از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

IBM Q System One ، یک کامپیوتر کوانتومی با 20 کیوبیت ابررسانا [1]

کامپیوتر کوانتومی کامپیوتری است که از پدیده های مکانیک کوانتومی بهره می برد .

در مقیاس‌های کوچک، ماده فیزیکی خواص ذرات و امواج را نشان می‌دهد و محاسبات کوانتومی از این رفتار، به‌ویژه برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی کوانتومی، با استفاده از سخت‌افزار تخصصی که از آماده‌سازی و دستکاری حالت‌های کوانتومی پشتیبانی می‌کند، استفاده می‌کند .

فیزیک کلاسیک نمی‌تواند عملکرد این دستگاه‌های کوانتومی را توضیح دهد، و یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس‌پذیر می‌تواند برخی از محاسبات را به‌طور تصاعدی سریع‌تر (با توجه به مقیاس‌گذاری اندازه ورودی) [2] از هر رایانه مدرن «کلاسیک» انجام دهد . به طور خاص، یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ می تواند طرح های رمزگذاری پرکاربرد را بشکند و به فیزیکدانان در انجام شبیه سازی های فیزیکی کمک کند . با این حال، وضعیت فعلی هنر تا حد زیادی تجربی و غیر عملی است، با موانع متعددی برای کاربردهای مفید. علاوه بر این، رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر برای بسیاری از کارهای عملی نویدبخش نیستند، و برای بسیاری از کارهای مهم افزایش سرعت کوانتومی غیرممکن است.

واحد اصلی اطلاعات در محاسبات کوانتومی کیوبیت است ، مشابه بیت در الکترونیک دیجیتال سنتی. برخلاف یک بیت کلاسیک، یک کیوبیت می تواند در برهم نهی دو حالت «پایه» خود وجود داشته باشد. هنگام اندازه گیری یک کیوبیت، نتیجه یک خروجی احتمالی یک بیت کلاسیک است، بنابراین کامپیوترهای کوانتومی را به طور کلی غیر قطعی می کند. اگر یک کامپیوتر کوانتومی کیوبیت را به روشی خاص دستکاری کند، اثرات تداخل موج می تواند نتایج اندازه گیری مورد نظر را تقویت کند. طراحی الگوریتم های کوانتومی شامل ایجاد رویه هایی است که به کامپیوتر کوانتومی اجازه می دهد تا محاسبات را به طور موثر و سریع انجام دهد.

مهندسی فیزیکی کیوبیت های با کیفیت بالا چالش برانگیز است. اگر یک کیوبیت فیزیکی به اندازه کافی از محیط خود جدا نشده باشد ، دچار ناهمدوسی کوانتومی می شود که نویز را وارد محاسبات می کند. به طور متناقض، جداسازی کامل کیوبیت ها نیز نامطلوب است، زیرا محاسبات کوانتومی معمولاً نیاز به مقداردهی اولیه کیوبیت ها، انجام برهمکنش های کیوبیت کنترل شده و اندازه گیری حالت های کوانتومی حاصل دارند. هر یک از این عملیات خطاهایی را ایجاد می کند و از نویز رنج می برد و چنین نادرستی ها انباشته می شوند.

دولت‌های ملی سرمایه‌گذاری زیادی در تحقیقات تجربی انجام داده‌اند که هدف آن توسعه کیوبیت‌های مقیاس‌پذیر با زمان انسجام طولانی‌تر و نرخ خطای کمتر است. دو تا از امیدوارکننده‌ترین فناوری‌ها ابررساناها (که جریان الکتریکی را با حذف مقاومت الکتریکی جدا می‌کنند ) و تله‌های یونی (که یک یون را با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی محدود می‌کنند ) هستند.

در اصل، یک کامپیوتر غیرکوانتومی (کلاسیک) می‌تواند مشکلات محاسباتی مشابه یک کامپیوتر کوانتومی را با توجه به زمان کافی حل کند. مزیت کوانتومی به‌جای محاسبه‌پذیری، به شکل پیچیدگی زمانی است ، و نظریه پیچیدگی کوانتومی نشان می‌دهد که برخی از الگوریتم‌های کوانتومی برای کارهایی که با دقت انتخاب شده‌اند به مراحل محاسباتی نمایی کمتری نسبت به بهترین الگوریتم‌های غیرکوانتومی شناخته‌شده نیاز دارند. چنین کارهایی در تئوری می توانند بر روی یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ حل شوند، در حالی که کامپیوترهای کلاسیک محاسبات را در هیچ زمان معقولی به پایان نمی‌رسانند. با این حال، سرعت کوانتومی جهانی یا حتی معمولی در بین وظایف محاسباتی نیست، زیرا ثابت شده است که کارهای اساسی مانند مرتب‌سازی اجازه هیچ سرعت کوانتومی مجانبی را نمی‌دهند. ادعاهای برتری کوانتومی توجه قابل توجهی را به این رشته جلب کرده است، اما در کارهای ساختگی نشان داده شده است، در حالی که موارد استفاده عملی کوتاه مدت محدود باقی مانده است.

