کامپیوترهای کوانتومی

مکعب ها معمولاً با دستکاری و اندازه گیری ذرات کوانتومی (کوچکترین اجزای شناخته شده دنیای فیزیکی) مانند فوتون ، الکترون ، یون های گرفتار و اتم ایجاد می شوند. سیستم ها همچنین می توانند به عنوان ذرات کوانتومی ، به عنوان ابررسانا ، طراحی شوند.

برای کنترل این ذرات ، مکعب ها باید در دماهای بسیار کم نگهداری شوند تا سر و صدا به حداقل برسد و از خطاهای ناخواسته در دکوراسیون جلوگیری شود.

امروزه انواع مختلفی از مکعب ها در محاسبات کوانتومی استفاده می شود که هر یک از آنها برای کارهای خاص مناسب تر است. برخی از متداول ترین انواع مکعب ها عبارتند از:

ساخته شده از مواد ابررسانا و کار در دماهای بسیار پایین. این مکعب ها به دلیل سرعت زیاد هنگام محاسبه و کنترل دقیق محبوب هستند.

در این نوع مکعب ها ، آنها از یونهای ضبط شده استفاده می کنند و به دلیل مدت طولانی قوام (ثبات) و اندازه گیری دقت بالا شناخته می شوند.

نقاط کوانتومی نیمه هادی های کوچکی هستند که یک الکترون را ضبط می کنند و به عنوان KUB استفاده می کنند. این مکعب ها قادر به مقیاس هستند و با فن آوری های نیمه هادی موجود سازگار هستند.

فوتون ها ذرات نوری هستند که برای انتقال اطلاعات کوانتومی در مسافت های طولانی از طریق کابل های الیاف نوری استفاده می شوند. این مکعب ها در حال حاضر در ارتباطات کوانتومی و رمزگذاری استفاده می شوند.

اتم های خنثی که لیزر هستند ، برای مقیاس پذیری و کار مناسب هستند.

هنگامی که یک مشکل پیچیده پردازش می شود ، به عنوان یک عامل عددی بزرگ ، بیت های کلاسیک با حفظ مقدار زیادی از اطلاعات محدود می شوند. با توجه به توانایی حفظ وقفه ، دم می تواند مشکل را به روش هایی که رایانه های کلاسیک قادر نیستند حل کنند.

برای درک بهتر چگونه رایانه های کوانتومی مشکلات پیچیده را با استفاده از quibits حل می کنند ، در مورد این مثال فکر کنید: تصور کنید که در مرکز یک پیچ و خم پیشرفته ایستاده اید.

• رایانه کلاسیک باید تمام جاده های ممکن را به طور جداگانه آزمایش کند تا از هزاره خارج شود ، مشابه روش “نیروی بی رحمانه”
• در مقابل ، رایانه کوانتومی می تواند با استفاده از روش “بینایی پرنده” مسیرهای مختلف را به طور همزمان کشف کند (بینایی بالا و با استفاده از اختلال کوانتومی مسیر مناسب را پیدا کنید.

در حقیقت ، Quiwites همه جاده ها را همزمان آزمایش نمی کنند. اخیراً ، رایانه های کوانتومی با اندازه گیری دامنه های بالقوه مکعب ها به نتیجه می رسند. این حوزه ها به عنوان امواج عمل می کنند که همپوشانی دارند. هنگامی که امواج غیر دیمتر با هم همپوشانی دارند ، راه حل های غیرقابل پیش بینی از بین می روند و بقیه موج منسجم راه حل نهایی را تضمین می کنند.

بیایید به بحث در مورد بیت های کلاسیک برگردیم. بیت ها به راحتی توسط دروازه های دیجیتال (دروازه های منطق دیجیتال) دستکاری می شوند.

