تکنولوژی

مقاله ای جامع در مورد کامپیوتر کوانتومی

کامپیوتر کوانتومی چیست؟
کامپیوتر کوانتومی یک فناوری نوظهور است که تاثیر زیادی خواهد داشت

محاسبات کوانتومی و هوش مصنوعی را می توان با هم ترکیب کرد تا تأثیر بیشتری داشته باشد. هدف این پست وبلاگ معرفی مفاهیم اولیه کامپیوترهای کوانتومی و تلاش برای ابهام زدایی از آنهاست. کامپیوترهای کوانتومی از خواص ماده مشاهده شده در سطح میکرو (زیر اتمی) برای انجام محاسبات و حل مسائل استفاده می کنند. در مقابل، کامپیوترهای فعلی (از دهه 1950) از خواص ماده در سطح ماکرو (عنصر نیمه هادی) استفاده می کنند. پیشرفت در کامپیوترهای کوانتومی پیامدهای مهمی در آینده نزدیک خواهد داشت. این می تواند استاندارد رمزگذاری فعلی اینترنت را بی فایده کند، زمان توسعه دارو را کاهش دهد، هوش مصنوعی را تغییر دهد و موارد دیگر. رایانه های کوانتومی قبلاً (به عنوان مثال، الگوریتم شور) سرعت نمایی را در مقایسه با همتایان غیرکوانتومی خود (معروف به رایانه کلاسیک) نشان داده اند. این پست موارد زیر را در سطح بالایی پوشش می دهد.

فیزیک پشت محاسبات کوانتومی
چگونه/چرا از محاسبات مبتنی بر سیلیکون پیشی خواهد گرفت
چه مشکلاتی را بهتر حل خواهد کرد

فیزیک کلاسیک تا کوانتومی

انتقال به دنیای دیجیتال با استفاده از خواص منحصر به فرد نیمه هادی های سیلیکونی امکان پذیر شد. الکتریسیته را تنها پس از برآورده شدن شرایط خاص هدایت می کند و در غیر این صورت مانند یک عایق عمل می کند. این رفتار برای انجام عملیات سطح پایه، به عنوان مثال، منطق AND/OR، عملیات حسابی پایه و غیره توسط گیت های سیلیکونی مورد استفاده قرار می گیرد. رایانه ها بر روی این پایه ها ساخته می شوند.

فیزیک کلاسیک خواص ماده را در سطح عنصر (به عنوان مثال، سیلیکون، مس) توصیف می کند و ما این ویژگی ها را برای محاسبات، ذخیره سازی داده ها و پردازش اطلاعات کنترل و استفاده می کنیم.

به طور مشابه، فیزیک/مکانیک کوانتومی خواص ماده را در سطح زیر اتمی میکروسکوپی، یعنی الکترون ها و فوتون ها توضیح می دهد. کامپیوترهای کوانتومی خواص ماده را در سطح زیر اتمی برای انجام محاسبات کنترل می کنند و از آنها استفاده می کنند. تفاوت بین فیزیک کلاسیک و کوانتوم فقط در مقیاس یا اندازه نیست. قوانین فیزیک کلاسیک شکسته می شوند و در آن سطح کوانتومی کار نمی کنند. برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی به مجموعه ای کاملاً جدید از رویکردها و مهندسی نیاز داریم.

جدول 1: تفاوت سطح بالا بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی

مفهوم فیزیک , فیزیک کلاسیک و فیزیک جدید و کمیت های فیزیکی(در تب جدید مرورگر باز می شود )

تفاوت سطح بالا بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی

بیش از یک قرن از زمانی که چارچوب مکانیک کوانتومی برای اولین بار ایجاد شد می گذرد، اما هیچ اتفاق نظری بین دانشمندان در مورد پیامدهای مشاهدات در سطح کوانتومی وجود ندارد. تفسیر کپنهاگی که به نیلز بور و ورنر هایزنبرگ نسبت داده می شود رایج ترین نسخه پذیرفته شده است. حتی آلبرت انیشتین نیز تفسیر کپنهاگ را به طور کامل نپذیرفت. در واقع، نظریه نسبیت عام اینشتین با مکانیک کوانتومی همسو نیست و او در ابتدا مکانیک کوانتومی را به دلیل ماهیت نامعین آن رد کرد.

پایان راه برای محاسبات مبتنی بر سیلیکون

در سال 1965 گوردون مور پیش بینی کرد که سرعت کامپیوترها تقریباً هر 2 سال یکبار دو برابر می شود. این قانون به عنوان قانون مور کدگذاری شد و تا به امروز درست است. در طول این مدت، اندازه ترانزیستورهای سیلیکونی به طور مداوم کاهش یافته است. اندازه اصلی یک تصویر کوچک بود، یعنی 1 سانتی متر در دهه 1950. اکنون در سال 2022، 3 نانومتر (یعنی 7 مرتبه کوچکتر از 1 سانتی متر) و به اندازه یک اتم سیلیکون (.2 نانومتر) نزدیک شده است. از نظر فیزیکی کوچک کردن اندازه ترانزیستور سیلیکونی به زیر اندازه اتمی آن برای افزایش سرعت بیشتر ممکن نیست. بنابراین، برخی خواستار پایان قانون مور هستند که مبتنی بر محاسبات نیمه هادی است. مرحله بعدی نوآوری محاسباتی می تواند توسط کامپیوترهای کوانتومی هدایت شود.

