رایانه، کوانتوم، زندگی بشر (قسمت اول)

رایانه‌های کوانتومی نسل جدید رایانه‌ها هستند که به خاطر سرعت‌بالای محاسبه، دنیای کنونی را به‌شدت تغییر خواهند داد. این رایانه‌ها کاربردهای زیادی از پیش‌بینی بلایای طبیعی گرفته تا یافتن الگوهای ژنتیکی برای درمان بیماری‌ها دارند.

 

رایانه‌هایی فراتر از حد تصور

رایانه کوانتومی ماشینی است که با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند، تفاوت اساسی دارند. به‌جای اینکه اطلاعات مانند رایانه‌های متداول، تحت عنوان صفرها و یک‌ها ذخیره شوند، یک رایانه کوانتومی از کوبیت‌ها (qubits) که می‌توانند یک، صفر یا هردو به‌صورت هم‌زمان باشند، استفاده می‌کند. این «برهم‌نهی (superposition) کوانتومی» در کنار اثرات کوانتومی درهم تنیدگی (entanglement)، رایانه‌های کوانتومی را قادر می‌سازد تا تمام ترکیبات بیت‌ها را به‌طور هم‌زمان در نظر گرفته و دست‌کاری کند. درنتیجه این رایانه‌ها برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی‌داده‌ها، پرقدرت و سریع هستند.

 

آیا برای مواجهه با رایانه‌های کوانتومی آماده هستیم؟

رایانش کوانتومی، زندگی‌ها، جامعه و اقتصاد را تغییر خواهد داد. انتظار می‌رود که یک سیستم کاری جدید تا سال ۲۰۲۰ توسعه یابد.

محاسبات کوانتومی، این قدرت را دارند که به برخی از مهم‌ترین سوالات بشری که در حال حاضر با فناوری‌های محاسبات کنونی قابل‌حل نیستند، پاسخ دهد. در سال ۲۰۱۴، دولت انگلیس بیش از ۲۷۰ میلیون پوند در توسعه فناوری‌های کوانتومی سرمایه‌گذاری کرد تا به کانون تحولات فناوری تبدیل شود. پروفسور او.براین (O’Brien)، رهبر مرکز فوتونیک کوانتوم در دانشگاه بریستول، رهبری توسعه محاسبات کوانتومی با استفاده نور در حالت کوانتومی‌اش، یعنی فوتون را به‌عنوان عنصر کلیدی بر عهده داشت.

پروفسور او.براین گفت: «در طی کمتر از ۱۰ سال، رایانه‌های کوانتومی کارهای رایانه‌های امروزه را انجام خواهند داد و منجر به پیشرفت‌های غیرمنتظره‌ای در هوش مصنوعی، کشف داروهای جدید و فراتر از آن، خواهد شد. قدرت محاسبات خیلی سریع رایانه‌های کوانتومی، این پتانسیل را دارد که کسب‌وکارهای سنتی را برهم زند و امنیت سایبری ما را به چالش بکشد. کسب‌وکارها باید برای مواجهه با آینده کوانتومی آماده باشند؛ زیرا در حال آمدن هستند!»

فناوری‌های کوانتومی ارتباطاتی فوق امن، حسگرهایی با دقت بی‌سابقه و رایانه‌هایی را برای ما به ارمغان می‌آورد که به‌صورت نمایی قدرتمندتر از هر ابررایانه‌ای هستند. این فناوری‌ها به دنبال این هدف هستند که زندگی ما را به‌طور اساسی تغییر دهند.

شرکت دی.ویو (D-Wave) اولین شرکتی است که این نوع از رایانه‌ها را تولید کرده و به فروش تجاری می‌رساند.

در ویژه‌های بعدی کران‌مند، با سیستم‌های این شرکت بیشتر آشنا خواهیم شد.

 

رایانه‌های کوانتومی و زندگی بشر

کاربردهای رایانش کوانتومی

کاربردهای رایانش کوانتومی

 

رایانه‌های کوانتومی، کاربردهای فراوانی نظیر بهینه‌سازی، پیش‌بینی (پیش‌بینی زلزله، خشک‌سالی و …)، کشف یا تشخیص الگوها (یافتن الگوها ژنتیکی برای توسعه روش‌های درمانی جدید)، تحلیل مالی (تغییرات بازار سهام)، شبیه‌سازی، یادگیری ماشینی، برچسب‌زنی به داستان‌های اخبار، فشرده‌سازی ویدئو و … دارند که در ادامه به توضیح چند مورد از این کاربردها می‌پردازیم.

