جهان كوانتومي - بخش نهم: توان موازي

توان موازي

حالتهاي كوانتومي ، با ويژگي هاي چندگانه شان ، ميتوانند قلب يك رايانه موازي حجيم را تشكيل دهند.

اگر با گربه شرودينگر از ميان چگاليده بوزه انيشتن گذر كنيد ، چه چيزي بدست خواهيد آورد؟ يك گربه بزرگ و سرد؟ يا رشته اي از بچه گربه هاي يك شكل اما مامشخص؟! در واقع هيچكدام ، زيرا شما به رايانه كوانتومي دست يافته ايد! اكنون بياييد اين مسئله را دقيقتر بررسي كنيم.
يك رايانه معمولي ، يك ماشين صددرصد كلاسيكي است . اين نوع رايانه ، براساس جريانهاي الكتريكي به صورت "صفر"ها و "يك"هاي يك دستگاه رياضي دوتايي كار ميكند . اگر اين صفرها و يك ها بخواهند هر نوع محاسبه و عمليات پيچيده اي را انجام دهند ، بايد به صورتهايي كاملا قابل پيش بيني و قابل اعتماد بر هم تاثير بگذلرند . اگر بعضي از اين صفر و يك ها بصورتي نامعين و احتمالي رفتار كنند ، آنچه كه شما خواهيد داشت قاعدتا رايانه اي خواهد بود كه مرتكب اشتباهات كتره اي ميشود.

اما نظريه كوانتومي ، يك نظريه كاملا كتره اي نيست و مسلمل از يك مجموعه قوانين مربوط به خود پيروي ميكند . وقتيكه حالات كوانتومي با يكديگر برهم كنش ميكنند ، اين كار را به شكلي كاملا قابل پيش بيني انجام ميدهند . تنها در پيامد يك اندازه گيري است كه غيرقابل پيش بيني بودن پديدار ميشود . يك رايانه كوانتومي را تصور كنيد كه در آن ، محاسبات و عمليات از طريق مجموعه اي از برهم كنش هاي كاملا قابل پيش بيني حالات كوانتومي – نه كلاسيكي – انجام ميشود . اگر هيچيك از اندازه گيري ها در سيستم ايجاد اختلال نكند ، هيچ چيز غيزقابل پيش بيني روي نخواهد دارد ؛ اما برقراري اين شرايط بسيار دشوار است زيرا هر نوع اختلال كتره اي و كنترل نشده به معناي اندازه گيري است . در صورت برقراري شرط فوق ، رايانه كوانتومي ميتواند محاسبات را بصورتي قابل اطمينان – دقيقا همانند يك رايانه كلاسيكي – انجام دهد.
به جاي حالات بالا و پايين معيني كه يك رايانه كلاسيكي استفاده ميكند  ، عناصر منطقي يك رايانه كوانتومي ميتوانند (بعنوان مثال) حالت گربه شرودينگر "نيمي بالا – نيمي پايين" باشند . در اينصورت ، اين رايانه شبيه چگاليده بوز – انيشتن خواهد بود چون شما به تعداد بسيار زيادي از اين حالتهاي كوانتومي – كه بايد بصورت منسجم رفتار كنند – نياز خواهيد داشت تا بتوانيد هر نوع محاسه مفيد يا شگفت انگيزي را انجام دهيد.
شايد سوال شود كه چه نيازي است كه اين همه مشكل براي خود درست كنيم؟ پاسخ ، آنگونه كه "ديويد دويچ" از دانشگاه آكسفورد در اواسط دهه 1980 بيان كرد ، اين است كه محاسبه كوانتومي اجازه استفاده از نوعي "محاسبات موازي" را ميدهد كه اميد انجام آن از يك رايانه كلاسيكي نميرود . در محاسبه استاندارد ، هر بخش از منطقي دروني – جه صفر باشد چه يك و يا رشته اي از اين بيت (Bit) ها – حالت عددي خاصي را نمايش ميدهد . اما در محاسبه كوانتومي ، اپين يك الكترون يا قطبش يك فوتون كه "كوبيت" (Qubit   يا Quantum Bit) ، يعني بيت كوانتومي ناميده ميشود) ميتواند هر دو حالت را همزمان نمايش دهد . حالت "نيمي بالا – نيمي پايين" ، همزمان هم صفر است و هم يك . علاوه بر اين ، وقتيكه اين حالت با ساير حالتها برهم كنش ميكند ، هر دو بخش با هويت دوگانه آن در برهم كنش شركت ميكنند . محاسبه كوانتومي ، به صفر و يك اجازه ميدهد تا همراه هم و همزمان در برهم كنش شركت كنند.