خوش‌بینی در مورد محاسبات کوانتومی توسط طیف گسترده‌ای از امکانات سخت‌افزار نظری جدید که توسط فیزیک کوانتومی تسهیل شده است، تقویت می‌شود ، اما درک بهتر از محدودیت‌های محاسبات کوانتومی این خوش‌بینی را متعادل می‌کند. به طور خاص، سرعت‌های کوانتومی به طور سنتی برای رایانه‌های کوانتومی بدون نویز تخمین زده می‌شود، در حالی که تأثیر نویز و استفاده از تصحیح خطای کوانتومی می‌تواند سرعت‌های چندجمله‌ای پایین را تضعیف کند.

تاریخچه [ ویرایش ]

برای راهنمای زمانی، جدول زمانی محاسبات کوانتومی و ارتباطات را ببینید .

تداخل سنج ماخ -زندر نشان می دهد که فوتون ها می توانند تداخل موج مانندی از خود نشان دهند .

برای سال‌های متمادی، رشته‌های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر جوامع دانشگاهی مجزایی را تشکیل دادند. [3] نظریه کوانتومی مدرن در دهه 1920 توسعه یافت تا دوگانگی موج-ذره مشاهده شده در مقیاس اتمی را توضیح دهد، [4] و رایانه های دیجیتال در دهه های بعدی به وجود آمدند تا جایگزین رایانه های انسانی برای محاسبات خسته کننده شوند. [5] هر دو رشته در طول جنگ جهانی دوم کاربردهای عملی داشتند . کامپیوترها نقش مهمی در رمزنگاری زمان جنگ داشتند ، [6] و فیزیک کوانتومی برای فیزیک هسته ای مورد استفاده در پروژه منهتن ضروری بود . [7]

همانطور که فیزیکدانان مدل های مکانیکی کوانتومی را برای مسائل محاسباتی به کار بردند و بیت های دیجیتال را با کیوبیت ها تعویض کردند ، زمینه های مکانیک کوانتومی و علوم کامپیوتر شروع به همگرایی کردند. در سال 1980، پل بنیوف ماشین تورینگ کوانتومی را معرفی کرد که از نظریه کوانتومی برای توصیف یک کامپیوتر ساده شده استفاده می کند. [8] هنگامی که رایانه‌های دیجیتال سریع‌تر شدند، فیزیکدانان هنگام شبیه‌سازی دینامیک کوانتومی با افزایش نمایی در سربار مواجه شدند ، [9] که یوری مانین و ریچارد فاینمن را وادار کرد تا به طور مستقل پیشنهاد کنند که سخت‌افزار مبتنی بر پدیده‌های کوانتومی ممکن است برای شبیه‌سازی رایانه‌ای کارآمدتر باشد. [10] [11] [12] در مقاله ای در سال 1984، چارلز بنت و ژیل براسارد نظریه کوانتومی را برای پروتکل های رمزنگاری به کار بردند و نشان دادند که توزیع کلید کوانتومی می تواند امنیت اطلاعات را افزایش دهد . [13] [14]

پیتر شور (تصویر اینجا در سال 2017) در سال 1994 نشان داد که یک کامپیوتر کوانتومی مقیاس پذیر می تواند رمزگذاری RSA را بشکند .

سپس الگوریتم‌های کوانتومی برای حل مسائل اوراکل ظاهر شدند ، مانند الگوریتم دویچ در سال 1985، [15] الگوریتم برنشتاین-وزیرانی در سال 1993، [ 16] و الگوریتم سیمون در سال 1994. می توان اطلاعات بیشتری را با پرس و جو از یک جعبه سیاه با حالت کوانتومی در برهم نهی بدست آورد که گاهی اوقات به آن موازی سازی کوانتومی می گویند . [18] پیتر شور با الگوریتم‌های سال 1994 خود برای شکستن پروتکل‌های رمزگذاری پرکاربرد RSA و Diffie-Hellman ، [19] که توجه قابل توجهی را به حوزه محاسبات کوانتومی جلب کرد، بر این نتایج بنا نهاد . [20] در سال 1996، الگوریتم گروور یک افزایش سرعت کوانتومی را برای مشکل جستجوی بدون ساختار به طور گسترده ای ایجاد کرد . [21] [22] در همان سال، ست لوید ثابت کرد که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند سیستم‌های کوانتومی را بدون سربار نمایی موجود در شبیه‌سازی‌های کلاسیک شبیه‌سازی کنند، [23] که حدس فاینمن در سال 1982 را تأیید کرد. [24]

