علمی

کامپیوترهای کوانتومی: انفجار در سرعت محاسبات

چرا کامپیوترهای کوانتومی در حال تغییر جهان هستند

کامپیوترهای کوانتومی انفجاری در سرعت محاسبات ایجاد کرده‌اند. در سال 2017، هر روز بالغ بر 2.5 اگزابایت داده تولید شده است.

این حجم داده چیزی به اندازه‌ی 25000 کتاب کتابخانه‌ی کنگره امریکا یا محتوای 5 میلیون لپ‌تاپ است.

در هر دقیقه 3.2 میلیارد کاربر جهانی اینترنت حجم عظیمی از داده را تولید می کنند که قسمت زیادی از آن به صورت عکس و به خصوص فیلم است.

با توجه به محدویت‌های پردازشی کامپیوترهای فعلی به وضوح می‌توان فهمید که در این زمینه ما با محدودیت جدی روبه رو هستیم و این در حالی است که داده با سرعت خیره‌کننده‌ای در حال افزایش است ( خلق کلان داده).

رفع چنین چالشی دانشمندان را به سوی نوع نوینی از محاسبات رهنمون کرده که شاید برجسته‌ترین آن‌ها محاسبات کوانتومی (Quantum Computing) باشد.  توسعه چنین فناوری، مقصود اصلی مهندسی کوانتومی (Quantum Engineering) است.

مهندسی کوانتومی چیست؟

دنیای علم، آنچه که بعنوان مهندسی کوانتومی یاد می¬شود به معنای این است که اتم ها به عنوان موجودات کوانتومی منفرد دستکاری و کنترل می شوند.

یعنی حالت کوانتومی(Quantum state) آنها به صورت کنترل شده و برای مقاصد معین دستکاری می شود.

با مهندسی کوانتومی می توان اتمی را که در حالت پایه است به یک حالت معین و مشخص و یا حتی به یک برهم نهی از حالت های مشخص برد. این امر اصطلاحا به این معناست که می توان یک گیت کوانتومی یک کیوبیتی (One-Qubit Quantum Gate) را بر یک اتم اعمال کرد.

می توان حتی حالت یک اتم معین را بسته به حالت اتم دیگری که در نزدیکی آن است تغییر داد.

به عبارت دیگر می توان گیت های دو کیوبیتی (Two-Qubit Quantum Gate) را روی اتم ها اثر داد.

تمام این موارد به این معنی است که قرن بیست و یکم قرنی است که در آن انسان قادر به کنترل حالت های کوانتومی اتم های منفرد خواهد بود.

همچنین انسان  از این دانش و توانایی نه تنها برای مقاصد فناوری که گستره آن هنوز روشن نیست بلکه برای فهم مرزها و محدودیت های مکانیک کوانتومی استفاده خواهد کرد.

مهندسی کوانتومی جایی است که رشته‌های مهندسی مکانیک و الکترونیک بر پایه‌ی مکانیک کوانتومی در یک نقطه به هم پیوند می‌خورند. مانند هر اتفاق عظیمی در دنیای مهندسی، فناوری محاسبات کوانتومی هم اثرات عظیمی بر زندگی بشر خواهد گذاشت.

همه اینها با رشد کامپیوترهای کوانتومی رخ خواهد داد که در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

سرعت کامپیوترهای کوانتومی مزیتی بی بدیل

گوگل یکی از پیشگامان این حوزه اخیرأ موفق به ساخت کامپیوتر کوانتومی شده است که 100 میلیون بار سریع تر از کامپوترهای فعلی است.

چنین تکنولوژی زمانی بسیار اهمیت خواهد یافت که ما بخواهیم حجم بسیار عظیمی از داده را تحلیل و مسایل با سطح پیچیدگی بالا را به سرعت حل کنیم.

در حال حاضر رایج ترین مدل محاسبه مدل مداری است که در آن داده ها در رشته ای از بیت های کلاسیک 0 و 1 ذخیره می‌شوند.

