کامپیوتر کوانتومی یک نوع از کامپیوتر ها و سیستم های جدید است که ویژگی های متحیر کننده ای را اضافه کرده است. به دلیل سر و صدای زیادی که این سیستم ها به پا کرده اند باید در مورد آن ها صحبت کنیم. می دانیم که احتمال پا گذاشتن کامپیوتر های کوانتومی به ایران به شدت کم است. اما به هر صورت دانستن آن خالی از لطف نیست!. در این مقاله همه چیز در مورد کامپیوتر کوانتومی و حتی کامپیوتر های نسل بعد از آن گفته خواهد شد.

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

محاسبات کوانتومی حوزه ای از علوم کامپیوتر است که از اصول نظریه کوانتومی استفاده می کند. نظریه کوانتومی رفتار انرژی و مواد را در سطوح اتمی و زیر اتمی توضیح می دهد. محاسبات کوانتومی از ذرات زیراتمی مانند الکترون ها یا فوتون ها استفاده می کند. بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها به این ذرات اجازه می‌دهند در بیش از یک حالت (یعنی 1 و 0) به طور همزمان وجود داشته باشند. از نظر تئوری، کیوبیت‌های متصل می‌توانند از تداخل بین حالت‌های کوانتومی موج مانند خود برای انجام محاسباتی استفاده کنند که ممکن است میلیون‌ها سال طول بکشد.

کامپیوترهای کلاسیک امروزه از جریانی از تکانه های الکتریکی (1 و 0) به صورت دودویی برای رمزگذاری اطلاعات در بیت استفاده می کنند. این توانایی پردازش آنها را در مقایسه با محاسبات کوانتومی محدود می کند.

درک محاسبات کوانتومی

حوزه محاسبات کوانتومی در دهه 1980 ظهور کرد. کشف شد که برخی از مشکلات محاسباتی را می توان با الگوریتم های کوانتومی کارآمدتر از الگوریتم های کلاسیک آنها حل کرد.محاسبات کوانتومی این قابلیت را دارد که تعداد زیادی از امکانات را غربال کند و راه حل های بالقوه ای برای مسائل و چالش های پیچیده استخراج کند. در جایی که رایانه های کلاسیک اطلاعات را به صورت بیت با 0 یا 1 ذخیره می کنند، رایانه های کوانتومی از کیوبیت ها استفاده می کنند. کیوبیت ها اطلاعات را در حالت کوانتومی حمل می کنند که 0 و 1 را به روشی چند بعدی درگیر می کند.

چنین پتانسیل محاسباتی عظیم و اندازه بازار پیش بینی شده برای استفاده از آن، توجه برخی از برجسته ترین شرکت ها را به خود جلب کرده است. از جمله IBM، Microsoft، Google، D-Waves Systems، Alibaba، Nokia، Intel، Airbus، HP، Toshiba، Mitsubishi، SK Telecom، NEC، Raytheon، Lockheed Martin، Rigetti، Biogen، Volkswagen و Amgen.

بیشتر بخوانید🚀🚀🚀🚀🚀🚀: امنیت نرم افزار بوتیم

کاربردها و مزایای محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی می‌تواند کمک زیادی به حوزه‌های امنیتی، مالی، امور نظامی و اطلاعاتی، طراحی و کشف دارو، طراحی هوافضا، ابزارهای کاربردی (همجوشی هسته‌ای)، طراحی پلیمر، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی (AI)، جستجوی داده‌های بزرگ، و دیجیتال کمک کند. تولید.

کامپیوترهای کوانتومی می توانند برای بهبود اشتراک گذاری امن اطلاعات استفاده شوند. یا بهبود رادارها و توانایی آنها در شناسایی موشک و هواپیما. حوزه دیگری که انتظار می رود محاسبات کوانتومی به آن کمک کند، محیط زیست و تمیز نگه داشتن آب با حسگرهای شیمیایی است.

کامپیوتر کوانتومی اجزای به شدت پیچیده ای دارد

مزایای محاسبات کوانتومی

موسسات مالی ممکن است بتوانند از محاسبات کوانتومی برای طراحی پرتفوی سرمایه گذاری موثرتر و کارآمدتر برای مشتریان خرده فروشی و سازمانی استفاده کنند. آنها می توانند روی ایجاد شبیه سازهای معاملاتی بهتر و بهبود تشخیص تقلب تمرکز کنند.
صنعت مراقبت های بهداشتی می تواند از محاسبات کوانتومی برای توسعه داروهای جدید و مراقبت های پزشکی با هدف ژنتیکی استفاده کند. همچنین می تواند به تحقیقات پیشرفته تر DNA کمک کند.