به عنوان مثال ، با دو اسپين الكتروني "نيمي بالا – نيمي پايين" ، ميتوان چهار حالت مختلف داشت ؛ كه 00 ، 01 ، 10 و 11 را نشان ميدهد . به طور مشابه ، با رشته اي از ده حالت ميتوان تمامي اعداد از صفر تا 1024 (2 به توان 10) را همزمان نشان داد . سپس دوتا از اين حالتها ميتوانند بگونه اي با هم برهم كنش كنند كه حالت نهايي بسيار پيچيده اي را توليد كنند ؛ كه اين حالت – باز هم بصورت همزمان – نمايش تمامي اعداد موجود در يك جدول ضرب 1024×1024 را در خود خواهد داشت.
يك رايانه معمولي مجبور است بيش از يك ميليون محاسبه جداگانه را براي بدست آوردن تمامي اعداد موجود در اين جدول انجام دهد . بدليل اينكه يك رايانه كوانتومي همه احتمالات را همزمان بررسي ميكند ، بدون دردسر و تنها در يك گام به همين نتيجه دست خواهد يافت.
به اين ترتيب رايانه هاي كوانتومي ميتوانند بسيار قدرتمند باشند . اما در استفاده از ظرفيت و قابليت آنها براي انجام محاسبات موازي حجيم ، دو مشكل وجود دارد . نخستين مشكل ، غلبه كردن بر جداسازي است . ساختن چگاليده هاي بوز – انيشتن و حالات اتمي گربه شرودينگر در آزمايشگاه ، به دقت و تلاش بسيار زيادي نياز دارد . هرگونه اختلال يا برهم كنش كتره اي ، نظم و ترتيب ارتباطِ بسيار حساس ِ حالات كوانتومي همزي (قرار گرفته در كنار هم) را به هم خواهد زد ؛ و اين عمل باعث خواهد شد كه به جاي آنچه كه مورد نظر ماست ، يك حالت كلاسيكي ظاهر شود . به اين ترتيب ، حفظ يكپارچگي يك رايانه كوانتومي بينهايت دشوار خواهد بود . مجموعه كاملي از حالتهاي مركب و متفاوت – كه متفاوت بودن آنها از اهميت بسياري برخوردار است – بايد ساخته ، حفظ و وادار به برهم كنش از پيش تعيين شده شوند (برعكس ، در چگاليده بوز – انيشتن تمامي حالتها يكسانند ؛ كه چنين چيزي مثل داشتن يك رايانه كوانتومي است كه تمامي بيت هاي آن هميشه صفرند).
مشكل دوم ظريفتر از اولي است . چگونه ميتوان نتيجه يك محاسبه را از يك رايانه كوانتومي استخراج كرد؟ همين كه يك اندازه گيري – بعنوان مثال روي حالت"جدول ضرب" كوانتومي – انجام شود ، رايانه تنها يك پاسخ از ميان 1024×1024 پاسخ ممكن را به ما خواهد داد و همه پاسخ هاي ديگر ناپديد خواهند شد! به نظر ميرسد كه اين مسئله باعث خواهد شد كه به هدف مورد نظرمان ، يعني انجام محاسبات كوانتومي همزمان ، نرسيم.