در طول سال‌ها، آزمایش‌گران کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کوچک را با استفاده از یون‌های به دام افتاده و ابررساناها ساخته‌اند . [25] در سال 1998، یک کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیت امکان‌سنجی این فناوری را نشان داد، [26] [27] و آزمایش‌های بعدی تعداد کیوبیت‌ها را افزایش داده و نرخ خطا را کاهش داد. [25] در سال 2019، هوش مصنوعی گوگل و ناسا اعلام کردند که با یک ماشین 54 کیوبیتی به برتری کوانتومی دست یافته‌اند و محاسباتی را انجام می‌دهند که برای هر کامپیوتر کلاسیک غیرممکن است. [28] [29] [30] با این حال، اعتبار این ادعا هنوز به طور فعال در حال تحقیق است. [31] [32]

قضیه آستانه نشان می‌دهد که چگونه افزایش تعداد کیوبیت‌ها می‌تواند خطاها را کاهش دهد، [33] اما محاسبات کوانتومی کاملاً متحمل خطا «یک رویای نسبتاً دور» باقی می‌ماند. [34] به گفته برخی از محققان، ماشین‌های کوانتومی مقیاس متوسط ​​پر سر و صدا ( NISQ ) ممکن است در آینده نزدیک کاربردهای تخصصی داشته باشند، اما نویز در دروازه‌های کوانتومی قابلیت اطمینان آنها را محدود می‌کند. [34]

سرمایه گذاری در تحقیقات محاسبات کوانتومی در بخش های دولتی و خصوصی افزایش یافته است. [35] [36] همانطور که یک شرکت مشاوره خلاصه کرد، [37]

با تمرکز بر دیدگاه مدیریت کسب و کار، کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی در چهار دسته اصلی عبارتند از: امنیت سایبری، تجزیه و تحلیل داده ها و هوش مصنوعی، بهینه سازی و شبیه سازی، و مدیریت و جستجوی داده ها. [38]

در دسامبر 2023، فیزیکدانان، برای اولین بار، درهم تنیدگی مولکول های منفرد را گزارش کردند، که ممکن است کاربردهای قابل توجهی در محاسبات کوانتومی داشته باشد. [39] همچنین در دسامبر 2023، دانشمندان در هاروارد با موفقیت "مدارهای کوانتومی" را ایجاد کردند که خطاها را با کارآمدی بهتری نسبت به روش های جایگزین تصحیح می کند، که ممکن است به طور بالقوه مانع بزرگی را برای رایانه های کوانتومی عملی از بین ببرد. [40] [41] تیم تحقیقاتی هاروارد توسط MIT ، QuEra Computing ، Caltech ، و پرینستون پشتیبانی شد و توسط برنامه بهینه‌سازی دارپا با دستگاه‌های کوانتومی مقیاس متوسط ​​نویز (ONISQ) تامین مالی شد. [42] [43]

پردازش اطلاعات کوانتومی [ ویرایش ]

همچنین ببینید: مقدمه ای بر مکانیک کوانتومی

مهندسان کامپیوتر معمولاً عملکرد یک کامپیوتر مدرن را بر حسب الکترودینامیک کلاسیک توصیف می کنند . در این رایانه‌های «کلاسیک»، برخی از مؤلفه‌ها (مانند نیمه رساناها و مولدهای اعداد تصادفی ) ممکن است به رفتار کوانتومی متکی باشند، اما این مؤلفه‌ها از محیط خود جدا نیستند ، بنابراین هر اطلاعات کوانتومی به سرعت از هم جدا می‌شود . در حالی که برنامه نویسان ممکن است هنگام طراحی یک الگوریتم تصادفی به نظریه احتمال وابسته باشند ، مفاهیم مکانیکی کوانتومی مانند برهم نهی و تداخل تا حد زیادی برای تجزیه و تحلیل برنامه بی ربط هستند .

در مقابل، برنامه های کوانتومی بر کنترل دقیق سیستم های کوانتومی منسجم متکی هستند . فیزیکدانان این سیستم ها را به صورت ریاضی با استفاده از جبر خطی توصیف می کنند . اعداد مختلط دامنه‌های احتمال را مدل‌سازی می‌کنند ، بردارها حالت‌های کوانتومی را مدل می‌کنند و ماتریس‌ها عملیاتی را که می‌توان روی این حالت‌ها انجام داد، مدل‌سازی می‌کنند. سپس برنامه نویسی یک کامپیوتر کوانتومی عبارت است از ترکیب عملیات به گونه ای که برنامه به دست آمده یک نتیجه مفید را در تئوری محاسبه کند و در عمل قابل اجرا باشد.