برای امنیت آنلاین قوی‌تر، محاسبات کوانتومی می‌تواند به طراحی رمزگذاری داده‌ها و راه‌هایی برای استفاده از سیگنال‌های نور برای شناسایی متجاوزان در سیستم کمک کند.
محاسبات کوانتومی می تواند برای طراحی هواپیماهای کارآمدتر، ایمن تر و سیستم های برنامه ریزی ترافیک استفاده شود.

بر اساس تحقیقات، درصد شرکت های بزرگی که قصد دارند تا سال 2025 ابتکاراتی پیرامون محاسبات کوانتومی ایجاد کنند.

قبل از این که به ادامه مبحث برویم باید به شما بگوییم ممکن است این موارد را تا حالا درک نکرده باشید!. حق دارید!. محاسبات کوانتومی و فیزیک کوانتوم از جدید ترین علومی است که انسان با آن مواجه شده است. در ادامه ما همچنان به شما در مورد کوانتوم توضیح خواهیم داد. اما اگر می خواهید فقط و فقط در مورد کامپیوتر کوانتومی اطلاعات داشته باشید می توانید این قسمت را مطالعه نکنید!

ویژگی های محاسبات کوانتومی

برهم نهی و درهم تنیدگی دو ویژگی فیزیک کوانتومی هستند که محاسبات کوانتومی بر اساس آنها است. آنها کامپیوترهای کوانتومی را قادر می‌سازند تا عملیات را با سرعتی بسیار بالاتر از رایانه‌های معمولی و با مصرف انرژی بسیار کمتر انجام دهند.

برهم نهی

به گفته IBM، این چیزی است که یک کیوبیت می تواند انجام دهد نه آنچه که قابل توجه است. یک کیوبیت اطلاعات کوانتومی را در حالت برهم نهی قرار می دهد. این به ترکیبی از تمام تنظیمات ممکن کیوبیت اشاره دارد. “گروه های کیوبیت در برهم نهی می توانند فضاهای محاسباتی پیچیده و چند بعدی ایجاد کنند. مسائل پیچیده را می توان به روش های جدیدی در این فضاها نشان داد.”

در هم تنیدگی

درهم تنیدگی جزء لاینفک قدرت محاسبات کوانتومی است. می توان جفت کیوبیت ها را طوری ساخت که درهم تنیده شوند. این بدان معنی است که دو کیوبیت در یک حالت واحد وجود دارند. در چنین حالتی، تغییر یک کیوبیت مستقیماً بر دیگری به روشی قابل پیش بینی تأثیر می گذارد.

الگوریتم های کوانتومی برای استفاده از این رابطه برای حل مسائل پیچیده طراحی شده اند. در حالی که دو برابر کردن تعداد بیت ها در یک کامپیوتر کلاسیک، قدرت پردازش آن را دو برابر می کند، افزودن کیوبیت ها منجر به افزایش تصاعدی در قدرت و توانایی محاسباتی می شود.

عدم انسجام

ناهمدوسی زمانی اتفاق می افتد که رفتار کوانتومی کیوبیت ها تحلیل می رود. حالت کوانتومی می تواند فوراً توسط ارتعاشات یا تغییرات دما مختل شود. این می تواند باعث خارج شدن کیوبیت ها از برهم نهی و ایجاد خطا در محاسبات شود. مهم است که کیوبیت ها در برابر چنین تداخلی توسط، به عنوان مثال، یخچال های فوق خنک، عایق ها و محفظه های خلاء محافظت شوند.

کامپیوتر کوانتومی در مقایسه با کامپیوتر کلاسیک

کامپیوترهای کوانتومی ساختار اولیه تری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند. آنها حافظه و پردازنده ندارند. تمام چیزی که یک کامپیوتر کوانتومی استفاده می کند مجموعه ای از کیوبیت های ابررسانا است

کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات را متفاوت پردازش می کنند. یک کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت ها برای اجرای الگوریتم های کوانتومی چند بعدی استفاده می کند. با اضافه شدن کیوبیت ها، قدرت پردازش آنها به صورت تصاعدی افزایش می یابد. یک پردازنده کلاسیک از بیت ها برای اجرای برنامه های مختلف استفاده می کند. با اضافه شدن بیت های بیشتر، توان آنها به صورت خطی افزایش می یابد. کامپیوترهای کلاسیک قدرت محاسباتی بسیار کمتری دارند.

