در این مقاله قصد داریم تا شما را با یکی از شگفتانگیزترین ساختههای قرن 21، یعنی کامپیوتر کوانتومی آشنا کنیم با هزاره سوم همراه باشید. امروزه پردازندههای مورد استفاده در تلفنهای همراه به ساختاری ۷ نانومتری رسیده و انتظار میرود تا سال 2021 پردازندههایی با لیتوگرافی 5 نانومتری نیز روانه بازار شوند. بدون اغراق این پردازندههای کوچک، بیش از چندین برابر پردازندههای سطح بالا دسکتاپ که در دهه 2000 میلادی روانه بازار شدند، قویتر هستند. این امر نه تنها برای پردازندههای موبایل بلکه برای پردازندههای دسکتاپ و سرور که با لیتوگرافی 10 و ۷ نانومتری روانه بازار شدند نیز صادق است.
با وجود این پیشرفت شگفتانگیز در کارایی و سرعت پردازندههای محاسباتی، هنوز مسائل پیچیدهای وجود دارند که حل آنها از عهده هیچ یک از سوپر کامپیوترهای موجود بر نمیآید. شاید. جدا از وجود مسائل پیچیده، یک مشکل اساسیتر در روند توسعه و ساخت تراشهها، کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است. امروزه شرکتهایی بزرگی چون AMD و اپل پس از تقلای بسیار به تکنولوژی ساخت تراشههای ۷ نانومتری دست پیدا کردهاند.
در ساختارهای زیر 10 نانومتر، ابعاد ترانزیستورها به ابعاد اتمی نزدیک شده که در این صورت قوانین فیزیک کوانتومی نمود بیشتری پیدا کرده و قواعد بازی را عوض میکنند. به طور مثال یک الکترون میتواند از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگر تونلزنی انجام دهد، که این پدیده برای یک تراشه محاسباتی، امر مطلوبی نیست.
در طول تاریخ، عموماً شاهد تبدیل چالشها به فرصتها، توسط فیزیکدانان بودهایم. شما چه راه حلی را برای مشکل فوق پیشنهاد میکنید؟ آیا به نظرتان دنیای پردازندهها به انتهای خود نزدیک شده و دیگر پیشرفت قابل ملاحظهای را به خود نمیبینند؟ بعید است! علم و تکنولوژی هیچگاه متوقف و یا به عقب برنمیگردند. حال که به دنیای فیزیک کوانتومی وارد شدهایم، نظرتان چیست که محاسبات را از دنیای کلاسیک به دنیای کوانتوم بیاوریم؟ در ادامه این مطلب همراه ما باشید تا با زبانی ساده و به دور از روابط پیچیده، به بحث محاسبات و کامپیوتر کوانتومی بپردازیم.
آیا تا به حال فکر کردهاید اموری سادهای که در طول روز توسط کامپیوتر یا موبایل خود انجام میدهید، چگونه توسط پردازنده (CPU) دستگاه شما انجام میگیرد؟
کامپیوترهای متعارف میتوانند اعداد (۰ و ۱) را در حافظه خود ذخیره و روی آنها عملیات ساده ریاضی (پردازش) را انجام دهند. عمل ذخیرهسازی و پردازش توسط سوییچهایی به نام ترانزیستور انجام میگیرد. ترانزیستورها را میتوانید نسخهای میکروسکوپی از سوییچهایی که روی دیوار جهت خاموش و روشن شدن چراغها استفاده میشود، در نظر بگیرید. در واقع یک ترانزیستور میتواند روشن و یا خاموش باشد. درست همانطور که نور میتواند روشن و یا خاموش شود. از ترانزیستور روشن میتوانیم برای ذخیره یک (۱) و از خاموش بودن آن برای ذخیره صفر (۰) استفاده کنیم.
رشتههایی طولانی از این صفر و یکها میتوانند برای برای ذخیره هر عدد، نماد و حروفی استفاده شوند. به طور مثال در قواعد کد «اسکی» (ASCII) رشته 1000001 برای نمایش A و رشته 01100001 برای نمایش a به کار میرود. (برای تبدیل کد اسکی از این لینک استفاده کنید). هر کدام از این ۰ و ۱ها یک رقم باینری یا بیت نامیده میشوند که با رشتهای ۸ بیتی میتوانید ۲۵۵ کاراکتر مختلف مثل A-Z، a-z و 0-9 را ذخیره کنید. یادآور میشویم که هر 8 بیت معادل ۱ بایت در نظر گرفته میشود.
