رایانه، کوانتوم، زندگی بشر (قسمت دوم)

استفاده از قوانین برهم‌نهی و درهم تنیدگی فیزیک کوانتوم و هم‌چنین کنترل کوبیت‌ها و اندرکنش آنها، به دانشمندان و متخصصان شرکت دی.ویو کمک کرده تا رایانه‌های کوانتومی را تولید کنند.

در سرویس ویژه گذشته، به معرفی اولیه رایانه‌های کوانتومی و کاربردهای آنها پرداختیم. همان‌طور که ذکر شد، شرکت دی.ویو نخستین شرکتی بود که رایانه‌های کوانتومی را تولید و به فروش تجاری رساند. این ویژه خبری، قصد دارد چگونگی کار کردن این نوع سیستم و اصول حاکم بر آن را شرح دهد.

 

سیستم‌های دی.ویو و حل مسایل

برای اینکه یک شبیه‌سازی خوب از رایانه‌های کوانتومی داشته باشیم، یک منظره با کوه‌ها و دره‌ها را تصور کنید.

منظره دارای پستی و بلندی

منظره‌ای دارای پستی‌ها و بلندی‌ها

 

حل مسایل بهینه‌سازی، پیدا کردن پایین‌ترین نقطه در این منظره است. ارتفاعات این منظره، انرژی یا هزینه راه‌حل ما است. هدف این است که راه‌حل بهینه‌ای برای مسایل بیابیم که کمترین انرژی یا هزینه را داشته باشد.

رایانه‌های کلاسیک، فقط می‌توانند بر روی این منظره راه بروند؛ اما رایانه‌های کوانتومی می‌توانند تونل بزنند و یافتن پایین‌ترین نقطه را تسریع بخشند. پردازشگر دی.ویو همه احتمالات را به‌طور هم‌زمان در نظر گرفته و کمترین میزان انرژی را که برای روابط مدنظر لازم است، تعیین می‌کند. رایانه در زمان خیلی کوتاهی پاسخ‌های خیلی خوبی می‌دهد. ۱۰۰۰۰ پاسخ در هر ثانیه!

سیستم‌های دی.ویو از «تابش کوانتومی» (quantum annealing) برای حل مسایل استفاده می‌کنند. تابش کوانتومی کوبیت‌ها را از وضعیت برهم‌نهی به یک وضعیت کلاسیک تبدیل می‌کند تا مجموعه‌ای از پاسخ‌ها با امتیاز مختلف ارایه دهد و بهترین راه‌حل نشان داده شود.

سیستم‌های دی.ویو طراحی‌شده‌اند تا در کنار یک رایانه کلاسیک، به‌عنوان «پردازشگر کمکی کوانتومی» استفاده شوند.

 

کوبیت، عنصر اصلی رایانه‌های کوانتومی

کوبیت‌ها می‌توانند دارای وضعیت ۰ یا ۱ باشند. در این وضعیت، با چرخش جریان، ممکن است میدان مغناطیسی رو به پایین یا رو به بالایی اطراف کوبیت ایجاد شود.

یک جفت کوبیت با میدان مغناطیسی خلاف جهت یکدیگر

یک جفت کوبیت با میدان مغناطیسی خلاف جهت یکدیگر

 

ازآنجاکه کوبیت یک جسم کوانتومی است، لذا این دو وضعیت می‌توانند به‌صورت هم‌زمان، حالت برهم‌نهی داشته باشند. در فرآیند تابش کوانتومی، کوبیت‌ها به وضعیت یکه، یعنی حالت یک یا صفر بازمی‌گردند. فیزیک این فرآیند در یک نمودار انرژی نمایش داده می‌شود. در حالت برهم‌نهی، کوبیت در تنها دره منحنی انرژی قرار دارد. وقتی فرآیند تابش کوانتومی رخ می‌دهد، یک مانع بالا می‌آید و منحنی انرژی را به شکلی که دارای دو دره است، تبدیل می‌کند. پایین‌ترین نقطه دره سمت چپ، نشانگر وضعیت ۰ و پایین‌ترین نقطه دره سمت راست، نمایانگر وضعیت ۱ است. احتمال رخ دادن هر یک از این دو وضعیت برابر است، اما نکته جالب این است که شما به کمک اعمال یک میدان مغناطیسی، می‌توانید کنترل کنید که هر یک از دو وضعیت، با چه احتمالی رخ دهند.