در واقع کامپیوترهای کلاسیک برای کارهای روزمره بهترین هستند و میزان خطای کمی دارند. کامپیوترهای کوانتومی برای سطوح بالاتری از کارها، به عنوان مثال، اجرای شبیه‌سازی، تجزیه و تحلیل داده‌ها (مانند آزمایش‌های شیمیایی یا دارویی)، ایجاد باتری‌های کم مصرف، ایده‌آل هستند. آنها همچنین می توانند میزان خطای بالایی داشته باشند.

کامپیوترهای کلاسیک نیازی به مراقبت ویژه ندارند. آنها ممکن است از یک فن داخلی اولیه برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد استفاده کنند. پردازنده‌های کوانتومی باید از کوچک‌ترین لرزش‌ها محافظت شوند و باید بسیار سرد نگه داشته شوند. برای این منظور باید از ابر سیال های فوق خنک استفاده شود. ساخت کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک گرانتر و دشوارتر است.

در سال 2019، گوگل ثابت کرد که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند یک مشکل را در چند دقیقه حل کند، در حالی که یک کامپیوتر کلاسیک 10000 سال طول می کشد.

بیشتر بخوانید🚀🚀🚀🚀🚀🚀: مشکل صدا در ایفون

کامپیوترهای کوانتومی در حال توسعه

گوگل

گوگل میلیاردها دلار برای ساخت کامپیوتر کوانتومی خود تا سال 2029 خرج می کند. این شرکت یک محوطه دانشگاهی در کالیفرنیا به نام Google AI برای کمک به رسیدن به این هدف افتتاح کرد. پس از توسعه، گوگل می تواند یک سرویس محاسبات کوانتومی را از طریق ابر راه اندازی کند.

IBM

IBM قصد دارد تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی در محل خود داشته باشد. در حال حاضر، IBM اجازه دسترسی به ماشین های خود را برای سازمان های تحقیقاتی، دانشگاه ها و آزمایشگاه هایی که بخشی از شبکه کوانتومی آن هستند، می دهد.

مایکروسافت

مایکروسافت به شرکت‌ها امکان دسترسی به فناوری کوانتومی را از طریق پلتفرم Azure Quantum می‌دهد.

فقط شرکت های بزرگ در حال استفاده از کامپیوتر کوانتومی هستند

سوالات متداول

محاسبات کوانتومی در ساده ترین عبارت چیست؟

محاسبات کوانتومی به محاسبات ساخته شده توسط یک کامپیوتر کوانتومی مربوط می شود. در مقایسه با محاسبات سنتی که توسط یک کامپیوتر کلاسیک انجام می شود، یک کامپیوتر کوانتومی باید بتواند اطلاعات بسیار بیشتری را ذخیره کند و با الگوریتم های کارآمدتر کار کند. این به حل سریعتر وظایف بسیار پیچیده ترجمه می شود.

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی چقدر سخت است؟

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی زمان زیادی می برد و بسیار گران است. گوگل سال هاست که روی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند و میلیاردها دلار هزینه کرده است. انتظار می رود کامپیوتر کوانتومی خود را تا سال 2029 آماده کند. IBM امیدوار است تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی در محل خود داشته باشد.

هزینه یک کامپیوتر کوانتومی چقدر است؟

ساخت یک کامپیوتر کوانتومی میلیاردها دلار هزینه داشت. با این حال، شرکت چینی Shenzhen SpinQ Technology قصد دارد یک کامپیوتر کوانتومی رومیزی 5000 دلاری را برای مدارس و کالج ها به مصرف کنندگان بفروشد. سال گذشته، فروش یک کامپیوتر کوانتومی را با قیمت 50000 دلار آغاز کرد

محاسبات کوانتومی چقدر سریع است

یک کامپیوتر کوانتومی چندین برابر سریعتر از یک کامپیوتر کلاسیک یا یک ابر کامپیوتر است. گفته می شود که رایانه کوانتومی گوگل، Sycamore در حال توسعه، در 200 ثانیه محاسبه را انجام داده است، در مقایسه با 10000 سالی که یکی از سریع ترین رایانه های جهان، IBM’s Summit، برای حل آن زمان می برد. 13 IBM ادعای گوگل را رد کرد و گفت که ابر رایانه خود می تواند محاسبه را در 2.5 روز حل کند. با این حال، این 1000 برابر کندتر از ماشین کوانتومی گوگل است

نتیجه

محاسبات کوانتومی با محاسبات کلاسیک بسیار متفاوت است. از کیوبیت ها استفاده می کند که می توانند همزمان 1 یا 0 باشند. کامپیوترهای کلاسیک از بیت هایی استفاده می کنند که فقط می توانند 1 یا 0 باشند. در نتیجه، محاسبات کوانتومی بسیار سریعتر و قدرتمندتر است. انتظار می رود از آن برای حل انواع وظایف بسیار پیچیده و ارزشمند استفاده شود. در حالی که در حال حاضر محدودیت‌های خود را دارد، آماده است تا توسط بسیاری از شرکت‌های پرقدرت در صنایع بی‌شماری به کار گرفته شود.

