1. یادگیری بیشتر:
نیازهای آزمایشگاهی برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی چیست ؟ واحدهای اصلی نظریه، بیتهای کوانتومی یا کیوبیتها هستند – سامانههای کوانتومی دو سطحی. برای ساخت یک کامپیوتر کوانتومی، نهتنها باید کیوبیتها را در قالبی فیزیکی که خواص کوانتومی آنها را حفظ میکند بازنمایی کنیم، بلکه باید سامانهای انتخاب کنیم که در آن بتوانیم حالت کیوبیتها را به شکلی دلخواه تغییر دهیم. علاوه بر این، باید بتوانیم کیوبیتها را در مجموعهای مشخص از حالتهای اولیه آماده نموده و حالت نهایی سامانه را اندازهگیری کنیم.
مشاهده اینکه این محدودیتها با یکدیگر در تضاد هستند، یک اصل کلی است: یک کامپیوتر کوانتومی باید بهخوبی ایزوله شود تا بتواند خواص کوانتومی خود را حفظ کند، اما در عین حال، کیوبیتهای آن باید در دسترس باشند تا بتوان آنها را دستکاری کرد( تغییر حالت داد) ، محاسبات را انجام داد و نتایج را استخراج نمود. یک پیادهسازی واقعی باید توازنی ظریف میان این محدودیتها برقرار کند، بهگونهای که پرسش اصلی دیگر این نباشد که چگونه میتوان یک رایانه کوانتومی ساخت، بلکه این باشد که چگونه میتوان یک رایانه کوانتومی با کیفیت ساخت.
معیارهای دیوینچنزو (DiVincenzo)
این معیارها در سال 2000 توسط فیزیکدان دیوید پی. دیوینچنزو پیشنهاد شدند. هدف نهایی این است که کامپیوتری کوانتومی ساخته شود که بتواند شبیهسازیهای کوانتومی مورد نیاز برای مسئله چندجسمی کوانتومی را انجام دهد و همچنین الگوریتمهای کوانتومی را اجرا کند.
در مجموع، هفت معیار وجود دارد. پنج مورد اول به ماهیت محاسباتی خود ماشین تمرکز دارد و دو مورد آخر به انتقال اطلاعات از طریق کیوبیتها مربوط میشوند.
این معیارها به شرح زیر هستند:
- یک سامانه فیزیکی مقیاسپذیر با کیوبیتهای مشخص و شناختهشده: سامانه باید به گونهای طراحی شود که بتوان آن را به راحتی توسعه و گسترش داد و کیوبیتها باید به خوبی مشخص و قابل اندازهگیری باشند.
- توانایی اولیهسازی حالت کیوبیتها به یک حالت ساده اولیه: امکان تنظیم کیوبیتها در یک حالت اولیه مشخص و ساده باید وجود داشته باشد.
- زمانهای طولانی برای وادوسی مرتبط: سامانه باید زمانهای طولانی حفظ خواص کوانتومی (مانند برهمنهی و درهمتنیدگی) را تضمین کند.
- مجموعهای "جهانی" از گیتهای کوانتومی: ماشین باید مجموعهای کامل و جهانی از گیتهای کوانتومی داشته باشد که بتواند هر عملیات کوانتومی دلخواه را اجرا کند.
- قابلیت اندازهگیری مشخص برای کیوبیتها: سامانه باید امکان اندازهگیری دقیق حالت هر کیوبیت را فراهم کند. دو معیار باقیمانده عبارتند از:
- توانایی تبدیل بین کیوبیتهای ساکن و متحرک: سامانه باید بتواند کیوبیتهای ساکن (stationary) را به کیوبیتهای متحرک (flying) تبدیل کند.
- توانایی انتقال دقیق کیوبیتهای متحرک بین مکانهای مشخص: سامانه باید قادر به انتقال کیوبیتهای متحرک به صورت دقیق و بدون خطا بین مکانهای تعیینشده باشد.
3. کاربرد / مثال
کامپیوترهای کوانتومی با انجام محاسباتی که برای کامپیوترهای کلاسیک بسیار دشوار یا غیرممکن است، این پتانسیل را دارند که انقلابی در حوزههای مختلف ایجاد کنند. در ادامه به برخی از کاربردهای برجسته آنها اشاره شده است:
1. رمزنگاری:
o شکستن رمزنگاری کلاسیک: کامپیوترهای کوانتومی میتوانند مسائل پایهای رمزنگاریهای رایج، مانند تجزیه اعداد بزرگ (برای مثال، رمزنگاری RSA) را با کارایی بالا و با استفاده از الگوریتمهایی مانند الگوریتم شور حل کنند.
o توزیع کلید کوانتومی (QKD): این کامپیوترها میتوانند امنیت را با ارائه روشهای ارتباطی کاملاً ایمنی که از نظر تئوری غیرقابل شنود هستند، بهبود بخشند.
