محاسبات کوانتومی علمی است که بر توسعه و ارتقای فناوری کامپیوترها بر اساس اصول «نظریه کوانتوم» متمرکز است. نظریه کوانتوم رفتار انرژی و ماده‌ها را در سطوح اتمی و زیراتمی بررسی می‌کند و نشان می‌دهد که قوانین فیزیک کلاسیک در این سطوح صادق نیستند. کامپیوترهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند و به اصطلاح کامپیوتر کلاسیک خوانده می‌شوند، فقط می‌توانند اطلاعات را در بیت‌هایی رمزگذاری کنند که مقدار یک یا صفر را قبول می‌کنند که این موضوع توانایی آن‌ها را محدود می‌کند.
اما محاسبات کوانتومی از بیت کوانتومی یا کیوبیت استفاده می‌کند. بدین ترتیب علم محاسبات کوانتومی، توانایی منحصر به فرد ذرات زیراتمی را مهار می‌کند و به آن‌ها اجازه می‌دهد در بیش از یک حالت (به عنوان مثال در حالت یک و صفر به طور همزمان) قرار داشته باشند.
نکات کلیدی در مورد محاسبات کوانتومی
- محاسبات کوانتومی، علم چگونگی استفاده از پدیده‌ها در فیزیک کوانتوم به منظور انجام پردازش به شیوه‌های جدید و مؤثرتر است.
- محاسبات کوانتومی بر خلاف محاسبات کلاسیک به جای بیت از کیوبیت تشکیل شده است.
- برخلاف یک بیت کامپیوتری معمولی که تنها می‌تواند صفر یا یک باشد، یک کیوبیت می‌تواند یکی از این حالات یا برهم نهی صفر و یک باشد.
- قدرت کامپیوترهای کوانتومی با کیوبیت‌های بیشتر به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. این موضوع برخلاف کامپیوترهای کلاسیک است که در آن افزودن ترانزیستورهای بیشتر فقط به صورت خطی توان پردازش را اضافه می‌کند.
منشاء محاسبات کوانتومی
برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی دو ویژگی فیزیک کوانتومی هستند که کامپیوترهای کوانتومی بر اساس آن‌ها ساخته شده‌اند. این دو ویژگی به کامپیوترهای کوانتومی این امکان را می‌دهد که عملیات‌های پردازشی را با سرعت‌های بسیار بالاتر از کامپیوترهای معمولی و با مصرف انرژی بسیار کمتر انجام دهند.
مطالعات حوزه محاسبات کوانتومی در دهه 1980 شروع شد. در این دوره کشف شد که برخی از مسائل محاسباتی را می‌توان با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی با کارایی بیشتر نسبت به الگوریتم‌های کلاسیک حل کرد.
کاربرد محاسبات کوانتومی
محاسبات کوانتومی می‌تواند کمک زیادی در زمینه‌های مالی، امور نظامی، فناوری اطلاعات، طراحی و کشف دارو، طراحی هوافضا، ابزارهای کاربردی (همجوشی هسته‌ای)، طراحی پلیمر، یادگیری ماشین (ML) و هوش مصنوعی (AI)، کلان‌داده‌ها و تولید دیجیتال داشته باشد.
پتانسیل و اندازه بازار پیش بینی شده آن، برخی از برجسته ترین شرکت‌های حوزه فناوری را به کار در زمینه محاسبات کوانتومی علاقه‌مند کرده است، از جمله برجسته‌ترین این شرکت‌ها می‌توان به آی‌بی‌ام، مایکروسافت، گوگل، اینتل، نوکیا، علی‌بابا، اچ‌پی، توشیبا، میتسوبیشی، ان‌ای‌سی، فولکس‌واگن و … اشاره کرد.
به گفته گارنتر، 40% درصد شرکت‌های بزرگ جهان فناوری قصد دارند تا سال 2025 ابتکاراتی پیرامون محاسبات کوانتومی صورت دهند.
مقایسه کامپیوتر کوانتومی و کامپیوتر کلاسیک
کامپیوترهای کوانتومی اطلاعات را به شکلی متفاوت پردازش می‌کنند. کامپیوترهای کلاسیک از ترانزیستورهایی استفاده می کنند که 1 یا 0 هستند. کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت استفاده می‌کنند که می‌تواند همزمان 1 یا 0 باشد.
تعداد کیوبیت‌های متصل به هم توان محاسبات کوانتومی را به‌طور تصاعدی افزایش می‌دهد. در حالی که اتصال ترانزیستورهای بیشتر به یکدیگر تنها به صورت خطی توان محاسبات را افزایش می‌دهد.
کامپیوترهای کلاسیک برای کارهای روزمره و استفاده عموم مردم بهترین هستند و کامپیوترهای کوانتومی برای اجرای شبیه‌سازی و تجزیه و تحلیل داده‌ها، مانند آزمایش‌های شیمیایی یا دارویی پیچیده، عالی هستند.
کامپیوترهای کوانتومی باید در محیطی فوق‌العاده سرد نگهداری شوند. همچنین ساخت آن‌هابسیار گران‌تر و سخت‌تر است.
محاسبات کلاسیک با افزودن حافظه برای افزایش سرعت پیشرفت می‌کند. در عین حال، کامپیوترهای کوانتومی به حل مسائل پیچیده‌تر کمک می‌کنند. در حالی که کامپیوترهای کوانتومی ممکن است نتوانند مایکروسافت ورد را بهتر یا سریعتر اجرا کنند، می‌توانند مسائل بسیار پیچیده را سریعتر اجرا کنند.