 

جفتگر و کنترل متقابل اثر کوبیت‌ها

توانایی کنترل احتمال روی دادن وضعیت ۰ یا یک در نمودار انرژی، ویژگی بسیار مهم و مفیدی است، اما برای داشتن این توانایی، باید بین کوبیت‌ها ارتباط و اتصال برقرار کرد تا روی یکدیگر تاثیر بگذارند. این امر، به کمک وسیله‌ای به نام جفتگر (Couplers)، انجام می‌شود.

یک جفتگر تعیین می‌کند که دو کوبیت دقیقا چگونه بر روی یکدیگر اثر بگذارند. در حالت اول، جفتگر می‌خواهد یک جفت کوبیت ایجاد شود که هر دو دارای یک وضعیت هستند؛ می‌توانند هر دو صفر یا هر دو ۱ باشند و جفتگر، هم‌زمان یک جفت کوبیت ۰ و یک جفت کوبیت ۱ را حمل می‌کند. در حالت بعدی، جفتگر می‌خواهد دو جفت کوبیت را حمل کند که دارای وضعیت متضاد هستند. حالت ۰ و ۱ و حالت ۱ و ۰.

استفاده از جفتگر در دو حالت مختلف

استفاده از جفتگر در دو حالت مختلف

وقتی از یک جفتگر بین دو کوبیت باحالت متضاد استفاده می‌کنید، پدیده فیزیک کوانتومی دیگری به نام «درهم تنیدگی» (entanglement) رخ می‌دهد. وقتی دو کوبیت درهم‌تنیده می‌شوند، باید به‌عنوان یک شی در نظر گرفته شوند که دارای ۴ حالت است؛ {۰و۰}، {۰و۱}، {۱و۱} و {۱و۰}. هر یک از این حالت‌ها نشانگر یک ترکیب مختلف از دو کوبیت است و وضعیت انرژی پتانسیل نسبی آنها به میدان مغناطیسی خارجی که به آنها اعمال‌شده و جفتگر بین آنها، بستگی دارد.

وقتی می‌گوییم جفتگر «می‌خواهد» وضعیت کوبیت‌ها یکسان باشد، به این معنی است که باعث می‌شود آن دو کوبیت با وضعیت مشابه، در مقایسه با دو کوبیت وضعیت متضاد، دارای کمترین انرژی پتانسیل باشند. به همین شکل، وقتی می‌گوییم جفتگر «می‌خواهد» وضعیت کوبیت‌ها متضاد باشد، به این معنی است که باعث می‌شود آن دو کوبیت با وضعیت متضاد، در مقایسه با دو کوبیت وضعیت مشابه، دارای کمترین انرژی پتانسیل باشند.

 

فاصله میزان پیچیدگی رایانه‌های کلاسیک و کوانتومی

وقتی تعداد کوبیت‌ها از ۲ به ۳ تغییر می‌کند، تعداد حالت‌های ممکن از ۴ به ۸ می‌رسد و با اضافه شدن هر کوبیت، این تعداد دو برابر می‌شود؛ به عبارت بهتر، رابطه بین تعداد کوبیت‌ها و تعداد ترکیب‌های ممکن، به‌صورت نمایی، یعنی به‌صورت ۲^n است (n تعداد کوبیت‌ها است).

 

حل مسائل

کوبیت‌ها می‌توانند با دیگر جفتگرها برهم‌کنش داشته باشند. جهت و شدت هرکدام از میدان‌های مغناطیسی، بر روی این برهم‌کنش اثر می‌گذارد و این مسئله، بستگی به این دارد که شما چگونه به یک رایانه کوانتومی برنامه داده باشید. با انتخاب میدان‌های مغناطیسی و جفتگرهای موردنظر، یک چشم‌انداز انرژی تعیین می‌شود.

ارتباط کوبیت‌ها و چشم‌انداز انرژی حاصل

ارتباط کوبیت‌ها و چشم‌انداز انرژی حاصل

 

تابش کوانتومی، مسائل را با یافتن حالتی از قرارگیری و ارتباط کوبیت‌ها که پایین‌ترین نقطه این چشم‌انداز است، حل می‌کند؛ یعنی پاسخی را می‌یابد که دارای کمترین انرژی پتانسیل یا کمترین هزینه برای ما است.

تمام این کارها در تراشه‌های دی.ویو، فقط در حدود ۲۰ میکروثانیه انجام می‌شوند.

 

 همچنین بخوانید: رایانه، کوانتوم، زندگی بشر (قسمت اول)

 

منبع

 

این مطلب را به اشتراک بگذارید

More from نرگس ایمانی

چاپ سه‌بعدی در پیشانی فناوری

یکی از مهم‌ترین فناوری‌های امروز، چاپگر سه‌بعدی است که در تمام زمینه‌ها...
مشاهده مطلب

پاسخ دهید

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