آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

زمان مطالعه: حدود 7 دقیقه / 25 گفتگو

کامپیوتر کوانتومی، واژه‌ای که این روزها اخبار زیادی از آن به گوش می‌رسد، کامپیوترهای کوانتومی نسل آینده‌ی پردازش‌های کامپیوتری هستند که می‌توانند دنیای فناوری اطلاعات را به‌ کلی دگرگون کنند، در این آموزش از همیار آی‌تی قصد داریم با زبانی ساده شما را با کامپیوترهای کوانتومی و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها آشنا کنیم، برای اینکه به خوبی با مفهوم پردازش کوانتومی آشنا شوید و بدانید کامپیوتر کوانتومی چیست تا انتهای این آموزش با ما همراه باشید.

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

اما قبل از اینکه به سراغ نحوه کار کامپیوترهای کوانتومی برویم لازم است نگاهی به کامپیوترهای معمولی و نحوه‌ی کار آن‌ها بیندازیم.

همه‌ی ما می‌دانیم که پایه و اساس کار کامپیوترهای امروزی بیت‌های منطقی هستند، یعنی 0 و 1 که از کنار هم قرار گرفتن آن‌ها دستورات مختلف رایانه‌ای پدید آمده و پردازنده می‌تواند روی آن‌ها محاسبات مختلفی انجام دهد.

بیت‌ها معمولا به کمک میزان ولتاژ در مدارات مختلف نشان داده می‌شوند، به عنوان مثال ولتاژ 0 نمایان‌گر بیت 0 و ولتاژ 5 نمایان‌گر بیت 1 است (میزان ولتاژ‌ها فرضی بوده و می‌تواند در هر سخت‌افزار متفاوت باشد)

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

تصویر بالا را در نظر بگیرید، ما در این تصویر 2 بایت مختلف داریم (هر 8 بیت 1 بایت را تشکیل می‌دهد) مجموعه‌ی سمت چپ (10101100) نماینده‌ی عدد 172 و مجموعه‌ی سمت راست (11101100) نماینده‌ی عدد 236 می‌باشد.

هرکدام از این اعداد با توجه به وضعیت سیستم می‌توانند به شکل متفاوتی تفسیر شوند، مثلا یک کارکتر در نرم‌افزار ورد، یک عدد در ماشین حساب، یک دستورالعمل در پردازنده، بخشی از یک موسیقی یا تصویر و…

نکته‌ی مهم در این بخش این است که تنها تغییر یکی از این بیت‌ها کافیست تا عدد تشکیل شده کاملا تغییر کند و در نتیجه مقدار نهایی این مجموعه‌ی بیت نیز متفاوت شود، همانطوری که در تصویر بالا نیز به خوبی مشخص است، تنها با تغییر یک بیت کل عدد به دست آمده متفاوت شد.

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

تغییر هر کدام از این بیت‌ها باعث تغییر سرنوشت کل مجموعه می‌شود، در کامپیوترهای معمولی هر بیت می‌تواند در لحظه تنها یک مقدار مشخص داشته باشد، یعنی هر بیت در لحظه می‌تواند 0 باشد و یا 1 (تنها یکی از این مقادیر)

وجه تمایز کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای معمولی دقیقا در همینجاست، شاید تعجب‌آور باشد، اما باید بدانید کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در هر لحظه انواع حالات را داشته باشند، یعنی بیت‌های آن‌ها هم برابر با 1 است و هم برابر با 0 که آن‌را Qubit می‌نامند، می‌دانیم شاید کمی گیج شده باشید، برای همین اجازه دهید در ابتدا کمی بیشتر با مفهوم کوانتوم و فیزیک کوانتومی آشنا شویم.

ویژگی کوانتومی اشیا چیست؟

ویژگی کوانتومی بیان می‌کند، یک شی می‌تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد!

فرض کنید سکه‌ای را به هوا پرتاب می‌کنید، سکه‌ی در حال چرخش هم می‌تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ‌وجه نمی‌توانیم درباره‌ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می‌کنیم.