کامپیوترها با استفاده از مدارهای (دروازه – گیت) منطقی (Logic Gates) که از تعدادی ترانزیستور ساخته شدهاند، محاسبات و پردازش را بر روی بیتها انجام میدهند. یک گیت منطقی حالت یک بیت را سنجیده و در حافظهای موقت موسوم به رجیستری ذخیره میکند. سپس آنها را به حالت جدیدی تبدیل میکند. در واقع معادل عمل جمع، تفریق یا ضرب که ما در ذهن خود انجام میدهیم. یک الگوریتم در سطح پایین و به صورت فیزیکی، در واقع متشکل از چندین گیت منطقی است که کنار یکدیگر تشکیل یک مدار الکترونیکی را دادهاند. این مدار محاسبه یا عمل خاصی را انجام میدهد.
همانطور که در مقدمه مقاله اشاره کردیم، روند کوچکسازی ابعاد ترانزیستورها با مشکل مواجه بوده و در لیتوگرافیهای زیر 10 نانومتر به کندی پیش میرود. تا قبل از اختراع ترانزیستور در سال 1947، سوییچهایی که عمل ترانزیستور را انجام میدادند، لامپهایی خلأ بودند که اندازه بزرگی داشتند. امروزه روی یک تراشه پیشرفته به اندازه ناخن دست، میلیاردها ترانزیستور وجود دارد. در دهه 1960، گوردن مور یکی از بنیانگذران شرکت بزرگ «اینتل» (Intel) قانونی تجربی را که به «قانون مور» (Moore’s law) معروف است بیان کرد. این قانون پیشبینی میکند که به طور متوسط هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورها بر روی یک تراشه با مساحت ثابت، دو برابر میشود.
مطابق با پیشبینی قانون مور، از دهه 1960 تا کنون با افزایش تعداد ترازیستورها و در نتیجه افزایش حافظه و سرعت کامپیوترها، برخی از مسائل پیچیده حل شده و از تعداد آنها کم شده است. اما همچنان مسائلی وجود دارند که حتی سوپرکامپیوترهایی که در چند سال اخیر به جهان عرضه شدند، قدرت و توانایی حل آنها را ندارند.
جدا از مطلب فوق، در چند سال اخیر فرآیند ساخت ترانزیستورها و لیتوگرافیهای کمتر از 10 نانومتر با مشکلاتی مواجه بوده و به کندی پیش میرود. در واقع به نظر میرسد که قانون مور به پایان عمر خود نزدیک است. جدا از راهکارهای کلاسیکی برای رفع مشکلات، میتوانیم رویکردهای فیزیک کوانتومی را بررسی و علم محاسبات را به دنیای کوانتومی وارد کنیم.
نظریه و فیزیک کوانتوم قوانین حاکم بر دنیای میکروسکوپی، اتمها و ذرات زیر اتمی را تشریح میکند. همانطور که احتمالاً میدانید، در مقیاسهای اتمی، قوانین فیزیک کلاسیک دیگر کارایی نداشته و نیاز است تا قوانین جدیدی را به کار بریم.
در کتابهای اپتیک، نور را موجودی دوگانه (موج و ذره) تعریف میکنند. در واقع نور بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است که در عین حال یک ذره (فوتون) هم میتواند باشد! شاید بپرسید چگونه یک چیز واحد میتواند دو موجودیت داشته باشد؟! بله، در دنیای کوانتوم نظیر چنین مطالبی امری عادی است. به جز بحث دوگانگی موج – ذره نور، یکی دیگر از مثالهای معروف دنیای فیزیک کوانتوم، گربه شرودینگر است. این گربه که در جعبهای قرار دارد، در هر لحظه هم میتواند زنده باشد و هم مرده! پیشنهاد میکنیم برای آشنایی بیشتر با فیزیک کوانتوم نگاهی بر مقالات «معادله شرودینگر — به زبان ساده»، «درهمتنیدگی — به زبان ساده» و «کوانتوم — به زبان ساده» داشته باشید.
