دانلود تحقیق چرا کامپیوتر کوانتومی مطالعه می‌شود؟

در جامع رایج، کامپیوترها،‌ در همه جا، روز و شب به کار می‌روند.

کامپیوترها در زندگی معمولی ما و حرفه‌ ما نقش اصلی را دارند.

اخیراً‌ هنگام به کارگیری کامپیوترهای کنونی، در موقعیتهای مختلف با مشکلاتی مواجه شده‌ایم.

یکی از این مشکلات اطمینان به ارتباط بین کامپیوترها در شبکه می‌باشد.

این مشکل جدی است.

هنگامی که یک مدرک سری بین دو کامپیوتر مبادله می‌شود می‌تواند توسط دسته ‌سومی از کامپیوترها هم خوانده شود.

برای پیشگیری از چنین مشکلاتی سیستم های رمزی مورد توجه قرار گرفت و به صورت وسیع بر روی آن تحقیق شد.

از میان انواع مختلف سیستمهای رمزی، سیستمهای رمزی کلید عمومی RSA بیشتر استفاده شد.

این سیستمها بر اساس عامل مشترک یک عدد صحیح بزرگ عمل می‌کنند که به سختی انجام می‌شود و یا ممکن است حتی با ابرکامپیوترهای رایج هم سالها طول بکشد،‌ تا حل شود.

طرح رمزی کنونی به وسیله ‌ تمرکز بر یک نقطه کم توان کامپیوتر انجام می‌شود.

از آنجایی که ساختن این سیستمها ساده است به صورت معمول در ارتباط بین کامپیوترها به کار می‌روند.

هر چند در سال 1994، p-shor در آزمایشگاه «AT, T » کشف کرد که چنین عامل مشترکی ممکن است با یک نمونه کامپیوتر که ماشینی ترینگ کوانتومی خوانده می‌شود و اساس یک کامپیوتر کوانتومی است،‌ بسیار سریع تر محاسبه می‌شود.

این کشف به نوعی به کامپیوتر کوانتومی برجستگی داده است که ممکن است به رمز گشاینده‌ های کامپیوتر فرصت دهد تا با موفقیت،‌ حتی به نفوذ ناپذیرترین سیستمهای طرح رمزی عملاً‌ در زمانی کوتاه یورش برند.

بر خلاف اطلاعات عددی 0 و 1 پردازش کامپیوترهای رایج، کامپیوتر های کوانتومی موقعیت بالای 0 و 1 را پردازش می‌کنند.

(به عنوان مثال 0 در بعضی از درصدها و نیز 1 در بعضی درصدها) بنابراین مورد اخیر با مورد قبلی تفاوت دارد.

دلیل دیگری برای اینکه چرا پیدایش کامپیوترهای کوانتومی پیش بینی شده است وجود دارد و آن این است که حل عامل مشترک اعداد بزرگ با کامپیوترهای کلاسیک بسیار مشکل است.

پس آیا کامپیوترهای سریع می‌توانستند چنین عامل مشترکی را به راحتی حل کنند؟

سرعت بالای کامپیوترها بستگی به سرعت بالای cpu ها دارند و ساختن cpu ها سریعتر هم احتیاج به ترکیب مقیاس بزرگتری از cpu ها دارد که می‌تواند در تراکم بالاتر ترانزیستورهای cpuهای مشابه در نظر گرفته شود.

با این حال، آن ترانزیستورها،‌ هنگام نزدیک نمودن به اندازه اتمها یعنی جایی که با علم مکانیک کوانتومی عمل کردند به محدودیتهای فیزیکی اساسی رسیدند.

Cpu ها برای کامپیوترهای کوانتومی شامل المانهای اصلی مثل الکترونها و فوتونها خواهد بود.

بنابراین الکترونها و فوتونها می‌توانستند بسیار کوچکتر از ترانزیستورهایی باشند که در کامپیوترهای کلاسیک به کار می‌روند.

اندازه ‌ کنترل کننده‌هایی که این المانهای کوچک را کنترل می‌کنند به میزان پیشرفت علم و تکنولوژی بستگی خواهد داشت.

با این حال اکثر دانشمندان و محققان در آزمایشگاههای دانشگاه و مؤ‌سسه‌ها تصدیق نمودند که کارهای عقب مانده بسیاری برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی مفید عملی یا تجاری وجود دارد.

کامپیوتر کوانتوم: کامپیوتر کوانتوم طرحی است که کاربرد «ماوراء‌موقعیتهای»‌ کیفیتهای کوانتوم را بررسی می‌کند.

کامپیوترهای کوانتوم کوچک اخیراً‌ ساخته شده و در حال پیشرفت می‌باشند.

پیش بینی می‌شود که با ساخت کامپیوترهای کوانتوم در مقیاس بزرگتر بتوان مسائل معین و ویژه‌ای را سریعتر از کامپیوترهای کلاسیک حل کرد.

کامپیوترهای کوانتوم با کامپیوترهای کلاسیک نظیر برخی «کامپیوترهای کوانتوم نقطه‌ای» , «کامپیوترهایDNA» و «کامپیوترهای ترانزیستوری» تفاوت دارند با وجود آن همه ‌ آنها از عوامل مکانیکی کوانتوم متفاوت با کیفیت ماوراء‌ موقعیتها استفاده می‌کنند.

ساختار کامپیوترهای کوانتوم: در مکانیک کوانتوم،‌ قرار گرفتن یک ذره در دو مکان یا موقعیت در یک زمان معین امکان‌پذیر می‌باشد.

این کاملاً‌ مشابه schrodinger;s cat می‌باشد که در یک زمان هم زنده و هم مرده است.

توانایی قرار داشتن در چند موقعیت مختلف در یک زمان معین را «ماوراء موقعیت» می‌نامند.

یک کامپیوتر کلاسیک دارای حافظه‌ای است که متشکل از «بیتها»‌ می‌باشد.