آزمایش گربه‌ی شرودینگر

آزمایش گربه‌ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر (فیزیکدان اتریشی) ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می‌دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره‌ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می‌افتد، توصیف این آزمایش به شرح زیر است:

فرض کنید، گربه‌ای در یک جعبه قرار دارد و یک ظرف سم نیز در آن جعبه است، تا وقتی در جعبه بسته است ما هیچ پیشفرضی درباره سرنوشت گربه نداریم، 50 درصد این احتمال وجود دارد که گربه مرده باشد یا به احتمال 50 درصد زنده باشد (در دنیای کوانتوم مقدار دقیق این احتمال برابر با 2√/1 درصد است)

تا وقتی در جعبه را باز نکرده‌ایم نمی‌توانیم هیچ اظهار نظری در این‌باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن‌را نگاه کنیم.

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

به طور کلی می‌توان گفت نظریه‌ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می‌کند که همه‌ی اشیا می‌توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن‌ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن‌ها توجه می‌کنیم ویژگی‌های منطقی خود را می‌گیرند و تا قبل از آن هر شی می‌تواند هر چیزی باشد!

حال که کمی با مفهوم کوانتوم آشنا شدیم بهتر می‌توانید نحوه‌ی کار کامپیوترهای کوانتومی را درک کنید، هر بیت در این کامپیوترها می‌تواند در آن واحد مقداری برابر با 0 و 1 را به طور همزمان داشته باشد تا به آن نگاه کنید (نتیجه‌ی محاسبات را فراخوانی کنید)

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

همانطور که بالاتر گفتیم کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در یک لحظه انواع حالات مختلف مسئله را در خود داشته باشند، مثالی که در ابتدای مقاله زدیم را به یاد دارید؟ بیت‌هایی که نمایان‌گر دو عدد مختلف بودند.

گفتیم در یک کامپیوتر معمولی در هر لحظه هر بیت تنها یک مقدار می‌پذیرد، بنابراین مقدار مجموعه‌ی بیتی برابر با 172 یا 236 است، اما در یک کامپیوتر کوانتومی مجموعه‌ی بیتی در هر لحظه برابر با تمام اعداد موجود در این بازه است و می‌تواند به طور همزمان هم برابر 172 و هم برابر 236 باشد!

محاسبه‌ای که در یک کامپیوتر معمولی به 4.5 ترابایت فضا برای پردازش نیاز دارد، در یک کامپیوتر کوانتومی تنها با 56 کیوبیت فضا پردازش می‌شود!

کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه‌ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش‌هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه‌حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت‌های خود نگهداری می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

طبق توضیحات بالا در می‌یابیم که یک کامپیوتر کوانتومی تمام راه‌حل‌های یک مسئله را در آن واحد درون کیوبیت‌های خود دارد، فقط کافیست مقدار این کیوبیت‌ها در لحظه‌ی درست خوانده شود تا به جواب مسئله برسیم.

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

برای اینکه بتوانیم کیوبیت‌های یک کامپیوتر کوانتومی را به وجود آوریم لازم است تا کامپیوتر در شرایط دمایی نزدیک به صفر مطلق نگهداری گردد تا بیت‌های سخت‌افزاری دارای خاصیت کوانتومی شوند.

بنابراین فعلا نمی‌توان کامپیوترهای کوانتومی را مانند کامپیوترهای معمولی در خانه و محل کار استفاده کرد، این کامپیوترها معمولا در شرایط آزمایشگاهی و با اهداف علمی و پژوهشی استفاده می‌شوند، هرچند هنوز کامپیوترهای کوانتومی خیلی قدرتمندتر از کامپیوترهای معمولی نیستند، اما این فناوری به سرعت در حال پیشرفت بوده و به زودی دنیای جدیدی به روی ما گشوده خواهد شد، در حال حاضر شرکت‌هایی مانند گوگل، IBM و مایکروسافت در حال کار روی پردازش کوانتومی هستند.