آینده طراحی وب سایت در تاریخ معماری پنهان است(در تب جدید مرورگر باز می شود )

راه حل کوانتومی

نوآوری در نرم افزارها و معماری های سطح بالاتر، به عنوان مثال، در قالب یادگیری ماشین و محاسبات توزیع شده/موازی، ابزارهایی را برای غلبه بر برخی از محدودیت های محاسباتی برای حل مسائل سخت تر فراهم کرده است. اما برخلاف این راه‌حل‌ها، کامپیوتر کوانتومی دستاوردهای محاسباتی را از پایه فراهم می‌کند. این پتانسیل را دارد که موج بعدی نوآوری در محاسبات را برای حل مشکلات حل نشدنی به وجود آورد. سود محاسباتی از محاسبات کوانتومی، مرتبه‌ای سریع‌تر از آنچه توسط قانون مور پیش‌بینی می‌شود، خواهد بود. از آنجایی که افزایش سرعت در لایه پایه اتفاق می‌افتد، می‌توان آن را با نوآوری‌های سطح بالاتر مانند یادگیری ماشین به عنوان یادگیری ماشین کوانتومی (به عنوان مثال Google Quantum AI) ترکیب کرد و به‌عنوان سرویس ابری مدیریت‌شده (مانند Amazon Braket Quantum Computers) کالایی کرد و ارائه کرد.

خواص کوانتومی

دو ویژگی اساسی برای محاسبات کوانتومی عبارتند از:

• برهم نهی
• در هم تنیدگی

قبل از اینکه به آنها بپردازیم، درک مفهوم کیوبیت مهم است.

کیوبیت (در مقابل بیت)

واحد اطلاعات در محاسبات کلاسیک، ذخیره سازی و ارتباطات یک بیت است که به صورت اعداد باینری 0 یا 1 نشان داده می شود. آنها نمایش عددی بارهای کم و زیاد (ولتاژ) در

سطح سخت افزار (ترانزیستورهای سیلیکونی). وضعیت واحد سخت افزار همیشه یا 0 (ولتاژ پایین) یا 1 (ولتاژ بالا) است. چیزها در سطح کوانتومی چندان گسسته نیستند. تا زمانی که یک ذره زیر اتمی مشاهده شود (اندازه گیری شود)، در حالت 0 و 1 است، یعنی یک الکترون می تواند به سمت بالا یا پایین بچرخد. این واحد اطلاعات یا حالت در سیستم های کوانتومی به عنوان کیوبیت شناخته می شود.

الف) برهم نهی

این پدیده 0 و 1 بودن همزمان در سیستم های کوانتومی برهم نهی نامیده می شود. برهم نهی تمام حالت های ممکن بیت های کوانتومی (کیوبیت) را نشان می دهد. برهم نهی حالت های مختلف در حین اندازه گیری به حالت خاصی فرو می ریزد. این در آزمایش فکری گربه شرودینگر نشان داده شد، جایی که یک گربه در داخل یک جعبه مهر و موم شده همراه با یک منبع رادیواکتیو هم زنده و هم مرده در نظر گرفته می شود تا زمانی که فرد داخل جعبه را مشاهده کند.

ب) درهم تنیدگی

این پدیده ای است که در آن 2 یا چند ذره زیر اتمی با وجود فاصله بین آنها، ویژگی های حالت یکسانی دارند (مثلاً 0 یا 1). هیچ کس نمی تواند توضیح دهد که چرا و چگونه این اتفاق می افتد. اگر ارتباطی بین ذرات زیر اتمی وجود داشت تا این اتفاق بیفتد، سیگنال باید سریعتر از سرعت نور حرکت کند، که طبق نظریه نسبیت اینشتین امکان پذیر نیست. انیشتین از درهم تنیدگی به عنوان “عمل شبح آور در فاصله” یاد کرد.
کوانتومی در مقابل کامپیوترهای کلاسیک

کامپیوترهای کوانتومی دارای کیوبیت‌های متعدد در حالت‌های درهم تنیده هستند و همه ترکیب‌های ممکن کیوبیت‌ها را همزمان انجام می‌دهند. آنها برای حل مشکلات خاص به حالت مطلوب فرو می روند. از آنجایی که یک کیوبیت می تواند همزمان در حالت 0 یا 1 باشد، یک کامپیوتر کوانتومی n-qubit می تواند 2ⁿ حالت را همزمان پردازش کند. کامپیوترهای کلاسیک نیاز به دو برابر کردن تعداد بیت ها (حافظه) یا سرعت پردازش دارند تا سرعت آنها دو برابر شود. در کامپیوتر کوانتومی، فقط با افزودن یک بیت کوانتومی دیگر (یعنی کیوبیت) سرعت را دو برابر می کنیم. بنابراین، می‌تواند نسبت به رایانه‌های کلاسیک که یک حالت را در یک زمان پردازش می‌کنند، سرعت تصاعدی به دست آورد. از نظر تئوری، همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، یک کامپیوتر کوانتومی 28 کیوبیتی معادل بیش از 268 میلیون بیت (228) کامپیوتر کلاسیک مبتنی بر سیلیکون خواهد بود.