در این نوع محاسبه مدارهای منطقی (logical circuits) کلاسیکی که از گیت های کلاسیک ساخته شده اند این داده ها را پردازش می کنند. این مدارهای منطقی می توانند توابع قابل محاسبه (Computable Functions) را با ترکیبی از گیت های منطقی AND، OR و NOT محاسبه کنند.

یک بیت کلاسیک می تواند تنها در یکی از دو حالت 0و 1 قرار بگیرد حال آنکه یک کیوبیت ( بیت کوانتومی) می تواند در ترکیبی از این دو حالت نیز قرار بگیرد.

بنابراین یک حافظه کوانتومی که دارای K کیوبیت است می تواند در ترکیبی از 2K قرار بگیرد. قرار گرفتن یک کیوبیت در ترکیبی از دو حالت متفاوت محصول خاصیت برهم نهی کوانتومی (Quantum Superposition) است.

تفاوت بیت و کیوبیت
شکل 1 – تفاوت بیت و کیوبیت

در شکل (1) تفاوت یک بیت ( قسمت چپ) و کیوبیت ( قسمت راست) به نحوی ساده نشان داده شده است. در این شکل که از آن به عنوان کره‌ی بلاخ (Bloch Sphere)یاد می‌شود توان برای یک بیت می توان دید که آن یا در قطب شمال ( 0، زرد) است یا در قطب جنوب ( 1، آبی) حال انکه یک کیوبیت می‌تواند ترکیبی از این دو باشد.

این قابلیت کامپیوترهای کوانتومی را قادر می کند که مسائلی را بتوانند حل کنند که حل آنها برای کامپیوترهای کلاسی زمان بسیار زیادی خواهد برد.

مشهورترین این مسائل، مسئله تجزیه یک عدد به عامل های اول (Prime factors) آن است. تفاوت سرعت این دو تکنولوژی در تجزیه یک عدد 78 رقمی N بیتی به عامل های اولش در جدول (1) نشان داده است.

کامپیوتر کوانتومیکامپیوتر کلاسیکN
8  ساعت4.11 روز512
2.76 روز7.47 روز512
21.3 روزتقریبأ 73000 سال2048

جدول (1): تفاوت سرعت کامپوترهای کوانتومی و کلاسیک

توان محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی تأثیر بسیاری بر هوش مصنوعی، به خصوص یادگیری ماشین (Machine Learning)، می‌گذارد.

به این طریق که امکان تحلیل سریع کلان داده‌ها و استخراج الگوهای پیچیده از آن ها را بیش از پیش ممکن می‌سازد. علاوه بر این ضمن اینکه میتوان حجم عظیمی از داده‌های استخراج شده از منابع مختلف را با هم تجمیع کرد و الگوهای نوینی را نیز تحلیل و به دست آورد.

این توان محاسباتی عظیم کامپیوترهای کوانتومی علاوه بر مزیت‌های زیادی که دارد، تهدیدهای جدی را نیز ایجاد می‌کند که شاید برجسته‌ترین آنها، قدرت این فناوری در شکستن پروتکل‌های رمز نگاری پیچیده نظیر SHA-2( مورد استفاده در بیت کوین و ..) و RSA (مورد استفاده در امضای دیجیتال و.. ) باشد.

از این نویسنده : شبکه کوانتومی چیست؟

 

منابع مورد استفاده:

جزوه رایانش و اطلاعات کوانتومی، وحید کریمی پور، دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، 20 مهر 1393

https://slideplayer.com/slide/1655047/

https://www.forbes.com/sites/bernardmarr/2017/09/05/how-quantum-computers-will-revolutionize-artificial-intelligence-machine-learning-and-big-data/#173e00c45609

Kaye P, Laflamme R, Mosca M. An introduction to quantum computing. Oxford University Press; 2007

منابع پیشنهادی برای مطالعه:

جزوه رایانش و اطلاعات کوانتومی وحید کریمی پور، دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف، 20 مهر 1393

Rieffel E, Polak W. An introduction to quantum computing for non-physicists. ACM Computing Surveys (CSUR). 2000 Sep 1;32(3):300-35.

 

برچسب ها

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

بستن
بستن