کاربردهای یک کامپیوتر کوانتومی

تقریبا می‌توان گفت هرآنچه قبلا قادر به محاسبه و مدل‌سازی آن نبودیم، هم‌اکنون به کمک رایانش کوانتومی امکان‌پذیر است! از مدل‌سازی ذرات اتم‌ها گرفته تا ملکول‌های مختلف، صنایع دارویی، غذایی و…

آشنایی با کامپیوترهای کوانتومی و عملکرد حیرت‌انگیز آن‌ها

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در مواردی است که با اتم‌ها و ملکول‌ها سر و کار داشته باشیم، این کامپیوترها در این زمینه به قدرت بلامنازع تبدیل خواهند شد و می‌توانند در آن واحد مدل‌های مختلف را شبیه‌سازی کرده و کمک‌های بسیار زیادی به علم پزشکی و داروسازی کنند.

پردازش‌های کوانتومی تا چه حد قابل اطمینان هستند؟

یکی از چالش‌هایی که در حال حاضر پیش‌روی رایانه‌های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن‌هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولا بیت‌های اضافه‌ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن‌ها در نظر گرفته می‌شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت‌های تست خطا چیزی حدود 2000 کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی‌ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود 100 کیوبیت در پردازنده‌های خود دارند!

هرچند دنیای آی‌تی و فناوری اطلاعات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است، اما فعلا یکی از چالش‌های پیش‌روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله‌ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش‌های آن‌هاست.

خطرات پردازش‌های کوانتومی

همانطور که گفتیم کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل‌های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود!

به همین دلیل بسیاری از دولت‌ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند!

رمزنگاری حساب‌های کاربری، پروتکل‌های امنیتی شبکه، انتقال داده‌ها و… همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد، البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن‌ها سعی می‌کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق‌العاده‌ای در اختیار ربات‌ها قرار می‌دهد، احتمالا در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم‌های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات‌های هوشمند با انسان همکاری می‌کنند یا شاید برعلیه انسان‌ها شورش کرده و ما را به عنوان برده‌های خود به‌کار می‌گیرند…

نظر شما در این‌باره چیست؟ آیا اطلاعات دیگری در خصوص کامپیوترهای کوانتومی دارید؟ مطمئنا دنیای پردازش‌های کوانتومی بسیار پیچیده و هیجان‌انگیز است، به‌طوری که نمی‌توان آن‌را در قالب یک مقاله بیان کرد، این پست با نظرات ارزشمند شما کامل‌تر خواهد شد پس دیدگاه‌ها و تجربیات خود را با ما و سایر کاربران به اشتراک بگذارید!

شما یک گام جلوتر از دیگران باشید! اگر به آی‌تی و تکنولوژی علاقه‌مندید و دوست دارید سریع‌تر در این زمینه پیشرفت کنید، همین حالا به جمع 6466 عضو همیار آی‌تی بپیوندید، دسترسی به تمام آموزش‌های پریمیوم، دریافت جدیدترین آموزش‌های کاربردی مرتبط با آی‌تی و استفاده از مشاوره‌ی رایگان، برخی از مزایای عضویت در سایت هستند، شما نیز به کاربران همیار پیوسته و همین حالا وارد دنیای حرفه‌ای‌ها شوید... من هم می‌خواهم عضو ویژه‌ی همیار شوم

25 گفتگو

در بحث‌‌ پیرامون این مقاله شرکت کنید، سوالات شما توسط کارشناسان همیار آی‌تی پاسخ داده می‌شود...

  1. ناشناس گفت:

    بله

  2. ناشناس گفت:

    سلام خدمت شما جناب اقای گوهری
    اول از همه تشکر فراوان از شما که دانش خودرا با دیگران به نحو احسن به اشتراک می گذارید ، واقعا کیف کردم
    واقعا دنیای عجیبیه ، دانش به نحوی داره پیش میره که به جای اینکه در اختیار انسان باشه انسان داره در اختیارش قرار می گیره😁😱
    فقط یک پیشنهاد داشتم و اونم اینه که اگر میشه اخر هر مقاله یه کد کوتاه قرار بگیره که ما بتونیم مقاله رو برای استفاده ی دیگران راحت تر به اشتراک بگذاریم