هر بیت در برگیرنده 1 و 0 است.

طرح توسط کنترل این بیتها محاسبه می‌شود.

یک کامپیوتر کوانتوم شامل یک سری «کیوبیتها» می‌باشد.

هر کیوبیت می‌تواند تنها در برگیرنده یک و یا صفر و یا یک و صفر باشد.

به عبارت دیگر قادر به در برگرفتن یک و صفر بطور همزمان می‌باشد.

محاسبه در کامپیوترهای کوانتوم توسط کیوبیتها انجام می‌شود.

یک کامپیوتر کوانتوم با بکارگیری ذره کوچکی که دارای دو موقعیت هستند عمل می‌کند.

کامپیوترهای کوانتوم ممکن است از اتمهایی ساخته شده باشند که در یک زمان هم تحریک شده و هم تحریک نشده باشند و یا امکان دارد از «فوتون‌های»‌نوری ساخته شده باشند که همزمان در دو مکان مختلف قرار داشته باشند.

ممکن است از پروتونها و نوترونهایی تولید شده باشند که همزمان دارای اسپین «بالا» و «پایین» باشند.

یک مولکول میکروسکوپی قادر به در برگرفتن چندین هزار پروتون و نوترون می‌باشد.

و ممکن است به عنوان کامپیوتر کوانتوم که دارای هزاران کیوبایت می‌باشد به کار رود.

کامپیوترهای کوانتوم کاربردی: David Divincenzo از IBM به نیازهای زیر برای یک کامپیوتر کوانتوم کاربردی توجه کرده است: قابلیت درجه بندی از لحاظ فیزیکی به منظور افزایش تعداد کیوبیتها برای مقادیر اختیاری کیوبیتها را می‌توان در ابتدا قرار داد گیتهای کوانتومی از decoherence سریعتر اند کیوبیتها به سهولت قابل خواندن هستند.

قدرت کامپیوترهای کوانتومی: بدست آوردن و یافتن شمار زیادی از فاکتور پریم بسیار مشکل می‌باشد.

مسأله فاکتورگیری عدد صحیح برای یک کامپیوتر معمولی مشکل به نظر می‌رسد.

یک کامپیوترکوانتوم قادر به حل سریع این مسأله می باشد.

اگر یک عدد شامل n بیت باشد (ارقام n زمانیکه روی سیستم باینری نوشته شوند بسیار طولانی هستند).

بنابراین یک کامپیوتر کوانتوم تنها با 2n کیوبیت قادر به یافتن عامل مشترک می‌باشد.

همچنین می‌تواند به حل مسأله مرتبط به آن که لگاریتم مطلق discretelog نامیده می‌شوند بپردازد.

این توانایی به کامپیوترهای کوانتوم اجازه می‌دهد که بسیاری از سیستمهای رمزی مورد استعمال امروزی را نقض کنند.

بسیاری از کلیدهای نوشته‌های رمزی که شامل اشکال El Gammal,RSA و Diffie- Helman می‌باشند به سرعت باز می‌شوند.

اینها امنیت صفحات web و e-mail و سری و انواع گوناگون اطلاعات را تأمین می‌کنند.

در نتیجه نقض اینها حائز اهمیت است.

تنها راه برای ساختن الگوریتمی شبیه به RSA ،‌ تهیه ‌ کلیدی بزرگتر از بزرگترین کامپیوتر کوانتوم قابل تولید می‌باشد.

به نظر می رسد که ساخت کامپیوترهای قدیمی که با بیتهای بیشتری نسبت به کیوبیتهای موجود در بزرگترین کامپیوتر کوانتوم دارند همیشه امکان پذیر است اگر این حقیقت داشته باشد.

بنابراین الگوریتم های مشابه RSA قابل اعتماد ،‌ ساخته می‌شوند.

اگر یک کامپیوتر کوانتوم بر اساس مولکولهای پروتون و نوترون بود شاید بسیار کوچک می‌نمود، اما قادر به فاکتورگیری اعداد صحیح بود.

یک کامپیوتر کلاسیک که الگوریتمهای معینی را بکار می‌گیرند نیز می‌توانست آن اعداد صحیح را فاکتورگیری کند اما به انجام رسانیدن آن قبل از افول خورشید باید بزرگتر از جهان شناخته شده باشد و ساخت آن مشکل است.

شگفت انگیز نیست،‌ کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برای شبیه سازی مکانیک کوانتومی استفاده شوند.

عمل فاکتورگیری قابل تسریع بود و می‌توانست برای بسیاری از فیزیکدانان کاربردی محسوب شود.

مزیت کامپیوترهای کوانتومی به دلیل وجود سه مسأله شناخته شده‌اند: فاکتورگیری – لگاریتم مطلق و شبیه سازی فیزیکهای کوانتومی و مسأله دیگر این است که کامپیوترهای کوانتوم دارای مزیت ویژه دیگری هستند و آن جستجوی اطلاعات کوانتوم می‌باشد که توسط الگوریتم گراور قابل حل است.

فرض کنید مسأله‌ای نظیر پیدا کردن اسم رمزی که بتوان یک فایل را باز کرد وجود دارد.

این مسأله دارای این چهار ویژگی است: تنها راه حل آن حدس زدن پاسخها بطور مکرر و ثبت کردن آنهاست.

n جواب قابل چک کردن وجود دارد ثبت کردن تمامی پاسخهای قابل چک کردن به مدت زمان مشابه‌ای نیازمند است.

راهنمایی وجود ندارد که پاسخ صحیح را نشان دهد.

ایجاد پاسخهای قابل قبول در بعضی دستوارت ویژه به مشکل چک کردن آنها می‌باشد.

برای مسألی با این 4 ویژگی ،‌ بطور میانگین n/2 حدس برای یافتن پاسخ در یک کامپیوتر کلاسیک نیاز است.

مدت زمان لازم برای یک کامپیوتر کوانتومی برای حل این مسأله با جذر متناسب است.

