کامپيوترهاي کوانتوم : نسل آينده کامپيوترها
تعريف :
کامپيوتر کوانتوم دستگاه محاسباتي است که مشخصا از پديده هاي بارز مکانيک کوانتومي مانند انطباق و جمع آثار براي انجام عمليات بر روي داده ها مستقيما استفاده مي کند.
در کامپيوتر هاي کلاسيک اطلاعات درون بيت ها قرار مي گرفتند ولي در کامپيوتر هاي کوانتوم در کيوبيت ها جاي مي گيرند. اصل اوليه محاسبه کوانتومي اين است که از خواص کوانتومي مي توان براي ساخت يا جايگزيني داده استفاده کرد و آن مکانيزم هاي کوانتومي مي توانند در انجام عمليات گوناگون با اين داده ها، فعال و بکار گرفته شوند.
با وجود اينکه اين گونه محاسبات کوانتومي هنوز دوران طفوليت خود را طي مي کنند، آزمايش هاي گوناگوني انجام پذيرفته اند که در آن ها عمليات محاسبات کوانتومي در بسياري از کيوبيت هاي بسيار کوچک انجام شده اند. تحقيقات در دو حوزه نظري و عملي آن با سرعت زيادي در حال انجام است و دولت ها و سازمان هاي نظامي متعددي در شرکت هايي که از تحقيقات کوانتومي براي توسعه اهداف ملي و نظامي بهره مي برند، سرمايه گذاري مي کنند.

تاريخچه مختصري از محاسبات کوانتومي
ايده دستگاه محاسباتي بر اساس مکانيک کوانتوم ابتدا در دهه 1970 و اوايل 1980 توسط فيزيکدانان و دانشمندان رشته کامپيوتر مانند چارلز اچ- بنت از مرکز تحقيقاتي IBM Tomas J-Watson، پل اي – بنيف از آزمايشگاه ملي آرگون در ايالت ايلينويز، ديويد دويتش از دانشگاه آکسفورد در آخر ريچارد پي – فاين من از موسسه تحقيقاتي کاليفرنيا، نشان گرفت. اين ايده زماني کشف شد که دانشمندان محدوديت هاي اصلي محاسباتي را مورد بررسي قرار مي دادند. آن ها متوجه شدند که اگر فناوري ميکروچيپ ها يا تراشه ها بر حسب پيش بيني قانون مور همچنان پيشرفت کند، به تدريج کاهش اندازه مدارهايي که در چيپ هاي سيليکوني مي توان جاسازي کرد به جايي مي رسد که عناصر منفرد از يک اتم بزرگتر نخواهند شد، در اينجا مشکلي که به وجود مي آيد اينست که در مقياس اتمي, قوانين فيزيکي که خواص و رفتارهاي مدارها را کنترل مي کنند، در اصل مکانيک کوانتوم است نه کلاسيک سابق. لذا اين سوال به وجود آمد که آيا مي توان گونه جديدي از کامپيوترها را ابداع نمود که منطبق بر اصول علم کوانتوم فيزيک باشند.
فاين من در سال 1982 از ميان اولين کساني بود که تلاش مي کردند پاسخ اين سوال را با توليد يک مدل انتزاعي که نشان مي داد چگونه يک سيستم کوانتومي مي تواند محاسبه را انجام دهد، بيابد. همچنين وي سعي کرد که نشان دهد چگونه چنين ماشيني مي تواند مانند يک شبيه ساز براي علم کوانتوم فيزيک فعاليت کند. به عبارت ديگر، يک فيزيکدان بتواند آزمايشهاي فيزيک کوانتوم را با يک کامپيوتر مکانيک کوانتوم انجام دهد.
بعدها در سال 1985، دويتش متوجه شد که اظهارات فاين من مي تواند تدريجاٌ به ساخت کامپيوتر کوانتومي منجر شود و مقاله نظري مهمي را منتشر کرد که نشان مي داد اصولا هر فرآيند فيزيکي را مي توان به خوبي با کامپيوترهاي کوانتومي مدل سازي کرد. بعد از انتشار مقاله دويتش ، تحقيقات براي دستيابي به کاربردهاي جديدتر براي چنين دستگاهي آغاز شد.
متاسفانه کاربردهاي يافت شده تا آن زمان تا حل مسائل رياضي فاصله زيادي داشت ، تا اين که در سال 1994 شر پيش نويس مقاله اي را منتشر کرد که در آن او روشي را براي استفاده از کامپيوترهاي کوانتوم در حل مشکل پيچيده اي در نظريه اعداد به نام فاکتورگيري ، مطرح نمود. وي نشان داد که چگونه يک مجموعه از عمليات رياضي که منحصرا براي کامپيوتر هاي کوانتوم طراحي شده اند، مي توانند چنين دستگاهي را به انجام فاکتورگيري از اعداد بيشماري با سرعت بسيار بالا( بسيار سريعتر از آنچه کامپيوترهاي کلاسيک انجام مي دهند) قادر سازد. با چنين اختراعي، محاسبات کوانتومي مستقيما از يک کنجکاوي صرف به يک توجه جهاني تبديل شد.