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام، ممنون از محبت‌تون و خیلی خوشحالم که این آموزش برای شما مفید بوده، مرسی از پیشنهاد خوب‌تون، منظورتون از کد کوتاه، لینک مقاله هست؟

  3. محمد ابراهیم شهلایی گفت:

    با درود بر شما . من به عنوان یک مهندس شبکه اعتقاد دارم که پردازنده های کوانتومی باید دارای چند هسته مختلف باشند که qubits در آنها به صورت کتابخانه ای از داده ها دسته بندی شود. و برای استفاده از یک کامپیوتر کوانتومی باید ساختار توپولوژی مجازی را برای دست یابی ماشین های مختلف به آن محیا نمود . هر چند که تا حد زیادی از سرعت آن کاسته خواهد شد ولی می تواند قابلیت دسترسی سریعتر را به کاربر نقطه نهایی نیز ارائه دهد

  4. ناشناس گفت:

    سلام چجوری کامپیوتر کوانتومی رو کد نویسی می کنند ؟

  5. Fatemeh گفت:

    میبخشین من یه سری اطلاعات از این نگاه نیاز دارم برا پایان‌نامم،سازوکار کامپیوتر‌های کوانتومی هم مانند کامپیوترهای دیجیتال بر اساس ماشین تورینگ هست؟یا کلا سازوکار جدیدی برا خودش داره؟منظورم اینه که کامپیوترهای کوانتومی‌هم پدیده‌ها رو با نگاه ورودی،پردازش،خروجی،مورد تحلیل و کپی‌سازی قرار میده؟یا بر اساس نگاه علّی و معلولی؟

  6. ۰=1 گفت:

    من فک میکنم در ان زمان سرور های سیستم های امنیتی هم باز حالت کلاسیک به حالت کوانتمی تغییر میکنه مثل الان که یک سیستم کلاسیک توان عبور از رمز یک سیستم کلاسیک امنیتی را ندارد در اینده هم همچین سیستمی اجرا خواهد شد

    1. فرشاد گوهری گفت:

      بله، دقیقا موضوعی که الان داره همراه با کامپیوترهای کوانتومی روش کار میشه، مبحث امنیت کوانتومی هست که دقیقا به همین موضوعی اشاره داره که شما فرمودید.

  7. Zaphrone گفت:

    سلام
    خیلی ممنون عالی بود
    عالی توضیح دادید ولی نمیتونم درک کنم
    از اولش که آزمایش کوانتوم به گوشم خورده بود باهاش مشکل داشتم، برام غیر قابل هضم بود، با خودم میگفتم چرا قبل از توجه ما به یک رویداد، اون رویداد تعیین نشده است و زمانی که ما متوجهش میشیم یکی از حالات احتمالی رخ میده! بلاخره هر چیزی که توی این دنیا درحال اتفاقه کار خودش رو میکنه و مسخرس چندین احتمال رو در خودش جای بده.
    مثلا همین مثال گربه درون جعبه؛ هر اتفاقی برای گربه افتاده باشه، درحال انجام بوده و تموم شده رفته؛ فقط برای ما که خبری ازش نداریم احتمالات مختلفی وجود داره..
    ولی خب الان که این مقاله رو خوندم و متوجه شدم مسئله کوانتوم حقیقت داره(بهتره بگم منطقی هست) و حتی کامپیوتر های کوانتومی وجود دارن و درحال آزمایش هستن باعث میشه دیوونه بشم…
    فقط میخوام سرمو بکوبم به دیوار

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام، خیلی خوشحالیم که این آموزش برای شما مفید و جالب بوده، دقیقا حق با شماست و فیزیک کوانتوم واقعا علم پیچیده‌ای هست.

  8. pesarpederam گفت:

    سلام اگه پسورد های جهان به عددی مثل عدد پی تغییر کنه اونوقت کامپیوتر های کوانتمی میتونن بازم پسورد رو بیابند؟

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام دوست عزیز، کامپیوترهای کوانتومی به این صورت هستند که در یک لحظه تمام حالات یک متغیر رو در خودشون دارند و بنابراین پسورد (که یک متغیر محدود هست) هم قابل حدس زدنه، باید صبر کنیم و ببینیم با روی کار اومدن کامپیوترهای کوانتومی واقعا چه اتفاقی میفته.

