کامپیوترهای کوانتومی قدرت انجام محاسبات را تا چه اندازه دارند؟

ابتدا به این پرسش پاسخ دهیم که

مهندسی کوانتومی چیست؟

آنچه که بعنوان مهندسی کوانتومی یاد می شود به معنای این است که اتم ها به عنوان موجودات کوانتومی منفرد دستکاری و کنترل می شوند یعنی حالت کوانتومی(Quantum state)   آنها به صورت کنترل شده و برای مقاصد معین دستکاری می شود. به این طریق که امکان تحلیل سریع کلان داده‌ها و استخراج الگوهای پیچیده از آن ها را بیش از پیش ممکن می‌سازد. علاوه بر این ضمن اینکه میتوان حجم عظیمی از داده‌های استخراج شده از منابع مختلف را با هم تجمیع کرد و الگوهای نوینی را نیز تحلیل و به دست آورد.

کیوبیت به چه معناست؟

مفهوم کیوبیت از اصل برهمنه‌ی کوانتومی (Quantum Superposition) نشأت می­‌گیرد. برخلاف منطق دودویی که بنیان کامپیوترهای کنونی را تشکیل می‌دهد (یعنی هر بیت می‌تواند یا صفر  باشد یا یک)، برهمنه‌ی کوانتومی به این معنا است که یک کیوبیت در آن واحد می‌تواند دو مقدار صفر یا یک را با هم داشته باشد.

برای درک بهتر، یک کره را تصور کنید. در کامپیوتر الکترونیکی، هر بیت فقط می‌تواند روی قطب شمال یا قطب جنوب کره قرار داشته باشد؛ اما کیوبیت می‌تواند روی هر نقطه‌ای از سطح کره قرار بگیرد؛ بنابراین کیوبیت می‌تواند اطلاعات به‌مراتب بیشتری را در خود ذخیره کند. محاسبات کوانتومی هم روی تابع موج کیوبیت‌ها انجام می‌شود و ازآنجایی‌که در هر مرحله از محاسبات، اطلاعات بیشتری پردازش می‌شوند؛ سرعت پردازش رایانه‌ی کوانتومی به شکل نمایی افزایش پیدا می‌کند.

کامپیوترهای کوانتومی، به‌مراتب سریع‌تر و بهینه‌تر از رایانه‌های الکترونیکی امروزی هستند و می‌توانند با حل مسائلی که پیشرفته‌ترین ابررایانه‌های الکترونیکی قادر به پردازش آن‌ها نیستند، انقلابی در پیشرفت تمدن بشر ایجاد کنند.

کامپیوترهای کوانتومی قرار نیست جایگزین رایانه‌های الکترونیکی شوند. قرار دادن کیوبیت‌ها در حالت‌های شکننده‌ی کوانتومی و نگهداری آن‌ها در این وضعیت، نیازمند شرایط بسیار دشوار و فوق‌العاده سردی (نزدیک به صفر مطلق) است. برای فراهم‌آوردن این شرایط خاص، از سیستم‌های خنک‌کننده‌ی رقیق‌ساز استفاده می‌شود.

کامپیوترهای کوانتومی فقط برخی مسائل خاص را سریع‌تر از ابررایانه‌های الکترونیکی حل می‌کنند و ابررایانه‌ها، کماکان بخش مهمی از سخت‌افزارهای آینده را تشکیل خواهند داد. پیش‌بینی دقیق تأثیر رایانه‌های کوانتومی بر پیشرفت تمدن بشر و تأثیر آن بر زندگی روزمره، کار سختی است؛ اما شرکت‌های بزرگی مانند آی‌بی‌ام، گوگل، مایکروسافت و حتی اینتل، پروژه‌های بزرگی را برای ساخت رایانه‌ی کوانتومی تجاری در دست اجرا دارند. افزایش دقت شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای و به‌خصوص پدیده‌های ریزمقیاس کوانتومی، طراحی و آزمایش داروهای جدید، پیش‌بینی وضعیت هوا، تحلیل داده و هوش مصنوعی از مهم‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی خواهد بود.

یک مثال ساده

می‌خواهیم گذرواژه‌ی (پسوورد) فایل رمزگذاری‌شده‌ای را پیدا کنیم. تنها راه‌حل این مسئله آن است که گذرواژه را حدس بزنیم و آن را امتحان کنیم. n حالت ممکن برای پاسخ وجود دارد و زمان لازم برای حدس‌زدن و آزمایش گزینه‌ی احتمالی برای همه‌ی آن‌ها یکسان است. هیچ راهنمایی یا نشانه‌ای برای یافتن پاسخ ارجح وجود ندارد و انتخاب تصادفی گزینه‌ها، فرقی با انتخاب آن‌ها بر اساس ترتیبی خاص ندارد.

اگر برای انتخاب و آزمایش گذرواژه از کامپیوترهای الکترونیکی رایج استفاده کنیم، به‌طور متوسط پس از تعداد ۲/n تلاش به نتیجه می‌رسیم؛ یعنی اگر چندین بار این کار را با کامپیوترهای الکترونیکی انجام دهیم، میانگین تعداد تلاش‌های موفق به ۲/n نزدیک می‌شود. اگر از رایانه‌های کوانتومی برای حل این مسئله استفاده کنیم، زمان لازم برای دست‌یابی به گذرواژه‌ی درست با n√ (رادیکال n) متناسب خواهد بود. می‌بینید هرچه n عدد بزرگ‌تری باشد، رایانه‌ی کوانتومی سریع‌تر به جواب می‌رسد.

جست‌وجو در بانک‌های اطلاعاتی عظیم، یکی از این نمونه‌مسائل است. قرن بیست و یکم قرنی است که در آن انسان قادر به کنترل حالت های کوانتومی اتم های منفرد خواهد بود. توان محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی تأثیر بسیاری بر هوش مصنوعی، به خصوص یادگیری ماشین (Machine Learning) می‌گذارد.