اما مکعب ها متفاوت هستند. آنها باید با استفاده از دروازه های کوانتومی (دروازه های کوانتومی) در یک زنجیره کوانتومی دستکاری شوند. این دروازه ها قابلیت های Quiubit را تغییر می دهند بدون اینکه لزوماً مقدار را اندازه گیری کنند ، بنابراین محاسبات پیچیده ای را فراهم می کند.

از آنجا که مکعب ها می توانند در حالت حالت ها قرار بگیرند ، دروازه های کوانتومی این مکعب ها را از طریق جراحی دستکاری می کنند که معمولاً توسط ماتریس ها نمایش داده می شود. ماتریس ها یک آرایه مستطیل شکل از اعداد یا نمادها هستند که در ردیف ها و ستون ها مرتب شده اند و معمولاً برای نمایش و پردازش داده ها استفاده می شوند.

این عمل جراحی شامل چرخاندن وضعیت (تغییر قابلیت های مکعب ها در ردیف 1 یا 2) ، درهم تنیده (رابطه وضعیت دو درجه است ، بنابراین یکی به دیگری بستگی دارد) و وقفه (ایجاد شرایط مکعب در ترکیب 1 و 2).

مدار کوانتومی دنباله ای از دروازه های کوانتومی است که برای یک محاسبه خاص در نظر گرفته شده است. مکعب ها از این دروازه ها عبور می کنند ، به شکلی که از نظر مفهومی شبیه به بیت ها باشد و از دروازه های کلاسیک در یک زنجیره معمولی عبور می کند. اما به دلیل ماهیت کوانتومی این زنجیرها ، آنها می توانند محاسبات پیچیده ای را نسبت به طرح های کلاسیک مؤثرتر کنند ، به خصوص برای مواردی مانند تجزیه تعداد زیاد یا شبیه سازی سیستم های کوانتومی.

طرح های کوانتومی باید با دقت طراحی شوند تا پدیده های کوانتومی مانند قوام و درهم آمیختن را در نظر بگیرند. علاوه بر این ، اندازه گیری در محاسبات کوانتومی اساساً با محاسبات کلاسیک متفاوت است. هنگام اندازه گیری ، وقفه آن در یکی از حالت های اصلی (1 یا 2) فرو می رود ، که بر نتیجه محاسبه تأثیر می گذارد.

همانطور که می توان فرض کرد ، فرایند محاسبه کوانتومی ، از تئوری تا کاربرد ، شامل چندین مرحله پیچیده و بهم پیوسته ، از تحقق فیزیکی مکعب ها گرفته تا طراحی دروازه ها و طرح های کوانتومی ، ایجاد مدل های تصحیح خطا و توسعه الگوریتم های کوانتومی است.

البته هدف ایجاد رایانه های کوانتومی برای کاربردهای بالقوه در زمینه های مختلف مانند رمزگذاری ، تشخیص مواد مخدر ، مشکلات بهینه سازی ، مدل سازی مالی و موارد دیگر است.

با این حال ، محاسبات کوانتومی هنوز در یک مرحله نسبتاً ابتدایی است. مطالعات مداوم بر ایجاد گونه های پایدار ، افزایش تعداد مکعب ها ، بهبود خطاها و ایجاد الگوریتم ها و برنامه های جدید متمرکز است.

اما آنها می توانند از شما بپرسند که چرا تمام این تلاش ها برای ایجاد رایانه های کوانتومی در هنگام انجام فناوری های موجود با رایانه های کلاسیک و حتی ابر رایانه های کلاسیک انجام می شود؟

واقعیت این است که رایانه های کوانتومی می توانند در بسیاری از کارها از رایانه های کلاسیک بسیار بهتر عمل کنند و حتی کار ابر رایانه های امروز را به میزان قابل توجهی بهبود بخشند.

بیشتر دانشمندان بر این باورند که رایانه های کوانتومی دارای مقاوم در برابر خطا می توانند از روشهای محاسباتی کلاسیک (اما نه همه) بهتر عمل کنند. علاوه بر این ، دستگاه های کوانتومی نسبت به محاسباتی مانند بهینه سازی ، شبیه سازی و روشهای مختلف رمزگذاری برتر هستند.