به عنوان مثال، کامپیوتر کوانتومی گوگل که اکنون در حال توسعه است، می‌تواند به بسیاری از فرآیندها، مانند سرعت بخشیدن به آموزش یادگیری ماشینی (ML) یا کمک به ایجاد باتری‌های کم مصرف‌تر کمک کند.
محاسبات کوانتومی کاربردهای دیگری از جمله اشتراک‌گذاری امن اطلاعات دارد. کاربردهای دیگر شامل مبارزه با سرطان و نگرانی‌های مختلف سلامتی مانند سرطان و تولید داروهای جدید است. همچنین، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند به بهبود رادارها و توانایی آن‌ها در تشخیص مواردی مانند موشک و هواپیما کمک کنند. حوزه‌های دیگر استفاده از محاسبات کوانتومی شامل محیط زیست و تمیز نگه‌داشتن آب با حسگرهای شیمیایی است.
گوگل در سال 2019 ثابت کرد که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند مسئله‌ای را در چند دقیقه حل کند که یک کامپیوتر کلاسیک 10000 سال باید برای حل آن زمان بگذارد.
مثال دنیای واقعی یک کامپیوتر کوانتومی
گوگل میلیاردها دلار برای برنامه خود برای ساخت کامپیوتر کوانتومی خود تا سال 2029 هزینه می‌کند. این شرکت یک محوطه دانشگاهی در کالیفرنیا به نام Google AI افتتاح کرده است تا به آن کمک کند تا به هدف خود برسد. اخبار فناوری اطلاعات گویای این موضوع است که گوگل سال‌هاست که روی این تکنولوژی سرمایه‌گذاری کرده است.
همچنین، شرکت های دیگر، مانند هانیول اینترنشنال (HON) و آی‌بی‌ام (IBM) نیز چنین هستند. IBM انتظار دارد در سال های آینده به نقاط عطف بزرگی در محاسبات کوانتومی دست یابد.
در حالی که برخی از شرکت‌ها کامپیوترهای کوانتومی شخصی (اگرچه گران‌قیمت) ساخته‌اند، هنوز محصولی در بخش تجاری موجود نیست و علاقه‌ای به محاسبات کوانتومی و فناوری آن وجود دارد، زیرا JPMorgan Chase و Visa به دنبال این فناوری هستند. پس از توسعه، گوگل می‌تواند یک سرویس محاسبات کوانتومی را از طریق ابر راه اندازی کند.
شرکت‌ها همچنین می توانند بدون نیاز به ساخت کامپیوتر کوانتومی به فناوری کوانتومی دسترسی پیدا کنند. آی‌بی‌ام قصد دارد تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی داشته باشد. در حال حاضر، آی‌بی‌ام اجازه دسترسی به ماشین‌هایش را در صورتی که بخشی از شبکه کوانتومی آن هستند، می‌دهد. آنهایی که بخشی از شبکه هستند عبارتند از سازمان های تحقیقاتی، دانشگاه ها و آزمایشگاه ها
مایکروسافت نیز به شرکت‌ها امکان دسترسی به فناوری کوانتومی را به عنوان زیرمجموعه‌ای از پلتفرم مراکز داده خود یعنی آژور ارائه خواهد داد. این برخلاف شیوه گوگل است که دسترسی به کامپیوترهای کوانتومی خود را نمی‌فروشد.
سوالات متداول در مورد محاسبات کوانتومی
چگونه می‌توان یک کامپیوتر کوانتومی ساخت؟
ساخت یک کامپیوتر کوانتومی زمان بسیار زیادی می‌برد و به شکل وحشتناکی هزینه‌بر است. گوگل سال‌هاست که روی ساخت یک کامپیوتر کوانتومی کار می کند و میلیاردها دلار روی این موضوع هزینه کرده است. گوگل انتظار دارد تا سال 2029 کامپیوتر کوانتومی خود را آماده کند، اگرچه IBM امیدوار است با تلاش کارشناسانش تا پایان سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی 1000 کیوبیتی در سازمان خود داشته باشد.
هزینه ساخت یک کامپیوتر کوانتومی چقدر است؟
ساخت کامپیوترهای کوانتومی میلیاردها دلار هزینه دارد. با این حال، یک شرکت چینی با نام SpinQ قصد دارد کامپیوتر کوانتومی رومیزی 5000 دلاری را به مدارس و دانشگاه‌ها بفروشد. سال گذشته، فروش یک کامپیوتر کوانتومی را با قیمت 50000 دلار آغاز کرد. با این حال ماشین SpinQ، برخلاف کامپیوترهای کوانتومی گسترده، می‌تواند تنها 2 کیوبیت را پردازش کند.
یک کامپیوتر کوانتومی چقدر سریع است؟
یک کامپیوتر کوانتومی چندین برابر سریعتر از یک کامپیوتر کلاسیک و حتی یک ابر کامپیوتر است. گفته می‌شود که کامپیوتر کوانتومی گوگل، با نام Sycamore، در 200 ثانیه محاسبه‌ای انجام داده است که برای یکی از سریع‌ترین ابرکامپیوترهای جهان، یعنی IBM Summit، ده هزار سال طول می‌کشد تا حل شود. البته خود IBM این ادعا را رد می‌کند و می‌گوید 2.5 روز طول می‌کشد (هنوز هم بیش از هزار برابر کندتر از ماشین کوانتومی گوگل).