  9. fas گفت:

    بسیار عالی مطالبتون خیلی عالی بود.
    چطور می تونم برای یک هکر شدن یا یک متخصص it آموزش ببینم

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام دوست عزیز، برای اینکه بتونید یک هکر بشید، اول باید خیلی خوب با اصول برنامه‌نویسی و شبکه‌های کامپیوتری آشنا باشید، این موارد رو که بلد باشید خواه‌ناخواه میتونید مشکلات امنیتی سیستم‌ها رو پیدا کنید، در خصوص سوال دومتون هم کاملا بستگی داره به اینکه به چه فیلدی از آی‌تی علاقه‌مندید، چون دنیای آی‌تی واقعا گستردست.

  10. ناشناس گفت:

    خب وقتی در مورد یه پردازنده معموای حرف میزنیم میگیم این پردازنده مثلا ده میلیون ترانزیستور داره ولی هیچ وقت نمیگیم این پردازنده ده بیت داره.پس چجور هست که میگن این پردازنده کوآنتمی 100 کوبیت داره.اصلا متوجه نمیشم! مگه به صرف وجود بیت پردازش انجام میشه؟

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام دوست گرامی

      در پردازنده‌های کلاسیک ترانزیستور واحد سخت‌افزاری نگهداری بیت‌هاست و کلا مفهوم بیت یک مفهوم نرم‌افزاری و مجازیه، در دنیای سخت‌افزار چیزی به اسم بیت وجود نداره و همه‌ی اعمال کامپیوترهای ما با ولتاژهای 0 یا 5 ولت انجام میشه، 0 ولت به معنای بیت 0 و 5 ولت به معنای بیت 1 (در بعضی از سخت‌افزارها با 10 ولت هم نشون داده میشه) مفهوم (ترانزیستور) در کامپیوترهای کوانتومی معادل (کیوبیت) هست.

      با این تفاوت که هر ترانزیستور در هر لحظه فقط می‌تونه خاموش یا روشن باشه، اما هر کیوبیت می‌تونه در لحظه همزمان هم مقدار 1 و هم 0 رو داشته باشه.

  11. محمد گفت:

    افرین بسیار عالی و مفید توضیخ می دید

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام محمد عزیز، خیلی خوشحالیم که آموزش‌ها برای شما مفید بوده

  12. علی گفت:

    من به سوال برام پیش اومد.
    ماشینها انسانها رو به بردگی بگیرن؟آخه انسان چیکار میتونه واسه یه ماشین انجام بده؟ماشین که حس خودخواهی و غرور و راحت طلبی نداره،اصلا نمی دونه غرور چی هست.

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام دوست عزیز
      منظور از این بخش این هست که با پیشرفت روزافزون هوش‌مصنوعی و قدرت پردازشی کامپیوترها، چندان بعید نیست که احساسات هم به کمک هوش مصنوعی برای کامپیوتر شبیه‌سازی بشه و قدرت درک داشته باشن.
      در کل تئوری‌های زیادی در این خصوص وجود داره که یکیش این مورد هست.

  13. سمیرا گفت:

    با تبریک فراوان.شما صاحب توانایی فوق العاده ای هستین،اینکه خیلی روان و زیبا توضیح میدهید و این یک هنر است

    1. فرشاد گوهری گفت:

      سلام دوست عزیز، خیلی خوشحالیم که آموزش‌ها برای شما مفید بوده، نظر شما باعث دلگرمی ماست.

  14. سپیده گفت:

    خیلی عالی بود
    مبحث کامپیوتر و کلا پردازشهای کوانتومی مبحث بسیار پیچیده و گنگی هست اما شما خیلی خوب توضیح دادید. راحت متوجه شدم.

  15. هانیه گفت:

    دکمه سبد خرید توی سایت کار نمیکنه

    1. فرشاد گوهری گفت:

      بررسی شد دوست عزیز، مشکلی نداشت، لطفا یکبار کش مروگرتون رو خالی کنید باید به درستی برای شما لود بشه.