حال فرض کنید که ما همچنان بتوانیم ابعاد ترانزیستورها را کوچک و کوچکتر کنیم تا قانون مور پابرجا بماند. این ترانزیستورهای کوچک دیگر همانند ترانزیستورهای قدیمی مطابق قوانین فیزیک کلاسیک کار نکرده و از قوانین پیچیدهتر فیزیک کوانتومی پیروی میکند. سوال مهمی که در اینجا پیش میآید، این است که آیا تراشههای ساخته شده با این ترانزیستورهای به اصطلاح کوانتومی میتوانند کارهای رایج مارا انجام دهند؟! محاسبات ریاضی روی کاغذ به این سوال پاسخ مثبت میدهد.
اجازه دهید نگاهی گذار به روند پیشرفت علوم کامپیوتر و محاسبات که باعث شدند امروزه کامپیوترهای کوانتومی به گزینهای جدی برای انجام محاسبات تبدیل شوند، داشته باشیم. آغاز این روند از دو فیزیکدان و محقق شرکت «آی بی اِم» (IBM) به نامهای «رالف لاندائور» (Rolf Landauer) و «کارلس بِنِت» (Charles H. Bennett.) بود. لاندائور در دهه 1960 مطرح کرد که اطلاعات ماهیتی فیزیکی دارند که با توجه به قوانین فیزیکی میتوانند تغییر کنند.
یکی از نتایج بسیار مهم از طرح لاندائور این است که کامپیوترها، به واسطه دستکاری و تغییر اطلاعات (بیتها) باعث به هدر رفتن انرژی میشوند. به همین دلیل است که قسمتهای پردازشی در یک کامپیوتر نظیر تراشه مرکزی (CPU) و تراشه گرافیکی (GPU) حتی اگر عملیات سنگینی انجام ندهند، انرژی بسیار زیادی مصرف کرده و گرم میشوند.
بِنِت در دهه 1970 در راستای طرح لاندائور، نشان داد که اگر کامپیوترها بتوانند عملیات پردازش را به طور برگشتپذیر انجام دهند، میتوان از اتلاف انرژی به حد زیادی جلوگیری کرد. منظور از پردازش یا محاسبات برگشتپذیر به طور خیلی ساده این است که با
داشتن خروجی اطلاعات (بیتهای خروجی) بتوانیم به اطلاعات ورودی (بیتهای ورودی) پی ببریم. برای تحقق این امر باید دروازههای (گیت) منطقی ساخت که به طور برگشت پذیر کار میکنند. در فیزیک و محاسبات کلاسیک تنها گیت NOT برگشتپذیر است. برای آشنایی با یکی از مهمترین گیتهای برگشتپذیر پیشنهاد میکنیم به مقاله «گیت برگشت پذیر توفولی (CCNOT) — به زبان ساده» رجوع کنید. پس انتظار میرود که کامپیوترهای کوانتومی با انجام محاسباتی برگشتپذیر، عملیات گسترده و
سنگینی را بدون صرف انرژیهای بسیار زیاد انجام دهند. در مقام مقایسه خوب است بدانید که کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2000Q ساخت شرکت کانادایی «دی وِیو» (D-Wave) تنها 25کیلووات انرژی مصرف میکند. در حالی که سوپرکامپیوتر Summit که از تراشههای شرکت «انویدیا» استفاده میکند توان مصرفی 13مگاوات را دارد!
در سال 1981 «پائول بِنیوف» (Paul Benioff) از آزمایشگاه ملی (Argonne) سعی کرد ماشینی بسازد که مشابه یک کامپیوتر معمولی اما طبق قوانین فیزیک کوانتومی کار میکرد. سال بعد «ریچارد فاینمن» (Richard Feynman) فیزیکدان پرآوازه، با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، چگونگی استفاده از یک ماشین پایه برای انجام محاسبات را نشان داد. چند سال بعد در دانشگاه آکسفورد «دِیوید دویچ» (David Deutsch) یکی از تاثیرگذارترین افراد در توسعه محاسبات کوانتومی، مبانی نظری و تئوری یک کامپیوتر کوانتومی را تشریح کرد.
ویژگیهای اصلی کامپیوترهای معمولی نظیر بیت، الگوریتم، گیتهای منطقی و … به طور مشابه در کامپیوترهای کوانتومی نیز وجود دارند. اصلیترین جزء یک کامپیوتر کوانتومی، در واقع واحد پردازش اطلاعات، بیت کوانتومی یا کیوبیت است. عملکرد یک کیوبیت شاید کمی مبهم به نظر آید.