برای این کارها ، رایانه های کوانتومی به عنوان ماشین های محاسباتی انقلابی با استفاده از سرعت و کارآیی بی سابقه ، با استفاده از قطع و درهم آمیختن شناخته می شوند. قطع اتصال رایانه های کوانتومی امکان پردازش موازی را فراهم می کند که می تواند سرعت را افزایش دهد در حالی که در هم تنیده باعث افزایش راندمان می شود ، چیزی که رایانه های کلاسیک نمی توانند به آن دست یابند زیرا آنها مجبورند هر کمی مستقل پردازش کنند.

با چنین سرعت و کارآیی ، باید دلیلی وجود داشته باشد که امروزه از این دستگاه ها استفاده نشود. چندین محدودیت و چالش در محاسبات کوانتومی وجود دارد.

اولین چالش پیچیدگی ذاتی این دستگاه ها است. تمام رویکردهای محاسبات کوانتومی حتی در مقایسه با مدرن ترین ابر رایانه ها به تجهیزات مهندسی بسیار حساس و پیچیده نیاز دارند.

اما محدودیت و چالش اصلی در محاسبات کوانتومی آسیب پذیری در برابر سر و صدای محیط است. از آنجا که مکعب ها نسبت به تداخل مانند گرما ، امواج الکترومغناطیسی و حتی پرتوهای کیهانی بسیار حساس هستند ، می توانند خطاهایی ایجاد کنند که بر توانایی رایانه کوانتومی برای محاسبات مؤثر و سریعتر تأثیر می گذارد.

بنابراین ، باید مراقب باشید تا حد ممکن حفظ شود. این بیشتر نیاز به مهندسی پیچیده این دستگاه ها را توضیح می دهد.

علاوه بر این ، دانشمندان برای به حداقل رساندن تمایل به خطا باید پروتکل های تصحیح خطا را طراحی کنند. اگرچه گروه های تحقیقاتی در حال پیشرفت سریع هستند ، اما رایانه های کلاسیک در مقایسه با رایانه های کوانتومی هنوز هم بهتر از اکثر مشکلات ، به ویژه مشکلات عملی هستند.

در ماه فوریه ، مایکروسافت فناوری کوانتومی جدیدی را معرفی کرد که به نوعی می تواند قوانین بازی را در دنیای محاسبات کوانتومی پیروز و تغییر دهد. Microsoft Quantum Chip نتیجه تحقیق و توسعه 5 ساله مایکروسافت است و می تواند در یک تراشه پردازنده هیئت مدیره مشابه یک میلیون کیبیت را در خود نگه دارد.

این پردازنده از ذرات Maorna برای محاسبات خود استفاده می کند ، که ابتدا توسط فیزیکدان ایتالیایی Ethera Mellurana در طول سال معرفی شده است. بر خلاف الکترون ها یا پروتون ها ، جهت گیری ها چندان طبیعی نیستند. آنها فقط در یک ماده نادر به نام ابررسانا توپولوژیکی وجود دارند.

هیچ ذره ای در طبیعت وجود ندارد و فیزیکدانان سالهاست که به دنبال ساخت آن در آزمایشگاه هستند. با این حال ، با تغییر معادلات ، مایکروسافت این ذرات را ساخته و پس از سالها مطالعه از آن در تراشه کوانتومی خود استفاده می کند.

از لحاظ تئوریکی ، قدرتمندترین راهها برای ذخیره اطلاعات کوانتومی نظری است. آنها با داشتن خصوصیات عجیب و غریب خود ، به محافظت از سر و صدای محیطی و حفظ سالم رژیم های کوانتومی ظریف کمک می کنند.