برتری کوانتومی هدف اعلام شده زمانی است که کامپیوترهای کوانتومی بتوانند مشکلی را حل کنند که هیچ کامپیوتر کلاسیکی قادر به حل آن در مدت زمان معقول نیست. در اکتبر 2019، گوگل ادعا کرد که با 54 کیوبیت به برتری کوانتومی دست یافته اند.
جدول 2: مقایسه کامپیوترهای کلاسیک با کامپیوترهای کوانتومی بر اساس اندازه بیت/کیوبیت

انجام پروژه متلب | انجام پروژه های متلب با بهترین متخصصان(در تب جدید مرورگر باز می شود )

ستون سوم برون یابی بر اساس خواص کوانتومی است. ستون 4 یک مقایسه نظری توسط من است و ارزش رسمی ندارد. در واقع، ممکن است مقادیر من کمتر گزارش شود، زیرا گوگل کامپیوتر کوانتومی 54 کیوبیتی (ردیف پنجم در جدول 2) خود را تأیید کرد که در سال 2019 به برتری کوانتومی دست یافت، کاری را انجام داد که یک ابررایانه 10000 سال فقط در 200 ثانیه طول می کشید.

افزودن کیوبیت ها به معماری کار آسانی نیست، زیرا آنها به شدت مستعد شرایط محیطی هستند که منجر به از دست دادن خواص کوانتومی می شود. کامپیوترهای کوانتومی برای کار کردن به دمای نزدیک به صفر مطلق، یعنی حدود -460 درجه فارنهایت نیاز دارند.
موارد استفاده کامپیوتر کوانتومی

همه مشکلات از رایانه‌های کوانتومی سود نمی‌برند، همانطور که همه مشکلات با یادگیری ماشین در مقایسه با توسعه نرم‌افزار سنتی که در پست قبلی من بحث شد، بهتر حل نمی‌شوند.
یادگیری ماشین در مقابل توسعه نرم افزار
هدف توسعه نرم‌افزار (SD) و یادگیری ماشین (ML) ارائه ویژگی‌ها و قابلیت‌ها برای برآورده کردن…

توجه به این نکته مهم است که در حال حاضر استفاده از کامپیوترهای کوانتومی محدود به مشکلات خاصی از جمله برخی مشکلات NP-hard است که مستلزم غربال کردن فضای جستجوی بزرگ است. اینها برخی از مناطقی هستند که کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر تفاوت ایجاد کرده اند:

• کشف دارو
• کرک رمزگذاری
• بهينه سازي

با توجه به خاصیت برهم نهی، کامپیوترهای کوانتومی می توانند تمام ترکیبات کل فضای جستجوی راه حل را در یک چرخه، در مقایسه با تکرارهای متعدد مورد نیاز کامپیوترهای کلاسیک، شبیه سازی کنند. بنابراین کامپیوترهای کوانتومی برای مسائل جستجو و بهینه سازی ترکیبی مناسب هستند. موارد استفاده ذکر شده در بالا در این دسته قرار می گیرند.
خلاصه

کامپیوترهای کوانتومی بسیار امیدوارکننده هستند و در حال حاضر شروع به حل مسائل دنیای واقعی کرده اند. تا زمانی که بتوانیم خواص کوانتومی ذرات زیر اتمی را با کنترل محیطی که در آن کار می کنند حفظ کنیم، می توانیم کیوبیت های بیشتری را به معماری اضافه کنیم. شناسایی این که کدام مسائل برای کامپیوترهای کوانتومی مناسب‌تر هستند و ساختن الگوریتم‌های کوانتومی از مهمترین زمینه‌های تحقیقاتی هستند. تاکنون، Grover’s_algorithm و Shor’s_algorithm محبوب ترین الگوریتم های کوانتومی هستند که به ترتیب سرعت چند جمله ای و نمایی را در مقایسه با همتایان غیرکوانتومی خود ارائه کرده اند.

هر دو کامپیوتر کلاسیک و کوانتومی در آینده با هم وجود خواهند داشت و مکمل یکدیگر خواهند بود. كامپيوترهاي كلاسيك براي انجام كارها مناسب ترند

at به صورت متوالی (به عنوان مثال، نوشتن این پست وبلاگ در لپ تاپ من) و تراکنشی (مثلاً محاسبه موجودی سبد خرید) هستند، در حالی که رایانه های کوانتومی برای حل مسائل سخت تر با فضای جستجوی راه حل بزرگ استفاده خواهند شد.

متلب و چند نکته(در تب جدید مرورگر باز می شود )