اولين نمايش شر از الگوريتم هاي فاکتورگيري
سن خوزه کاليفرنيا ، دسامبر 2001، دانشمندان در مرکز تحقيقاتي المادن پيچيده ترين محاسبات کوانتومي جهان را تا به امروز انجام داده اند. آن ها موجب شده اند ميلياردها ميليارد سلول کامپيوتري خاصي که در محيط آزمايشگاهي طراحي شده اند به کامپوترهاي کوانتومي هفت کيوبيتي تبديل شوند که گونه ساده اي از مشکلات رياضي را حل مي کنند که اساس رمزنگاري دستگاه هاي امنيت امروزي است.
نايبل آرمر مدير و کارشناس گروه اطلاعاتي فيزيکي تحقيقات IBM مي گويد :"اين نتايج موجب رشد اين درک خواهند شد که کامپيوترهاي کوانتوم قادر به حل مشکلات پيچيده اي هستند که حتي ابر کامپيوترهاي قدرتمندي که با صرف ميليون ها پردازش نيز نتوانسته اند بيابند .

دستاورد ها و آينده تکنولوژي
به گفته پرفسور آرتور اکرت از دانشگاه آکسفورد، اين فناوري الگويي جديد براي محاسبات است که آن ها را به گونه اي متفاوت انجام مي دهد.
يک بيت بخش ساده اطلاعاتي است که صفر يا يک را در کامپيوترهاي قديمي نشان مي دهد.
يک کيوبيت علاوه براين مي تواند صفر يا يک يا هر دو- که به اين پديده انطباق گويند- را در يک زمان نشان دهد.
اين ويژگي به کامپيوترهاي کوانتوم اجازه مي دهد که در زمينه مسائل بسياري فعاليت کرده و به طور هم زمان به راه حل ها دست يابد.
پرفسور آکرت مي گويد :" اين به مانند پردازش موازي بسيار زياد وليکن تنها در يک سخت افزار است.

سيستم هاي پيچيده Complex Systems
اين فناوري مزاياي قابل توجهي بالاخص در حل مسائلي با مقادير نامتناهي داده و متغير دارد. با محاسبات کوانتومي مي توان برخي از مشکلات را در مقياس هاي ثانيه اي حل کرد که در کامپيوترهاي کلاسيک تقريبا به مدت زمان طولاني نياز دارد . در فوريه 2007 يک شرکت کانادايي به نام D-Wave Systems اعلام کرد که کامپيوتر کوانتومي را به نمايش گذاشته است.
هرب مارتين مدير اجرائي هيئت رئيسه اين شرکت مي گويد: " ارائه اين گونه کامپيوترها گامي اساسي در حل مشکلات تجاري و علمي است که تا کنون آن ها را غيرقابل حل پنداشته ايم. "
ولي عده بسياري به علت اطلاعات بسيار اندکي که اين شرکت در مورد اين ماشين ها ارائه داده به اين محاسبات کوانتومي مشکوک و بدبين باقي مانده اند.
به اين ترتيب، اولين حضور اين کامپيوترهاي کوانتوم در تحت تاثير قراردادن عموم با شکست مواجه شد.
متخصصان معتقدند که نمايش شرکت مذکور [کاربرد کوانتوم در اين کامپيوترها] دقيقا همان چيزي نيست که در باره محاسبات کوانتومي شناخته شده است. هر چند ايشان معتقدند که سرانجام اين محاسبات کوانتومي به بلوغ خواهند رسيد. اين متخصصان همچنين پيش بيني مي کنند که اين کامپيوترها براي برنامه هاي کاربردي معمولي استفاده نخواهند شد ولي متخصصان از اين کامپيوترها به عنوان جستجوگر در پايگاه داده هاي گسترده, ايجادکننده رمزهاي غيرقابل دسترسي و يا شبيه ساز ساختار اتمي ذرات استفاده خواهند کرد.
اين نوع کامپيوترها احتمالا نقشي اساسي در برنامه هاي کاربردي پُرپردازشي مانند طراحي مواد جديد يا سيستم هاي پيچيده خواهند داشت.