همانطور که فیزیکدان چارلی بنت رابطه بین کامپیوترهای کوانتومی و کلاسیک را توصیف می کند، [44]

یک کامپیوتر کلاسیک یک کامپیوتر کوانتومی است ... بنابراین ما نباید بپرسیم که "سرعت های کوانتومی از کجا می آیند؟" ما باید بگوییم، "خب، همه کامپیوترها کوانتومی هستند... کندی های کلاسیک از کجا می آیند؟"

اطلاعات کوانتومی [ ویرایش ]

نمایش کره بلوخ یک کیوبیت. نقطه ای در سطح کره است، در قسمتی بین قطب ها،و.

همانطور که بیت مفهوم اصلی نظریه اطلاعات کلاسیک است، کیوبیت نیز واحد اساسی اطلاعات کوانتومی است . همان اصطلاح کیوبیت برای اشاره به یک مدل ریاضی انتزاعی و به هر سیستم فیزیکی که توسط آن مدل نشان داده می شود استفاده می شود. یک بیت کلاسیک، طبق تعریف، در هر یک از دو حالت فیزیکی وجود دارد که می‌توان آن‌ها را 0 و 1 نشان داد. یک کیوبیت نیز با یک حالت توصیف می‌شود و دو حالت اغلب نوشته می‌شوند |0〉 و |1〉 به عنوان همتای کوانتومی عمل می‌کنند. حالات کلاسیک 0 و 1. با این حال، حالات کوانتومی |0〉 و |1〉 متعلق به یک فضای برداری هستند ، به این معنی که می توان آنها را در ثابت ضرب کرد و با هم جمع کرد و نتیجه دوباره یک حالت کوانتومی معتبر است. چنین ترکیبی به عنوان برهم نهی |0〉 و |1〉 شناخته می شود . [45] [46]

یک بردار دو بعدی از نظر ریاضی یک حالت کیوبیت را نشان می دهد. فیزیکدانان معمولاً از نماد دیراک برای جبر خطی مکانیک کوانتومی استفاده می کنند ψ 〉 ' ket psi ' برای بردار با برچسب ψ . از آنجایی که کیوبیت یک سیستم دو حالته است، هر حالت کیوبیت به شکل α |0〉 + β |1〉 است ، که در آن |0〉 و |1〉 حالت های پایه استاندارد هستند ، [a] و α و β احتمال هستند. دامنه ها که در اعداد مختلط کلی هستند . [46] اگر α یا β صفر باشد، کیوبیت در واقع یک بیت کلاسیک است. وقتی هر دو غیر صفر هستند، کیوبیت در برهم نهی است. چنین بردار حالت کوانتومی مشابه بردار احتمال (کلاسیک) عمل می کند ، با یک تفاوت کلیدی: برخلاف احتمالات، دامنه های احتمال لزوماً اعداد مثبت نیستند. [48] ​​دامنه های منفی اجازه تداخل موج مخرب را می دهد.

هنگامی که یک کیوبیت بر اساس استاندارد اندازه گیری می شود ، نتیجه یک بیت کلاسیک است. قانون Born مطابقت مربع هنجار بین دامنه ها و احتمالات را توصیف می کند - هنگام اندازه گیری یک کیوبیت α |0〉 + β |1〉 ، حالت به |0〉 با احتمال | α | 2 یا به |1〉 با احتمال | β | 2 . هر حالت کیوبیت معتبر دارای ضرایب α و β است به طوری که | α | 2 + | β | 2 = 1 . به عنوان مثال، اندازه گیری کیوبیت1/√2|0〉 +1/√2|1〉 یا |0〉 یا |1〉 با احتمال مساوی تولید می کند.

هر کیوبیت اضافی بعد فضای حالت را دو برابر می کند . [47] به عنوان مثال، بردار1/√2|00〉 +1/√2|01〉 یک حالت دو کیوبیتی، حاصل ضرب تانسور کیوبیت |0〉 با کیوبیت را1/√2|0〉 +1/√2|1〉 . این بردار در فضای برداری چهاربعدی قرار داردکه بردارهای پایه |00〉 ، |01〉 ، |10〉 ، و |11〉 پوشانده شده است . ایالت بل 1/√2|00〉 +1/√2|11〉 غیرممکن است که به حاصل ضرب تانسور دو کیوبیت منفرد تجزیه شود - این دو کیوبیت درهم تنیده هستند زیرا دامنه احتمال آنها همبسته است . به طور کلی، فضای برداری برای یکسیستم n -qubit 2n بعدی است، و این امر شبیه سازی یک کوانتومی را برای یک کامپیوتر کلاسیک چالش برانگیز می کند: نمایش یک سیستم 100 کیوبیتی مستلزم ذخیره 2100 مقدار کلاسیک است.