کوانتومی صادق است.

دو نگرانی اصلی، اگرچه تنها نگرانی‌های موجود نیستند، عبارت‌اند از قدرت محاسبات کوانتومی که ممکن است در دستان افراد یا گروه‌های خاصی متمرکز شود و احتمال استفاده از این فناوری برای اهداف مخرب مانند شکستن سیستم‌های رمزنگاری فعلی.

برای جلوگیری از این مشکلات، جامعه محاسبات کوانتومی تلاش می‌کند دسترسی به این فناوری را دموکراتیک کند. به عنوان مثال، این مقاله به منظور آشنا کردن افراد بیشتری با مفاهیم محاسبات کوانتومی نوشته شده است، نه فقط دانشمندانی که بر علم اطلاعات کوانتومی مسلط هستند.

علاوه‌براین، قدرت فوق‌العاده محاسبات کوانتومی که می‌تواند به کشف درمان‌های جدید کمک کند، ممکن است برای شکستن بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری موجود نیز مورد استفاده قرار گیرد. دانشمندان درحال‌حاضر در حال توسعه‌ی تکنیک‌های رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم هستند تا داده‌ها را ایمن نگه دارند و از فروپاشی سیستم‌های مالی و شبکه‌های اعتماد اجتماعی جلوگیری کنند.

کامپیوترهای کوانتومی، ماشین‌های محاسباتی پیشرفته‌ای هستند که پتانسیل ایجاد انقلابی در حوزه‌های مختلف علم و فناوری را دارند. با وجود پیچیدگی‌های ساخت و استفاده از این کامپیوترها، که استفاده از آن‌ها را به‌عنوان کامپیوترهای روزمره و خانگی غیرممکن می‌سازد، آن‌ها می‌توانند در زمینه‌هایی مانند رمزنگاری کوانتومی، ارتباطات، پزشکی و غیره، زندگی ما را متحول کنند.

بسیاری از متخصصان معتقدند که در دهه‌ی آینده، کامپیوترهای کوانتومی کاربردی دردسترس خواهند بود و به کمک آن‌ها می‌توان به سؤالاتی که تاکنون بی‌جواب مانده‌اند، پاسخ داد. درحال‌حاضر، موانع تکنولوژیکی متعددی برای توسعه‌ی این کامپیوترها وجود دارد، ازجمله نیاز به شرایط خاص برای عملکرد و محدودیت تعداد کیوبیت‌ها در تراشه‌های کوانتومی فعلی.

بااین‌حال، با پیشرفت روزافزون فیزیک مواد و فناوری‌های مرتبط، امکان افزایش تعداد کیوبیت‌ها فراهم خواهد شد. برخی از فیزیکدانان حتی معتقدند که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند دریچه‌ای به جهان‌های موازی باشند و در صورت اثبات این فرضیه، درک ما از واقعیت فیزیکی و جهان هستی به‌طور کلی دگرگون خواهد شد.

در نهایت، نسل آینده ابزارهای محاسباتی، شامل کامپیوترهای کوانتومی یا ترکیبی از کامپیوترهای کوانتومی و ابرکامیپوترهای کلاسیک، امکانات جدید و گسترده‌ای را برای پیشرفت علم و فناوری در اختیار بشر قرار خواهد داد.