کامپیوترهای کوانتومی چیست؟

کامپیوترهای کوانتومی این پتانسیل را دارند که انواع خاصی از مسائل را سریعتر از کامپیوترهای کلاسیک حل کنند. به عنوان مثال، آنها در نهایت می توانند برای حل مسائل بهینه سازی، شبیه سازی سیستم های کوانتومی یا حتی فاکتورسازی اعداد بزرگ مورد استفاده قرار گیرند، اگرچه هنوز نمی توانند این کار را انجام دهند.

اما آنها چگونه کار میکنند؟

برخلاف کامپیوترهای کلاسیک، یک کامپیوتر کوانتومی از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام انواع خاصی از محاسبات با کارایی بیشتر استفاده می کند. توجه به این نکته مهم است که در حالی که کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات را با استفاده از بیت‌ها ذخیره و پردازش می‌کنند که می‌توانند 0 یا 1 باشند، کامپیوترهای کوانتومی از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند در انطباق 0 و 1 باشند.

در رایانه‌های کوانتومی، کیوبیت‌ها که اطلاعات را در حالت‌های کوانتومی نشان می‌دهند و دستکاری می‌کنند، بلوک‌های اصلی ساختمان هستند. برخلاف بیت‌های کلاسیک، که در یک زمان فقط می‌توانند در یک حالت وجود داشته باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت‌های احتمالی متعدد وجود داشته باشند. کامپیوتر کوانتومی به لطف این ویژگی می تواند محاسبات موازی همزمان را در تعداد زیادی از امکانات انجام دهد.

محاسبات کوانتومی نیز بر مفهوم درهم تنیدگی متکی است. در درهم تنیدگی، دو یا چند کیوبیت به گونه‌ای همبستگی دارند که وضعیت یک کیوبیت بدون توجه به اینکه از نظر فیزیکی از هم جدا شده‌اند، تحت‌تاثیر وضعیت دیگری قرار می‌گیرد.

بیشتر بخوانید🚀🚀🚀🚀🚀🚀: مشکل اسپاتیفای

5 نوع پیشرو از کامپیوتر کوانتومی

در حال حاضر، تعداد انگشت شماری از رویکردهای مختلف برای چگونگی توسعه و تولید کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد. همه شرکت‌های نمونه فهرست‌شده غیر جامع هستند. همانطور که صحبت می کنیم، پنج رویکرد اصلی از نوع کیوبیت عبارتند از:

1. ابررسانا

یکی از محبوب ترین انواع کامپیوترهای کوانتومی، کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت ابررسانا هستند. این رایانه‌های کوانتومی که معمولاً از مواد ابررسانا ساخته می‌شوند، از مدارهای الکتریکی کوچک برای تولید و دستکاری کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند. هنگام استفاده از کیوبیت های ابررسانا، عملیات گیت را می توان به سرعت انجام داد.

شرکت‌هایی که فعالانه در حال تحقیق و تولید رایانه‌های کوانتومی ابررسانا هستند عبارتند از Google، IBM، IQM و Rigetti Computing.

2. فوتونیک

این نوع رایانه‌های کوانتومی از فوتون‌ها (ذرات نور) برای حمل و پردازش اطلاعات کوانتومی استفاده می‌کنند، و چگونگی کارکرد آن مقداری ظرافت و پیچیدگی دارد که ریچارد موری – مدیر عامل ORCA Computing مبتنی بر فوتونیک – در اینجا در یک مصاحبه اختصاصی با The توضیح می‌دهد. کوانتوم اینسایدر. برای رایانه‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ، کیوبیت‌های فوتونیک جایگزین امیدوارکننده‌ای برای یون‌های به دام افتاده و اتم‌های خنثی هستند که به خنک‌سازی برودتی یا لیزری نیاز دارند.

ده ها شرکت با فناوری محاسبات کوانتومی فوتونیک کار می کنند. برخی از اینها عبارتند از Xanadu، ORCA Computing، Quantum Computing Inc و PsiQuantum.

فوتونیک مثال بسیار خوبی است از اینکه چگونه فوتونیک یک دسته کلی است که برای سطل کامپیوترهای کوانتومی استفاده می شود. برای مثال، رویکرد “نور فشرده” Xanadu از نظر مادی با رویکرد PsiQuantum متفاوت است.

هزینه تولید کامپیوتر کوانتومی فعلا میلیون دلاری است!