در واقع آنچه كه اين مسئله را به ما نشان ميدهد اين است كه احتمالا رايانه هاي كوانتومي ، در مورد بعضي از انواع محاسبات بهتر از رايانه هاي ديگر عمل ميكنند . به عنوان مثال ، مسئله يافتن عامل هاي اول يك عدد بزرگ ، اهميت قابل توجهي در زمينه رمزنويسي و رمزگشايي دارد . امنيت بسياري از سيستم هاي رمزنويسي ، به اين مسئله وابسته است كه يافتن عوامل اول توسط رايانه معمولي بسيار دشوار است . رايانه بايد تمامي احتمالات را با زحمت و مشقت بسيار بررسي كند تا به تركيب صحيح دست يابد . اما بنابر اصول فيزيكي ، يك رايانه كوانتومي ميتواند تمامي احتمالات را همزمان بررسي كند . علاوه بر اين ، هدف اصلي در مسئله رمزگشايي ، يافتن يك پاسخ از ميان تمامي پاسخهاي محتمل (اما غلط) ديگر است ؛ و اين چيزي است كه با انجام اندازه گيري روي حالت مورد نظر (درصورتيكه بطور مناسب تعريف شده باشد) قابل دسترسي است.
"لو گرووِر" از آزمايشگاه بل ، با روشي مشابه آنچه كه گفته شد ، آلگوريتمي را طراحي كرده است كه يك مورد خواسته شده را از ميان فهرستي شامل چندين مورد درهم ريخته بيرون ميكشد (بعنوان مثال ، يك واژه از ميان واژه هاي درهم ريخته يك فرهنگ لغت بيرون ميكشد) و اين كار را در مدت زماني كه متناسب با ريشه دوم تعداد موارد موجود در فهرست است انجام ميدهد . جستجوهاي سنتي ، به زماني متناسب با تعداد موارد موجود در فهرست نياز دارد.
اما واقعا به چه شكل ميتوان رايانه كوانتومي ساخت؟ تعدادي از محققان پيشنهاد كرده اند كه از حالتهاي اسپين اتمي جداگانه موجود در مولكولها استفاده شود . تك پروتونها (هسته اتمهاي هيدروژن) ، اسپين هايي داردند كه بسته به اسپين برخي ديگر از هسته هاي موجود در مولكول ، ميتوانند به سمت بالا يا پايين سمت گيري كنند . تپ (tap) هاي امواج راديويي ، در صورتيكه بسامد (فركانس) مناسب داشته باشند ، ميتوانند اين اسپين ها را بصورت بالا و پايين درآورند ؛ و اسپين هسته هاي مختلف در يك مولكول ، به اشكال قابل پيش بيني برهم كنش ميكنند . چنين چيزي ميتواند اساس يك رايانه كوانتومي را تشكيل دهد: اسپين ها اطلاعات را ذخيره ميكنند و امواج راديويي آنها را وادار ميكنند تا بنابر طرح از پيش تعيين شده ، تغيير جهت داده و به اين ترتيب محاسبات مورد نظر را انجام دهند.
برخي از فناوري هاي مورد نياز براي انجام چنين كاري را هم اكنون در اختيار داريم . تصويربرداري به روش تشديد مغناطيسي هسته اي (Nuclear Magnetic Resonance Imaging) يا بطور خلاصه Nuclear MRI ، كه در حال حاضر استفاده از آن در پزشكي مرسوم است ، موقعيت اتمها را با اندازه گيري اسپين آنها تعيين ميكند . ميتوان تصور كرد كه پردازنده مركزي يك رايانه كوانتومي ، چيزي بيش از يك ظرف محتوي چند آبگون (مايع) مناسب نخواهد بود ؛ آبگونهايي كه مولكولهايشان شامل انواع گوناگوني از حالتهاي اسپيني اتمي هستند و بگونه اي انتخاب شده اند كه بتوانند يك كار معين را انجام دهند . كار ديگري كه ميتوان انجام داد ، استفاده از تراشه سيليكوني با نقوش نقطه نقطه است كه تحت تاثير اتمهايي قرار دارد كه اسپين هاي آنها ، كوبيت هاي رايانه را تشكيل خواهند داد . هيچگونه جريان الكتريكي در اين تراشه وجود ندارد . به جاي آن ، اسپين ها با ضربه زدن ، نقطه به نقطه پيش ميروند و در امتداد پيامشان بنابر دستورات منطق كوانتومي حركت خواهند كرد.