مکعب های الکترونیکی سنتی بسیار حساس و آشفته هستند زیرا در تعامل با سیگنال های الکترومغناطیسی ، نوسانات دما یا حتی کمترین اختلال تعامل هستند. با این معماری اصلی جدید ، مایکروسافت توانست هسته جدیدی به نام Topological Core بسازد.

معماری تراشه کوانتومی جدید مایکروسافت ، با استفاده از ویژگی های منحصر به فرد ذرات مارانا ، اجازه می دهد تا مکعب های بیشتری در فضای بسیار کمی قرار بگیرند. این فناوری امکان ساخت مکعب های توپولوژیکی را فراهم می کند که دارای قابلیت اطمینان بالا ، اندازه کوچک و کنترل بالا هستند ، بنابراین مشکل نویز و خطاهای رایج در مکعب ها را به شدت کاهش می دهد.

اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز با بسیاری از چالش های عملی روبرو است ، اما تلاش مداوم تیم های علمی در سراسر جهان امیدهایی را برای محاسبات کوانتومی ایجاد کرده است. در صورت دستیابی به این امر ، بسیاری از محاسبات کوانتومی اساسی و در حال توسعه ظاهر می شوند. در اینجا برخی از رایج ترین و مهم ترین کاربردهای این فناوری مدرن آورده شده است.

• رمزگذاری و بهبود امنیت سایبری: محاسبات کوانتومی اثرات عمیقی بر رمزگذاری و امنیت سایبری دارد. روشهای رمزگذاری سنتی ، مانند RSA ، بر اساس روش دشوار برای از بین بردن اعداد زیاد است که رایانه های کوانتومی می توانند خیلی سریعتر شوند. این توانایی استانداردهای رمزگذاری فعلی را تهدید می کند و نیاز به رمزگذاری مقاوم در برابر کوانتومی را ایجاد می کند.
• پیشرفت در تشخیص مواد مخدر و مواددر کشف داروها و علوم مواد ، محاسبات کوانتومی امکان شبیه سازی تعامل مولکولی و شیمیایی را در سطح بی سابقه ای از جزئیات فراهم می کند. رایانه های سنتی به دلیل افزایش متغیرها در شبیه سازی مولکولهای پیشرفته مشکل دارند ، اما رایانه های کوانتومی می توانند این پیچیدگی را با سهولت نسبی کنترل کنند. این توانایی منجر به مدل سازی دقیق ساختارهای مولکولی و رفتار می شود که باعث می شود روند تشخیص سریعتر و مؤثرتر داروها انجام شود.
• بهینه سازی سیستم های پیچیده از مالی تا لجستیکدر منطقه مالی و تدارکات ، محاسبات کوانتومی می تواند پیشرفت های قابل توجهی در بهینه سازی سیستم های پیچیده ایجاد کند.

خبر پیشرفت رایانه های کوانتومی بیان می کند که دلیل قدرت بسیار عجیب این ماشین های محاسباتی و امکان انجام تعداد زیادی از محاسبات در همان زمان ، دسترسی آنها به جهان های موازی است. اما ایده دنیاهای موازی چیست و چه ارتباطی با رایانه های کوانتومی دارد؟

ایده کلی که “رایانه کوانتومی تمام راه حل ها را در همان زمان امتحان می کند” ریشه در تفسیر MWI متعدد در فیزیک کوانتومی دارد. این تفسیر برای اولین بار در پایان نامه دکتری هیو اورت سوم در سال 2 با عنوان “اصول مکانیک کوانتومی” معرفی شد. با این حال ، این ایده تا دهه 1980 توجه زیادی نکرد. در حالی که بریس دوویچ ، در مقاله ای با عنوان “مکانیک کوانتومی و واقعیت” ، که امروز در مجله فیزیک منتشر شد ، آن را معرفی کرد. از آن زمان ، تعدادی از فیزیکدانان به این ایده علاقه مند شده اند و بسیاری از آنها خود را “مخالف” خوانده اند.