3. اتم های خنثی

محاسبات کوانتومی مبتنی بر اتم‌های خنثی شامل اتم‌هایی است که در خلاء فوق‌العاده‌ای توسط آرایه‌هایی از پرتوهای لیزری متمرکز به نام موچین نوری معلق می‌شوند، اگرچه همه شرکت‌های اتم خنثی از موچین‌های نوری استفاده نمی‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی اتم خنثی حساسیت کمتری نسبت به میدان‌های الکتریکی سرگردان دارند، که آن‌ها را گزینه خوبی برای پردازنده‌های کوانتومی می‌کند.

تعدادی از شرکت هایی که با فناوری محاسبات کوانتومی اتم خنثی (سرد) کار می کنند عبارتند از Pasqal (ادغام شده با Qu&Co)، Atom Computing، ColdQuanta و QuEra.

4. یون های به دام افتاده

یک کامپیوتر کوانتومی یونی به دام افتاده شامل استفاده از اتم ها یا مولکول هایی با بار الکتریکی خالص معروف به “یون ها” است که با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای ذخیره و پردازش اطلاعات کوانتومی به دام افتاده و دستکاری می شوند. از آنجایی که یون های به دام افتاده را می توان از محیط خود جدا کرد، آنها برای اندازه گیری های دقیق و سایر کاربردهایی که به سطوح بالایی از ثبات و کنترل نیاز دارند، مفید هستند. همچنین کیوبیت‌ها می‌توانند برای مدت طولانی در حالت برهم نهی باقی بمانند.

به نمایندگی از جامعه یون های به دام افتاده شرکت ها در فضای کوانتومی، Quantinuum (شرکتی که از ادغام کمبریج کوانتومی و راه حل های کوانتومی هانیول بیرون آمد)، IonQ، کارخانه کوانتومی، فناوری های کوانتومی آلپاین، eleQtron و غیره را داریم.

5. نقاط کوانتومی

یک کامپیوتر کوانتومی نقطه کوانتومی از کیوبیت های سیلیکونی ساخته شده از جفت نقاط کوانتومی استفاده می کند. در تئوری برای کامپیوترهای کوانتومی، چنین نقاط کوانتومی “همراه” می توانند به عنوان بیت کوانتومی قوی یا کیوبیت استفاده شوند.

شرکت هایی که در این زمینه متمرکز شده اند عبارتند از Diraq، Siquance و Quantum Motion.

سایر رویکردها

جایگزین های دیگر برای ساخت یک نوع قابل اجرا از یک کامپیوتر کوانتومی شامل الکترون های روی هلیوم، الماس NV و رویکرد توپولوژیکی است.

چه زمانی می توانیم انتظار ظهور محاسبات کوانتومی تجاری را داشته باشیم؟

کارشناسان در این زمینه پیش بینی می کنند که با پیشرفت فناوری محاسبات کوانتومی، هزینه سخت‌افزار محاسباتی کوانتومی به مرور زمان کاهش می‌یابد . یعنی آن را برای طیف وسیع‌تری از مشاغل و سازمان‌ها مقرون به صرفه‌تر می‌کند. قیمت رایانه‌های کوانتومی احتمالاً تحت تأثیر چندین عامل مهم از جمله چگونگی اکتشافات پیشرفته در این بخش، تقاضای بازار و رقابت در بین شرکت‌های محاسبات کوانتومی قرار خواهد گرفت.

با توجه به پیشرفت فناوری، پیشرفته‌ترین رایانه‌های کوانتومی که در حال حاضر از شرکت‌هایی مانند IBM و Google در دسترس هستند، صدها کیوبیت دارند. ممکن است لازم باشد اعداد کیوبیت را تا شاید هزاران یا حتی میلیون ها افزایش دهیم تا با این فناوری تأثیر معناداری در حوزه تجاری داشته باشیم.

یکی از موانع واضح برای پیشرفت این است که برخی از رایانه‌های کوانتومی، به عنوان مثال، محاسبات کوانتومی ابررسانا، به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده برای نگهداری کیوبیت‌ها در دمای پایین برای عملکرد مناسب و همچنین سیستم‌های تصحیح خطای قابل اعتماد نیاز دارند. مشکلاتی از این دست سناریویی را ایجاد می‌کنند که در آن هیچ چارچوب زمانی دقیقی برای زمانی که رایانه‌های کوانتومی به صورت تجاری در دسترس خواهند بود وجود ندارد، اگرچه بسیاری از رهبران فکری صنعت شرط می‌بندند که کاربردهای عملی این فناوری ظرف ده تا بیست سال آینده ظاهر شود.