که موجب افزایش سرعت و کاهش زمان حل بعضی مسائل از چندین سال به چندین ثانیه می‌شود.

که برای رمزگشایی رمزهای قرینه‌دار نظیر AES , 3DES قابل استفاده می‌باشد.

اما دفاع در مقابل آن نیز آسان است.

می‌توانید اندازه ‌ کلیدهای رمز را دو برابر کنید.

روشهای پیچیده بسیاری برای ارتباط مطمئن نظیر استفاده از نوشته ‌ رمزی کوانتوم وجود دارند.

زمانیکه کامپیوترهای کوانتوم سرعت بیشتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند هیچ مشکلی عملاً‌ وجود ندارد.

تحقیق ادامه داشته و شاید مسائل دیگری یافت شوند.

کامپیوتر کوانتوم مقدمه ای توسط جاکوب وستا 28 آوریل سال 2000 کامپیوتر کوانتوم چیست؟

کامپیوتر خود را در نظر بگیرید.

کامپیوتر شما اوج پیشرفت تکنولوژی را نشان می‌دهد،‌ که از ایده ‌ اولیه ‌ چارلز (1871-1791) و اختراع اولین کامپیوتر با موتور آلمانی در سال 1941 نشأت می‌گیرد.

هر چند جای تعجب دارد که سرعت بالای کامپیوتر مدرن شما با انواع قدیمی آن که 30 تن وزن داشت و مجهز به 18000 لامپ خلاء و 500 مایل کابل ارتباطی بود،‌تفاوت چشمگیری ندارد.

کامپیوتر شما اوج پیشرفت تکنولوژی را نشان می‌دهد،‌ که از ایده‌ اولیه‌ چارلز (1871-1791) و اختراع اولین کامپیوتر با موتور آلمانی در سال 1941 نشأت می‌گیرد.

کامپیوترها به تدریج فشرده (کوچکتر) می‌شوند و بطور قابل توجهی در اجرای وظایف سریعتر عمل می‌کنند،‌ اما وظایف یکسان است،‌ یعنی: کنترل و تفسیر بیت‌های کد گذاری شده برای کسب نتایج محاسباتی مناسب.

یک بیت واحد اصلی اطلاعات است که معرف صفر یا یک در کامپیوتر دیجیتال شماست.

هر کامپیوتر کلاسیک (قدیمی) از طریق سیستم فیزیکی مرئی آن قابل شناسایی است: مثل دیسک‌های سخت مغناطیس شده و باتری پشتیبان.

بعنوان مثال: یک سند ، ‌کاراکترهای ذخیره شده روی درایو هارد دیسک (دیسک سخت) در یک کامپیوتر کلاسیک می‌باشد.

(طبق آنچه که قبلاً‌ در باره‌ نحوه‌ ذخیره شدن بر اساس ارقام صفر و یک توضیح داده شد).

در اینجا تفاوت اساسی که بین یک کامپیوتر کلاسیک با کامپیوتر کوانتوم وجود دارد این است که : کامپیوتر کلاسیک قوانین فیزیکی معرفی شده را انجام می‌دهد.

اما کامپیوتر کوانتوم وسیله ای است که پدیده فیزیکی مجزایی را به منظوردرک اساس پردازش اطلاعات در وجهی جدید،‌ معرفی می‌کند (نشان می‌دهد).

در یک کامپیوتر کوانتوم واحد اساسی اطلاعات کیویا کیوبیت (q or qubit) است،‌ و ماهیت آن دودویی نیست بلکه چهارتایی است.

این نوع کامپیوتر با این واحد بر اساس قوانین کوانتومی (ذره‌ای،‌کمیتی) کار می‌کند که اساساً‌ با قوانین فیزیک کلاسیک تفاوت دارد.

یک کیوبیت مثل یک بیت در کامپیوتر کلاسیک می‌تواند حالتی از صفر و یک باشد و یا ترکیبی از صفر و یک باشد.

بعبارتی دیگر در یک حالت سوپر یک کیوبیت می‌تواند بصورت صفر،‌ یک یا هر دو (صفر و یک) بعنوان یک ضریب برای تشکیل جمله یا کلمه نشان داده شود.

از آنجا که پدیده‌ها بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک و نه مکانیک کوآنتومی ،‌قانون بندی شده‌اند،‌ این نوع کامپیوتر ها (کامپیوترهای کوآنتوم) بیشتر در سطح اتمی مطرح می‌شوند.

این مفهوم نسبی احتمالاً‌از طریق یک آزمایش بهتر توضیح داده می‌شود.

تصویر a را در نظر بگیرید،‌ در این تصویر یک فوتون از یک منبع نور به یک آینه‌نیم نقره تابیده می‌شود.

شکل (a) این آینه نیمی از نور را بطور عمودی به دریافت کننده‌ ردیاب A و نیمی دیگر را بطور افقی به B می‌تاباند در واقع ،‌ یک فوتون یک دسته‌ مجزای نور است که به تنهایی دیده نمی‌شود و باید از طریق A و B بطور مساوی رؤیت شود.

تصور کلی بر این است که فوتون به طور تصادفی بر سطح آینه افقی و عمودی منعکس می‌شود.

در صورتیکه علم مکانیک پیش بینی می‌کند که فوتون در واقع هر دو مسیر عمودی و افقی را بطور همزمان می‌پیماید.

این موضوع در شکل b بیشتر روشن می‌گردد.

شکل (b) در آزمایش‌هایی مشابه آزمایش انجام شده در تصویر a وقتی یک فوتون به آینه تابیده می‌شود،‌ می‌توان نشان داد که یک فوتون واقعاً‌ در جهات مختلف منتشر نمی‌شود و حتی اگر دریافت کننده علامتی ثبت کند (نشان دهد).

