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.