محاسبات کوانتومی چیست و چگونه کار می‌کند؟

محاسبات کوانتومی نسل جدیدی از رایانش است که با استفاده از کیوبیت‌ها می‌تواند مسائلی بسیار پیچیده را با سرعتی خارق‌العاده حل کند و آینده فناوری، پزشکی و امنیت را دگرگون سازد.

به گزارش اکوایران، در کامپیوترهای کوانتومی، واحد اطلاعات کیوبیت (Qubit) است که می‌تواند صفر یا یک و یا حتی ترکیبی از هر دو باشد. قصه کوانتوم از همین‌جا شروع می‌شود و قرار است انقلابی بزرگ در عرصه‌های مختلف در جهان ایجاد کند.

محاسبات کوانتومی در واقع چندرشته‌ای است و از علوم کامپیوتر تا فیزیک و ریاضیات را در برمی‌گیرد. برای حل مسائل پیچیده با سرعت بالا به محاسبات کوانتومی پناه می‌برند.

پایه‌های محاسبات کوانتومی

در کامپیوترهای کلاسیک مثل همین لپ‌تاپ‌ها یا گوشی‌های تلفن همراهی که در دست دارید، همه‌چیز با «بیت» ساخته می‌شود. هر بیت هم فقط می‌تواند دو حالت داشته باشد: صفر یا یک. مثلا خاموش یا روشن باشد یا «بله و خیر» را نشان دهد.

اما در کامپیوتر کوانتومی، واحد اطلاعات کیوبیت است. یک کیوبیت سه حالت دارد: می‌تواند صفر یا یک باشد و یا می‌تواند ترکیبی از هر دو (برهم‌نهی یا Superposition) باشد.

برای اینکه بهتر این قضیه را درک کنید کافی است تصور کنید یک بیت مثل یک سکه باشد که شیر یا خط را در حالت «بیت» نشان می‌دهد اما در حالت کیوبیت یک حالت سوم هم وجود دارد که می‌تواند چرخیدن در هوا باشد. پس هم شیر است، هم خط و هم هر نسبتی بین این دو!

سه اصل کلیدی کوانتوم

در دنیای کوانتوم، سه اصل کلیدی وجود دارد. اصل اول با عنوان «برهم‌نهی» شناخته می‌شود. در این حال، یک کیوبیت می‌تواند هم‌زمان در چند حالت باشد. مثلا یک کیوبیت می‌تواند 30 درصد صفر و 70 درصد هم یک باشد.

حالت دوم «درهم‌تنیدگی» (Entanglement) نام دارد. این حالت به زمانی مربوط می‌شود که دو کیوبیت به هم «تنیده» می‌شوند. در این شرایط، تغییر یکی، فورا روی دیگری اثر می‌گذارد حتی اگر کیلومترها از یکدیگر فاصله داشته باشند. این باعث می‌شود که اطلاعات بین کیوبیت‌ها به صورت خیلی سریع منتقل شود.

در نهایت حالت سوم را «تداخل کوانتومی» (Interference) می‌گویند. در این حالت کوانتوم می‌تواند مسیرهای مختلف محاسبه را ترکیب کند. همچنین ممکن است مسیرهای غلط یکدیگر را حذف کنند  مسیر درست تقویت شود.

این سه ویژگی باعث می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی بتواند در آن واحد، میلیاردها حالت مختلف را بررسی کند. کامپیوترهای کلاسیک باید این‌ها را یکی‌یکی امتحان کنند.

محاسبات کوانتومی چگونه انجام می‌شود؟

محاسبات در کامپیوترهای کلاسیک، الگوریتمی شبیه به حل یک پازل دارد یعنی تکه به تکه جلو می‌روید. در کوانتوم، الگوریتم شبیه به این است که همه تکه‌های پازل را به صورت هم‌زمان امتحان کنید و بعد با «تداخل کوانتومی» فقط ترکیب درست را باقی بگذارید.

فرض کنید به دنبال یک رمز عبور 4 رقمی مناسب هستید. کامپیوتر کلاسیک باید حداکثر 100 هزار حالت را یکی‌یکی تست کند. اما کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه 100 هزار حالت را به‌صورت هم‌زمان امتحان کند و خیلی سریع به جواب درست برسد.

انقلاب محاسبات کوانتومی در جهان

محاسبات کوانتومی می‌تواند صنایع را متحول کند. برای مثال در بخش یادگیری ماشین (ML) به بهبود فرایند تجزیه و تحلیل مقادیر عظیمی از داده‌ها کمک می‌کند. تحقیقات در محاسبات کوانتومی محدودیت‌های فیزیکی پردازش اطلاعات را بررسی می‌کند و در فیزیک بنیادی نوآوری‌هایی به وجود می‌آورد. این تحقیقات به پیشرفت‌هایی در بسیاری از زمینه‌های علمی و صنعتی، مانند شیمی، بهینه‌سازی و شبیه‌سازی مولکولی منجر می‌شود. همچنین حوزه‌ای رو به رشد برای خدمات مالی برای پیش‌بینی حرکات بازار و برای تولید جهت بهبود عملیات است.

محاسبات کوانتومی می‌تواند تحقیق و توسعه، بهینه‌سازی زنجیره تأمین و تولید را بهبود بخشد. به عنوان مثال، می‌توانید محاسبات کوانتومی را برای کاهش هزینه‌های مرتبط با فرآیند تولید و کوتاه کردن زمان‌های چرخه با بهینه‌سازی عناصری مانند برنامه‌ریزی مسیر در فرآیندهای پیچیده به کار ببرید. کاربرد دیگر بهینه‌سازی کوانتومی پرتفوی وام است تا وام‌دهندگان بتوانند سرمایه را آزاد کنند، نرخ‌های بهره را کاهش دهند و پیشنهادات خود را بهبود بخشند.

به صورت کلی محاسبات کوانتومی می‌تواند در داروسازی و شیمی، هوش مصنوعی، امور مالی و حتی آب‌هوا، اثرگذار باشد. با این حال، محاسبات کوانتومی هنوز اشتباهات بسیاری دارد. از آن‌جا که کیوبیت‌ها به نویز و لرزش‌های کوچک بسیار حساس هستند، هر نوعی محاسبه‌ای را خراب می‌کنند. علاوه بر آن، ساخت کامپیوترهای کوانتومی به زیرساخت‌های بسیاری نیاز دارد. گفته می‌شود این نوع از کامپیوترهایی که پردازش‌ها و محاسبات کوانتومی را انجام می‌دهند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق نگه‌داری شوند. همه این موارد باعث شده‌اند که هنوز شاهد همه‌گیری کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی نباشیم اما با پیشرفت علم و فناوری، بی‌تردید این تکنولوژی هم توسعه پیدا خواهد کرد.