و هیچ دریافت کننده‌ دیگری هم قادر نیست این عمل را انجام دهد،‌ با توجه به این اطلاعات محدود،‌ ممکن است کسی اینگونه تصور کند که هر فوتون که عمودی یا افقی منتشر می‌شود یکی از این دو مسیر را بطور تصادفی انتخاب می‌کند اما علم مکانیک کوآنتوم می‌گوید: فوتون در دو جهت بطور همزمان منعکس می‌شود.

این موضوع بنام «دخالت ذره» معروف شده است که در تصویر b بیشتر توضیح داده می‌شود.

در این آزمایش فوتون ابتدا به یک آینه نیم نقره،‌ سپس به یک آینه‌ تمام نقره و در نهایت به یک آینه نیم نقره‌ دیگر ،‌تابیده می‌شود،‌بیش از اینکه به دریافت کنندهA برسد.

می‌دانیم که هر آینه‌نیم نقره فوتون را در دو جهت منعکس می‌کند.

وقتی فوتون به اولین آینه میرسد مانند آنچه در تصویر a مشاهده نمودید یعنی طبق فرضیه ممکن است به دریافت کننده‌ A یا Bبرسد.

اما تجربه نشان می‌دهدکه دریافت کننده‌A کاملاً‌ نور را ثبت می‌کند در حالیکه در دریافت کننده B هرگز چنین اتفاقی نمی‌افتد این امر چگونه امکان پذیر خواهد بود؟

شکل b نمایانگر آزمایش جالبی است که پدیده «دخالت ذره مجزا» را نشان می‌دهد.

در این نمونه،‌ آزمایش نشان میدهد فوتونی که به دریافت کننده‌ A می‌رسد.

هرگز به دریافت کننده‌ B نمی‌رسد،‌اگر یک فوتون به طور عمودی به آینه بتابد، باید در دو جهت منعکس شود،‌ همانطور که در تصویر a مشاهده نمودید و اگر به طور افقی هم به آینه بتابد ، بازهم در دو جهت بطور مساوی منعکس شود.

اما نتیجه چیز متفاوتی را نشان می‌دهد.

تنها نتیجه قابل تصور این است که فوتون تا حدی به هر دو مسیر،‌ بطور همزمان فرستاده می‌شود.

اما بدلیل وجود یک ذره‌ متقاطع احتمال دریافت علامت از سوی دریافت کننده‌B از بین می‌رود.

این پدیده «دخالت کوآنتوم»‌نامیده می‌شود و نتیجه ‌آن حالتی است که در بالا توضیح داده شد.

بنابراین هر چند یک فوتون مجزا بعنوان یک فوتون معرفی شده موجود است و در مسیری حرکت می‌کند که دریافت نمی‌شود،‌ اما پدیده‌ دخالت باعث می‌شود که وقتی دو فوتون بهم می‌رسند یک فوتون اصلی تکشیل شود.

اگر بعنوان مثال ،‌ هر دو مسیر توسط یک صفحه‌ جذب کننده‌نور بسته شود،‌ سپس دریافت کننده‌ ‌B شروع به ثبت ضربه‌هایی می‌کند،‌ همانطور که در آزمایش نشان داده شد.

این خصوصیت منحصر به فرد جریان علم را بر اساس کوآنتوم طبق عقیده‌ امروزی،‌ نه صرفاً‌ یک روند قابل تداوم بلکه شاخه‌ جدید از تفکر معرفی می‌کند.

و به این دلیل است که کامپیوتر کوآنتوم با استفاده از این خصوصیات ویژه ، پتانسیلی به ما می‌رسد که در ابزار محاسباتی قوی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پتانسیل (انرژی ذخیره‌ای) و قدرت محاسباتی کوآنتوم در یک کامپیوتر قدیمی اطلاعات در یک سری از بیت‌ها کد گذاری شده و از طریق گیتهای Boolean که در یک ردیف مرتب شده‌اند،‌ برای کسب نتیجه‌ صحیح ،‌ کنترل می‌شوند.

بطور مشابه در یک کامپیوتر کوآنتوم ، کیوبیت‌ها به وسیله‌ گیتهای کوآنتوم که هر کدام یک نوع انتقال جداگانه فراهم می‌کند و بر روی یک یا چند کیوبیت عمل می‌کند،‌ کنترل می‌شوند.

در بکارگیری این گیتها در یک ردیف (سری) یک کامپیوتر کوآنتوم به منظور تنظیم کیوبیتها به حالت اولیه، فرآیند انتقال مجزا (جداگانه) را پیچیده می‌کند.

سپس می‌توان اندازه‌گیری کرد،‌که با این اندازه گیری نتیجه‌نهایی کامپیوتر حاصل می‌شود.

پس تشابه محاسباتی بین کامپیوتر کلاسیک و کوانتوم این نتیجه را در تئوری به دست می‌دهد که صحت عملکرد یک کامپیوتر کلاسیک به اندازه‌یک کامپیوتر کوانتوم است.

به عبارت دیگر یک کامپیوتر کلاسیک باید قادر به انجام هر عملی باشد که کامپیوتر کوآنتوم می‌تواند.

پس چرا کامپیوتر کوآنتوم دردسر ایجاد می‌کند؟

در واقع هر چند از لحاظ تئوریکی یک کامپیوتر کلاسیک ،‌ می‌تواند وظایفی را که کامپیوتر کوآنتوم انجام می‌دهد،‌ داشته باشد.

ولی از لحاظ محاسباتی مشکل ایجاد می‌شود زیرا همبستگی بین بیت‌های کوآنتومی بطور مساوی متفاوت از همبستگی میان بیت‌های کلاسیک است،‌(همانطور که توسط جان بل توضیح داده شد.) بعنوان مثال یک سیستم چند صدکیوبیتی را در نظر بگیرید، طبق نظریه‌ هیلبرت این سیستم در ابعاد تقریبی 1090 ممکن خواهد بود و برای حالت مشابه ،‌ مستلزم کامپیوتر کلاسیکی با منبع بزرگ است یعنی باید بزرگتر از کامپیوتر کوانتوم اولیه باشد.

ریجارد فیمن ،‌ جزء اولین کسانی بود که انرژی پتانسیل را در بهترین وضعیت کوآنتوم برای حل سریع مشکلاتی اینچنین ،‌ کشف نمود.

مثلاً‌ 500 کیوبیت که برای حالت مشابه کلاسیکی غیر ممکن است،‌ در بهترین حالت کوآنتومی نزدیک به 2500 است و در حالت کلاسیکی بصورت s’O و s’1 500 نشان داده می‌شود.

هر عملکرد کوآنتومی بر آن سیستم ضربات خاصی از امواج رادیویی است،‌ مثلاً‌ عملی که ممکن است از لحاظ عملکرد در 100 کیوبیت سوم و 101 کیبوبیت اول،‌ کنترل شده نباشد،‌در حالت مشابه 2500 عمل می‌کند.

بنابراین بلافاصله از بین می‌رود،‌ یک عملکرد کوآنتومی باید نه تنها بر روی یک ماشین بلکه بر 2500 ماشین (دستگاه) در یک لحظه عملیات محاسباتی انجام دهد.

هر چند سیستم باید به یک حالت کوآنتومی برای بدست آوردن یک جواب،‌ تبدیل شود،‌ یک لیست s’O و s’1 500 برای اندازه گیری بر اساس قواعد مکانیک کوآنتوم پیشنهاد می‌شود.

در نتیجه جوابی مناسب از توازی کوآنتومی در بهترین وضعیت آن بدست می‌آید که عملکرد مشابه آن در بهترین حالت کلاسیک از طریق پردازشگرهای مجزای 10150 می‌باشد.

ارزیابی اخیر در این زمینه طبیعتاً‌ مربوط می‌شود به نیروی محاسباتی عظیم پتانسیلی و سپس شناخت این پتانسیل و کشف عملکردهایی که کامپیوتر کوانتوم بر اساس آن می‌تواند انجام دهد.

«پیترشور» (peter shor) یک متخصص کامپیوتر از لابراتورهای AT&T, Sbell در ایالت جرسی با اختراع اولین کامپیوترهای کوآنتوم الگوریتمی ،‌ کاربرد جدیدی ایجاد کرد.

الگوریتم «شور» قدرت کوانتوم را در حالت سوپر.

و عامل سرعتهای زیاد را در بحث از ثانیه‌ها نشان می‌دهد.

(تقریباً‌ 10200 رقم و حتی بزرگتر) .

منظور از کاربرد این نوع کامپیوترهای کوآنتوم،‌ قابلیت تجهیزات آن در زمینه‌ حفره‌هایی که بعد ها کد گذاری می‌شود،‌ شناسایی مشکلات ایجاد شده،‌ و فاکتورگیری از شمار اعداد بزرگ می‌باشد.

کامپیوتری که بتواند این عملیات را انجام دهد طبعاً‌ در آژانس‌های رسمی (قانونی)‌ که از RSA استفاده می‌کنند ( قبلاً‌ بعنوان غیر قابل نفود un crackable معرفی شد.) و بطور خصوصی در عملیات الکترونیکی و مالی استفاده می‌شود.

با توجه به اینکه کدبندی تنها یکی از کاربردهای کامپیوتر کوآنتوم است.

شور مجموعه‌ای از عملکرد های محاسباتی را که فقط در یک کامپیوتر کوآنتوم قابل اجراست فراهم کرده است.

بعضی از اینها در عمل فاکتورگیری الگوریتمی استفاده شده‌اند.

بنابراین فیمن ادعا کرد که کامپیوتر کوآنتوم می‌تواند بعنوان نموداری از فیزیک کوآنتو می‌باشد که بطور بالقوه می‌تواند راه جدید کشفیاتی در این زمینه باشد.

بطور رایج با توجه به قدرت و گنجایش کامپیوترهای کوآنتوم،‌ عملکرد اولیه‌این کامپیوتر بی شک کاربردهای جدید و جالبی ایجاد خواهد نمود.

یک تاریخچه‌ مختصر از محاسبات کوآنتومی ایده ‌یک وسیله ‌محاسباتی بر پایه ‌مکانیک کوآنتومی در دهه‌1970 و اوایل 1980 توسط فیزیکدانان و متخصصان کامپیوتر صادر شد: دانشمندانی چون ، چارلز بنت از مرکز تحقیقاتی IBM Thomasj.

Waston بنی اف از آزمایشگاه بین المللی آرگون در ایلینوئیس،‌ دیوید دیاچ از آکسفورد و بالاخره ریچارد پی فیمن از انیستیتوی تکنولوژی در کالیفرنیا (کالتچ).

این ایده زمانی پدیدار شد که دانشمندان در حال تفکر در اساس محاسبه بودند.

آنها دریافتند که اگر تکنولوژی تداوم یابد تا توسط قانون ثابت شود،‌ باید اندازه مدارات قرار گرفته روی سیلیکن پیوسته کوچکتر شود تا جایی که اندازه عناصر مجزا بزرگتر از یک اتم نشود.

در اینجا یک مشکل پیش می‌آید و آن اینکه در مقیاس اتمی،‌پدیده‌های فیزیکی از لحاظ ماهیتی ،‌کوآنتومی هستند نه کلاسیک.

و این سؤال بوجود آمد که آیا یک کامپیوتر شناخته ‌شده جدید می‌تواند بر اساس قوانین فیزیک کوآنتوم طراحی شود.

فیمن جزء‌اولین کسانی بود که با ارائه یک مدل انتزاعی در سال 1982 نشان داد که چگونه یک سیستم کوآنتومی برای انجام محاسبات استفاده می‌شود.

همچنین او توضیح داد که چگونه چنین دستگاهی بعنوان یک مدل برای فیزیک کوآنتومی باید عمل کند.

به بیان دیگر یک فیزیکدان باید قادر به انجام آزمایشاتی براساس فیزیک کوآنتوم در یک کامپیوتر کوآنتوم باشد.

بعدها،‌در سال 1985 دیاچ (deutsch) دریافت که ادعای فیمن می‌تواند مشروط به هدف کلی کامپیوتر کوآنتوم باشد و بعنوان یک فرضیه‌اساسی منتشر شد،‌ برای نشان دادن این موضوع که هر فرآیند فیزیکی ،‌ در اصل می‌تواند مدلی تکمیلی برای کامپیوتر کوآنتوم باشد.

بنابراین یک کامپیوتر کوآنتوم باید قابلیت های یک کامپیوتر کلاسیک را داشته باشد.

بعد از اینکه دیاچ این مقاله را چاپ کرد شروع به یافتن کاربردهایی برای این وسیله نمود.

متأسفانه همه‌آنچه که می‌توانست یافت شود،‌ مسائل ریاضی طرح شده بود.

تا زمانی که shor در سال 1994 مقاله‌ای چاپ کرد که در این مقاله راه حل اینگونه مسائل در یک تئوری مطرح شده بود،‌این راه حل فاکتورگیری نامیده شد.

او نشان داد که چگونه مجموعی از عملکردهای ریاضیاتی طرح شده برای کامپیوتر کوآنتوم می‌تواند توسط عمل فاکتورگیری سازمان دهی شود با سرعتی که در مقایسه با کامپیوترهای قدیمی قابل مقایسه نبود.

با این پیشرفت غیر منتظره محاسبات کوآنتومی از سطح آکادمیک به یک مسئله بین المللی تبدیل شد.

موانع و تحقیقات زمینه‌ پردازش اطلاعات کوآنتومی پیشرفت‌هایی را ایجاد کرده است که مفهوم آن شامل ساختن دو سه کامپیوتر کوآنتومی است که قادر به انجام بعضی محاسبات ساده و طبقه بندی داده‌هاست.

مشکلات اساسی که هنوز باقی مانده و ما را از ساخت دقیق باز می‌دارد، ساختن کامپیوتری کوآنتومی است که بتواند با کامپیوترهای مدرن امروزی رقابت کند.

در میان این مسائل مهمترین مشکلات تصحیح اشتباهات،‌ عدم هماهنگی و نحوه‌ ساختن کامپیوتر است.

تصحیح اشتباهات (غلط ها) بیشتر توضیحی (تشریحی) است،‌ اما چه غلط‌هایی نیاز به تصحیح دارند.

پاسخ آن نتیجه‌ مستقیم عدم هماهنگی است یا تمایل یک کوآنتوم برای تغییر از حالت کوآنتوم داده شده به حالت عدم هماهنگی است بطوریکه عکس‌العمل پیچیده‌ای را با حالت محیطی ایجاد نماید.

این عکس العملها بین محیط و کیوبیت ‌ها غیر قابل اجتناب است و باعث از بین رفتن ذخائر در کامپیوتر کوآنتوم و بنابراین ایجاد غلط در محاسبات می‌شود.

قبل از اینکه کامپیوتر کوآنتوم قادر به حل مسائل سخت باشد تحقیقات راه حلی برای تداوم عدم هماهنگی و منابع مهمی از اشتباهات در یک سطح بود.

جا دارد تشکر کنیم از تئوری تصیح غلط کوآنتومی بنام (و اکنون واقعیت) که در سال 1995 پیشنهاد شد و پیشرفت آن تاکنون ادامه یافت،‌ تا جایی که کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کوچک ساخته شود منجر به ساخت کامپیوترهای کوآنتوم بزرگتر شد که احتمالاً‌ مهمترین ایده در این زمینه کاربرد تصحیح غلط ها در فاز عدم هماهنگی بود و هدف آن خلاصه کردن اطلاعات و کاهش غلط‌ها در یک سیستم ،‌اما بدون اندازه‌گیری دقیق آن سیستم بود.

در سال 1998 ،‌ تحقیقات در آزمایشگاه بین‌المللی و ام.

آی.

تی توسط ریموند لافلام منجر به انجام این آزمایش شد.

یک بیت مجزا از اطلاعات کوآنتومی (کیوبیت) در میان سه هسته قرار گرفت که هر کدام در یک حلال مایع آلانین یا مولکولهای تری کلرواتیلن قرار گرفته بود.

آنها استفاده از تکنیکهای شدت مغناطیس هسته‌ای (NMR) را هماهنگ کردند.

این آزمایش بسیار مهم بود زیرا جداسازی اطلاعات کار بسیار سخت بود.

مکانیک کوآنتومی به ما می‌گوید که اندازه‌گیری مستقیم کیوبیت‌ها وضعیت موجود را از بین می‌برد ( خراب می‌کند) از طریق فشار آوردن برای تبدیل به حالت صفر ویک .

تکنیک‌های جداسازی اطلاعات به محققان اجازه می‌دهد که خصوصیت ایجاد اشتباه را برای مطالعات تقابلی بین حالت‌های مختلف با استفاده از تجزیه‌اطلاعات کوآنتومی اندازه گیری نمایند.

توضیح بیشتر اینکه گروه اسپینها را به منظور درک اختلاف بین آنها،‌ با هم مقایسه می‌کند بدون در نظر گرفتن خود اطلاعات.

این تکنیک به آنها توانایی اصلاح اشتباهات را در یک فاز هماهنگ کیوبیت می‌دهد و بر اساس آن تداوم این هماهنگی در سیستم کوآنتومی را منجر می‌شود.

این موضوع بحث شک و امید را برای پیروان خود ایجاد کرد و بالاخره تحقیقات در زمینه‌تصحیح اشتباهات توسط گروههایی در کالتچ (پرسکیل،‌کیمبال) میکرو سافت ،‌لسالاموس،‌ و مناطق دیگر صورت گرفت.

تا اینجا تنها تعداد کمی از امتیازات محاسبات کوآنتومی و کامپیوترهای کوآنتومی مشهور است.

اما قبل از اینکه احتمالات بیشتر از بین بروند باید آنها را در یک تست قرار دهیم.

بدین منظور ابزار مورد نیاز کامپیوتر کوآنتوم باید ساخته شوند.

هر چند محاسبات سخت افزاری کوآنتوم هنوز در مرحله‌ آزمایش است اما شدت مغناطیس هسته‌ای ،‌ بعنوان مهمترین ترکیب در ساختار سخت افزاری کوآنتوم مطرح است.

سال گذشته یک گروه از آزمایشگاه بین المللی لسالاموس و ام.

تی بعنوان اولین آزمایش کنندگان تکنولوژی شدت مغناطیس هسته‌ای در یک کامپیوتر کوآنتومی آزمایشاتی در این زمینه انجام دادند و بالاخره این تحقیقات منجر به کشف روشهایی برای مبارزه با تأثیرات مخرب عدم هماهنگی در جهت نیل به ساخت سخت افزار مطلوب،‌ برای ساختن یک کامپیوتر کوآنتومی گردید و همچنین کشف الگوریم کوآنتومی برای محاسبات موجود در این نوع وسایل را منجر شد.

طبعاً‌ این تحقیقات مربوط به تصحیح غلط ها و الگوریتم های کوآنتومی می‌باشد،‌ بنابراین گروههای زیادی بطور همزمان در این زمینه‌ها تحقیقاتی انجام دادند.

به منظور تاریخ (زمان) طراحی دریچه‌ها،‌ حفر الکترو دینامیک‌های کوآنتومی (QED) و شدت مغناطیس.

هر چند کسب این موفقیت‌ها درانجام آزمایشات،‌ محدودیت هایی به همراه داشت.

کامپیوترهای Iontrap از لحاظ سرعت،‌ در فرکانس‌های مختلف محدودیت دارند.

ابزار شدت مغناطیسی بر اساس عامل صدا شماری از کیوبیت‌ها را در سیستم افزایش می‌دهد.

حفره‌ها (کاواک) رضایت بخش هستند.

هرچند هنوز توسط کیوبیت‌ها نمایش داده نشده‌اند.

Sethlioyd از آزمایشگاه ام.

تی یکی از برجسته‌ترین محققان در علوم کوآنتوم در حال حاضر می‌باشد.

هر چند ساختار آینده سخت افزار کوآنتوم با آنجه که امروزه شناخته شده متفاوت است،‌اما تحقیقات اخیر به درک مشکلات و موانعی که در آینده ممکن است برای این ابزار بوجود آید مؤثر خواهد بود.

دورنمایی از آینده (نگاهی به آینده) در حال حاضر کامپیوترهای کوآنتوم و تکنولوژی اطلاعاتی کوآنتوم در مراحل اولیه‌اش می‌باشد.

در این مسیر مشکلاتی بوجود می‌آیند که مستلزم دانشی است که از طریق کامپیوترهای کوآنتومی بعنوان سریعترین ماشین ‌های محاسباتی در زندگی،‌ممکن خواهد بود.

تصتحیح اشتباهات (غلط‌ها)،‌ وعده‌ پیشرفت را می‌دهد.

اکنون ممکن است ما به مرحله‌ای رسیده باشیم که قادر به ساخت کامپیوترهای عظیم الجثه‌ای باشیم که در مقابل عدم هماهنگی مقاومت می‌کنند.

از سوی دیگر سخت افزار کوآنتوم بعنوان یک پدیده باقی خواهد ماند،‌اما کار انجام می‌شود.

بنابراین زمانی خواهد رسید که ابزار کافی برای تست کامپیوتر شور و الگوریتم های کوآنتومی دیگر ساخته خواهد شد.

در نهایت کامپیوترهای کوانتومی بعنوان ابزار محاسباتی دقیق ساخته خواهند شد و شاید روزی برسد که کامپیوترهای مدرن امروزی کاملاً‌ منسوخ گردد.

محاسبات کوآنتومی خاستگاه خود را در زمینه‌های تخصصی فیزیک تئوریکی در آینده حفظ خواهد نمود و بی تردید تأثیر عمیقی بر زندگی همگان خواهد داشت.

.

کامپیوتر کوآنتوم چیست؟

یک کامپیوتر کوآنتوم دارای اشکال مختلفی است که کاملاً‌ با کامپیوترهای کلاسیک (جاری) تفاوت دارد،‌ بنابراین عملیات محاسباتی را که در کامپیوترهای کلاسیک انجام شدنی نیست،‌ممکن می‌سازد.

لازمه‌درک عمل کامپیوترهای کوآنتوم ،‌ طرح یک مقوله‌ ریاضیاتی است تا مقایسه‌ بین این دو نوع کامپیوتر،‌راحت‌تر صورت گیرد.

نمایش بیت ها نمایش بیت ها در کامپیوترهای کوآنتوم کاملاً‌ متفاوت از کامپیوترهای کلاسیک می‌باشد.

بیت‌ها کوچکترین واحدهای ذخیره‌ داده‌ در کامپیوتر هستند.

که در کامپیوترهای کلاسیک با ماهیت صفر و یک ظاهر می‌شوند.

اما در کامپیوترهای کوآنتوم،‌ بیت ها نه تنها بصورت صفر و یک بلکه بصورت انطباقی از صفر و یک (superposition) هم مطرح می‌شوند.

ما می‌توانیم تفاوت احتمالات بین صفر و یک و انطباق صفر و یک را بدست آوریم.

یک بیت در کامپیوترهای کلاسیک معادل یک کیوبیت (qubit) در کامپیوترهای کوآنتوم می‌باشد.

این کیوبیت در کامپیوترهای کوآنتوم دو حالت پایه دارد: صفر و یک،‌ که معادل آن در کامپیوترهای کلاسیک هم وجود دارد.

بعنوان مثال در کامپیوترهای کلاسیک،‌صفر حالتی از صفر ولت بعلاوه‌ ولتاژ پایه و یک در واقع پنج ولت بعلاوه‌ولتاژ پایه است.

(این ولتاژ پایه برای گیتهای TTL پنج ولت در نظر گرفته می‌شود و در مقیاس بزرگتر برای گیتهای cmos تقریباً‌ 3.5 ولت است).

انتقال الکترونها در مطالعات کامپیوتری کوآنتوم به منظور نمایش فیزیکی کیوبیت‌ها قابل قبول است.

الکترون‌ها جنبش‌های درونی دارند که معادل با اصل چرخش در علم دینامیک کلاسیک است.

این اصل دو حالت دارد، ‌چرخش به سمت بالا و چرخش به سمت پایین.

به منظور نمایش کیوبیت‌ها،‌ بهتر است که چرخش‌های به سمت بالا بعنوان حالت صفر و چرخش‌های به سمت پایین برای حالت یک در نظر گرفته شود.

یک کیوبیت دقیقاً‌ معلوم نیست که کوبیت صفر است یا یک مگر اینکه در یک نمونه مطرح شود (مشاهده شود).

این حالت حالت انطباق نامیده می‌شود.

حالت (وضعیت) الکترون ها مشخص نیست،‌مگر اینکه مشاهده شود که چرخش آنها به سمت بالاست یا پایین.

چرخش الکترون ها بعنوان بهترین‌ معیار،‌ در میان سایر پدیده‌های کوآنتومی به منظور نمایش کوبیت‌ها در کامپیوترهای کوانتوم در نظر گرفته می‌شود.

در نتیجه این کامپیوترها،‌ کامپیوترهای کوانتوم نامیده می‌شوند،‌ زیرا از پدیده‌های کوآنتومی استفاده می‌کنند.

حالت انطباق بعنوان علامت و یک تنها بعد از مشاهده،‌ قابل تعریف است.

قبل از مشاهده ممکن است 0 یا 1 در یک احتمال خاص باشد.

مثلاً‌ صفر در احتمال 30% و یک در احتمال 70% در کامپیوترهای کوآنتوم علامت های صفر و یک در یک ماتریس نمایش داده می‌شود.

علامت صفر و یک بصورت مقابل نمایش داده می‌شوند.

کامپیوتر های کلاسیک: صفر یا یک بیت کامپیوترهای کوآنتوم: انطباقی از صفر و یک کوبیت حالت اصلی (اولیه) [0>: حالت تحریک (القا) شده [1>: حالت انطباقr پ [x در معادله‌ زیر نشان داده شده است،‌ این در حالتی است که r پ [0 و r پ [1 ماتریس های بالا باشند.

در این معادله a , b ارقام مرکب هستند که احتمال بزرگی نامیده می‌شوند.

توان دوم قدر مطلق احتمال بزرگی‌های r پ [1 و r پ [0 ، احتمالات r پ [1 و r پ [0 هستند در صورتیکه r پ [x مشاهده شود احتمالات r پ [1 و r پ [0 به 1 خلاصه می‌شوند.

وقتی که a, b ارقام مرکب باشند [x>[x>=a[0>+b[1> [a]2: [0>[b]2 [1> مثال بالا نمایش بیت در مورد یک کوبیت است.

در نمونه‌های دو یا چند کوبیتی بصورت زیر نمایش داده می‌شوند.

مثال برای کامپیوترهای کلاسیک (دو بیت) 01 (8 بیت) 01010101 مثال برای کامپیوترهای کوآنتوم (دو بیت) r پ 01[ (8 بیت) r پ 01010101[ کوبیت‌ها بوسیله‌ تانسور ایجاد کننده‌ ماتریس (یعنی این علامت:[]) بعنوان معرف یک کوبیت مجزا،‌ نشان داده می‌شوند شمار عناصر یک ماتریس 2 است،‌اما وقتی تانسور کشیده تر شود کامپیوترهای کوآنتوم با کامپیوترهای کلاسیک فرق دارد.

نتایج حاصل از موضوعات مطرح شده در بالا در زیر نشان داده شده است.

دو بیت ستونهای 8 کوبیتی ستونهای 16 کوبیتی در مورد n کوبیت ،‌ماتریس 2n در زیر نشان داده شد ه است.

= a1 a2 b1 b2 مدارها بنابراین ما تفاوت های بین مدارها در کامپیوترهای کلاسیک و کوآنتوم را توصیف می‌کنیم تا تفاوت‌های ستونهای بیتی ذکر شده در پاراگراف قبلی مشخص گردد.

مدارهای الکترونی در کامپیوتر های کلاسیک،‌ اغلب بصورت سه عنصر اصلی زیر می‌باشند.

این مسئله مهم است که اگر 2 بیت ورودی داشته باشیم،‌ خروجی یک بیت باشد یا 2 بیت.

یعنی 2 بیت اصلی (اولیه) نمی‌توانند از نتیجه نمودارهای AND یا OR بدست آمده باشند زیرا اینها نمودارهای کامپیوترهای کلاسیک هستند که قابل تغییر نمی‌باشند.

نمودار های مرکب از این عناصر پایه ساخته می‌شوند،‌ در واقع این نمودارها در کامپیوترهای کلاسیک ساخته می‌شوند.

سیستمهای پردازشگر مرکب: ترکیبی از عناصر پایه Not, OR, AND در کامپیوترهای کوآنتوم هم موجودند.

هر چند این مدارها همیشه به عنوان کوچکترین واحدها در کامپیوترهای کوآنتوم مطرح نیستند و عنصر CN (controlled not) بعنوان کوچکترین واحد و برای نمایش Not, OR, AND مورد استفاده در کامپیوترهای کلاسیک مطرح می‌باشند.