2. کشف دارو و علم مواد:
o شبیهسازی مولکولی: کامپیوترهای کوانتومی میتوانند با شبیهسازی تعاملات مولکولی در سطح کوانتومی به کشف سریعتر داروها و مواد جدید کمک کنند.
o مدلسازی تاخوردگی پروتئینها: کامپیوترهای کوانتومی قادر به مدلسازی فرآیندهای پیچیده بیولوژیکی مانند تاخوردگی پروتئینها که برای درک بیماریها ضروری اس، میباشند.
3. حل مسائل بهینهسازی:
o لجستیک و زنجیره تأمین: کامپیوترهای کوانتومی میتوانند با حل کارآمدتر مسائل پیچیده بهینهسازی، مدیریت لجستیک و زنجیره تأمین را بهبود بخشند.
o مدلسازی مالی: کامپیوترهای کوانتومی میتوانند سبد سرمایهگذاری و ارزیابی ریسکها را در حوزه مالی بهینهسازی کنند.
4. هوش مصنوعی و یادگیری ماشین:
o پردازش دادههای پیشرفته: الگوریتمهای کوانتومی میتوانند برخی وظایف یادگیری ماشین را با سرعت بیشتری انجام دهند، که این امر منجر به بهبود فرآیند آموزش مدلها و تحلیل دادهها میشود.
5. مدلسازی اقلیم و پیشبینی آبوهوا:
o شبیهسازیهای پیچیده: کامپیوترهای کوانتومی توانایی انجام شبیهسازیهای بسیار پیچیده را دارند که میتوانند به مدلسازی تغییرات آب و هوایی و پیشبینی دقیقتر شرایط جوی کمک کنند
6. شبیهسازی کوانتومی:
o درک سامانههای کوانتومی: کامپیوترهای کوانتومی میتوانند با شبیه سازی سایر سیستمهای کوانتومی در حل مسائل مربوط به فیزیک ماده چگال و نظریه میدانهای کوانتومی نقش موثری ایفا کنند.
4. محتوای تاریخی
مسیر رسیدن به کامپیوتر کوانتومی با فرمولبندی مکانیک کوانتومی آغاز شد:
1- مکانیک کوانتومی اولیه (دهه 1920):
اصول مکانیک کوانتومی در اوایل قرن بیستم شکل گرفت و دانشمندانی مانند ماکس پلانک، نیلز بور و آلبرت اینشتین نقش کلیدی در توسعه آن داشتند. کارهای آنها پایهای برای درک پدیدههای کوانتومی ایجاد کرد، هرچند این تحقیقات مستقیماً با محاسبات ارتباطی نداشت.
2- نظریه اطلاعات کوانتومی (دهه 1980):
در دهه 1980، فیزیکدانی به نام ریچارد فاینمن پیشنهاد داد که سامانههای کوانتومی را میتوان با استفاده از مکانیک کوانتومی به طور کارآمدتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک شبیهسازی کرد. در سال 1981، او طی یک سخنرانی مهم، محدودیتهای کامپیوترهای کلاسیک را در شبیهسازی سامانههای کوانتومی برجسته نمود.
دیوید دویچ (۱۹۸۵) مفهوم یک رایانه کوانتومی جهانشمول را معرفی کرد و نشان داد که این نوع رایانه میتواند از نظر تئوری هر فرآیند فیزیکی را شبیهسازی کند.الگوریتم شور (1994):
3- الگوریتم شور:
4- پیتر شور الگوریتمی کوانتومیای را توسعه داد که میتوانست اعداد بزرگ را بسیار سریعتر از بهترین الگوریتمهای کلاسیک شناخته شده تجزیه کند. این کشف، پتانسیل کامپیوترهای کوانتومی را برای شکستن روشهای رمزنگاری رایج نشان داد و علاقه زیادی به رایانش کوانتومی ایجاد کرد.
5- الگوریتم گروور (1996):
لاف گروور لاو گروور الگوریتمی ارائه داد که میتوانست پایگاههای داده نامرتب را سریعتر از هر الگوریتم کلاسیکی جستجو کند. این کار برتری رایانش کوانتومی در وظایف خاص را بیشتر نشان داد.
6- تصحیح خطای کوانتومی (دهه 1990):
پژوهشگرانی مانند پیتر شور و جان پرسکیل روشهایی برای تصحیح خطای کوانتومی معرفی کردند که به چالشهای حفظ یکپارچگی اطلاعات کوانتومی در برابر نویز و وادوسی پاسخ دادند.
7- پیادهسازی فیزیکی (دهه 2000 تا کنون):
در اواخر قرن بیستم و اوایل قرن بیست و یکم، پیشرفتهای قابل توجهی در تحقق فیزیکی کامپیوترهای کوانتومی رخ داد. فناوریهای مختلفی مانند کیوبیتهای ابررسانا، یونهای به دام افتاده و کیوبیتهای توپولوژیکی مورد بررسی قرار گرفتند تا کامپیوترهای کوانتومی مقیاسپذیر ساخته شوند.
در سال 2019، گوگل اعلام کرد که به «برتری کوانتومی» دست یافته است، به این معنا که پردازنده کوانتومی آنها توانست وظیفهای خاص را سریعتر از پیشرفتهترین کامپیوترهای کلاسیک انجام دهد.