 

بهینه‌سازی شبکه آب‌رسانی

بهینه سازی شبکه آب‌رسانی به کمک رایانه کوانتومی

بهینه‌سازی شبکه آب‌رسانی به کمک رایانه کوانتومی

 

یکی از نمونه‌های استفاده از یک رایانه کوانتومی با یک سیستم سنتی یا همان سیستم محاسبات با کارایی بالا (HPC)، بهینه‌سازی شبکه آب‌رسانی است. رایانه کوانتومی به ما ابزاری می‌دهد تا شبکه بهینه‌ای را طراحی کنیم که در آن از موارد نامطلوب نظیر فشار کم یا حضور آلاینده‌های شیمیایی اجتناب شده است. همچنین موارد مطلوب نظیر هزینه کم، ریسک پایین، ایمنی و … رعایت شده‌اند.

 

بهینه‌سازی پرتودرمانی (رادیوتراپی)

پرتودرمانی

پرتودرمانی

 

درحالی‌که رایانه کوانتومی برای بهینه‌سازی گسسته مناسب است، سیستم‌های محاسبات با عملکرد بالا، در شبیه‌سازی‌های عددی در مقیاس بزرگ، بسیار بهتر هستند. مسائلی نظیر بهینه‌سازی پرتودرمانی سرطان که بیمار توسط تاباندن چندین پرتو به تومور درمان می‌شود، نشان می‌دهد که چگونه این دو سیستم می‌توانند در کنار هم کار کنند.

هدف از پرتودرمانی این است که کمترین آسیب به بافت‌های اطراف و اعضای بدن برسد. این یک مسئله بهینه‌سازی خیلی پیچیده با هزاران متغیر است. استفاده از یک سیستم HPC در کنار یک رایانه کوانتومی، باعث خواهد شد که خیلی سریع‌تر به طراحی بهینه برسیم.

 

تاشدگی پروتئین‌ها (Protein Folding)

رشته‌های پروتئینی

رشته‌های پروتئینی

 

شبیه‌سازی تاشدگی پروتئین‌ها منجر به تحولات عظیمی در فهم ما از سیستم‌های زیستی پیچیده و توانایی ما در طراحی داروهای جدید، می‌شود. تعداد ساختارهایی که پروتئین‌ها می‌توانند داشته باشند، بسیار زیاد است. از رایانه‌های کوانتومی استفاده می‌شود تا تنظیمات تاشدگی ممکن این مولکول‌ها کشف شود.

محققان بیان کردند که طبیعت، رشته‌های آمینواسید را بهینه می‌کند تا پایدارترین پروتئین ایجاد شود. آنها توانسته‌اند سیستمی را طراحی کنند که الگوهای تاشدگی را برای مدل‌های تاشدگی پروتئین مشبک پیش‌بینی کند.

 

تشخیص اشیا

تشخیص اشیا در یک تصویر به کمک نرم‌افزارهای کوانتومی

تشخیص اشیا در یک تصویر به کمک نرم‌افزارهای کوانتومی

 

سخت‌افزارهای کوانتومی که با استفاده از یک الگوریتم طبقه‌بندی باینری (دودویی) آموزش داده‌شده‌اند، می‌توانند تشخیص دهند که آیا در یک تصویر یک شی خاص نظیر خودرو وجود دارد یا نه.

شرکت دی.ویو با همکاری محققان گوگل، نرم‌افزاری طراحی کرده‌اند که در این سخت‌افزارها اجراشده و به تشخیص اشیا می‌پردازد. به کمک این نرم‌افزار، بیش از ۵۰۰۰۰۰ مسئله بهینه‌سازی گسسته حل‌شده‌اند.

 

 

منابع

[۱]، [۲]، [۳]، [۴]

این مطلب را به اشتراک بگذارید

More from نرگس ایمانی

اشیا+ افراد+ اتصال=؟

اینترنت اشیا به دستگاه‌هایی اطلاق می‌شود که به اینترنت و به یکدیگر...
مشاهده مطلب

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *