محاسبات کوانتومی از مکانیک کوانتومی برای پردازش مقادیر عظیمی از اطلاعات با سرعت باورنکردنی بالا استفاده می کند. چند دقیقه تا چند ساعت طول می‌کشد تا یک کامپیوتر کوانتومی مشکلی را حل کند که حل آن سال‌ها یا دهه‌ها طول می‌کشد.
محاسبات کوانتومی زمینه را برای نسل جدیدی از ابر رایانه ها فراهم می کند. انتظار می‌رود این رایانه‌های کوانتومی در زمینه‌هایی مانند مدل‌سازی، لجستیک، تحلیل روند، رمزنگاری و هوش مصنوعی از فناوری‌های موجود بهتر عمل کنند.
محاسبات کوانتومی توضیح داده شد
ایده محاسبات کوانتومی اولین بار در اوایل دهه 1980 توسط ریچارد فاینمن و یوری مانین تصور شد.فاینمن و مانین معتقد بودند که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند داده ها را به روشی شبیه سازی کند که یک کامپیوتر رومیزی نمی تواند. تا اواخر دهه 1990 بود که محققان اولین کامپیوترهای کوانتومی را ساختند.
محاسبات کوانتومی از مکانیک کوانتومی مانند برهم نهی و درهم تنیدگی برای انجام محاسبات استفاده می کند. مکانیک کوانتومی شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعه چیزهایی می‌پردازد که بسیار کوچک، منزوی یا سرد هستند.
واحد پردازش اولیه محاسبات کوانتومی بیت کوانتومی یا کیوبیت است. کیوبیت ها در کامپیوتر کوانتومی با استفاده از خواص مکانیکی کوانتومی تک اتم ها، ذرات زیر اتمی یا مدارهای الکتریکی ابررسانا ایجاد می شوند.
کیوبیت‌ها شبیه بیت‌های مورد استفاده در رایانه‌های رومیزی هستند، زیرا کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت کوانتومی ۱ یا صفر باشند. کیوبیت ها از این جهت متفاوت هستند که می توانند در برهم نهی حالت های 1 و 0 نیز باشند، به این معنی که کیوبیت ها می توانند هر دو 1 و 0 را به طور همزمان نشان دهند.
وقتی کیوبیت ها در برهم نهی هستند، دو حالت کوانتومی با هم جمع می شوند و منجر به یک حالت کوانتومی دیگر می شوند.برهم نهی به این معنی است که چندین محاسبات به طور همزمان پردازش می شوند. بنابراین، دو کیوبیت می توانند چهار عدد را به طور همزمان نشان دهند. رایانه‌های معمولی بیت‌ها را فقط در یکی از دو حالت ممکن، 1 یا 0 پردازش می‌کنند، و محاسبات در یک زمان پردازش می‌شوند.
رایانه های کوانتومی همچنین از درهم تنیدگی برای پردازش کیوبیت ها استفاده می کنند. هنگامی که یک کیوبیت درهم می‌آید، وضعیت آن کیوبیت به وضعیت کیوبیت دیگر بستگی دارد، به طوری که یک کیوبیت وضعیت جفت مشاهده نشده خود را نشان می‌دهد.
پردازنده کوانتومی هسته رایانه است
ایجاد کیوبیت کار دشواری است. برای حفظ یک کیوبیت برای هر مدت زمان نیاز به یک محیط منجمد است. مواد ابررسانا مورد نیاز برای ایجاد یک کیوبیت باید تا صفر مطلق (حدود منفی 272 درجه سانتیگراد) خنک شوند. کیوبیت ها همچنین باید از نویز پس زمینه محافظت شوند تا خطاهای محاسباتی کاهش یابد.
داخل یک کامپیوتر کوانتومی شبیه یک لوستر طلایی فانتزی است. و بله، با طلای واقعی ساخته شده است. این یک یخچال رقیق‌سازی است که تراشه‌های کوانتومی را خنک می‌کند تا رایانه بتواند بدون از دست دادن اطلاعات، برهم‌نهادها ایجاد کند و کیوبیت‌ها را در هم ببندد.
کامپیوتر کوانتومی این کیوبیت ها را از هر ماده ای می سازد که ویژگی های مکانیکی کوانتومی قابل کنترل را نشان می دهد. پروژه‌های محاسباتی کوانتومی، کیوبیت‌ها را به روش‌های مختلف ایجاد می‌کنند، مانند حلقه کردن سیم ابررسانا، چرخاندن الکترون‌ها و به دام انداختن یون‌ها یا پالس‌های فوتون. این کیوبیت‌ها فقط در دمای زیر انجماد ایجاد شده در یخچال رقیق‌سازی وجود دارند.
زبان برنامه نویسی محاسبات کوانتومی
الگوریتم های کوانتومی داده ها را تجزیه و تحلیل می کنند و بر اساس داده ها شبیه سازی را ارائه می دهند. این الگوریتم ها در یک زبان برنامه نویسی متمرکز کوانتومی نوشته شده اند. چندین زبان کوانتومی توسط محققان و شرکت‌های فناوری توسعه داده شده است.
اینها چند زبان برنامه نویسی محاسبات کوانتومی هستند:
- QISKit: کیت نرم افزار اطلاعات کوانتومی از IBM یک کتابخانه تمام پشته برای نوشتن، شبیه سازی و اجرای برنامه های کوانتومی است.
- Q: زبان برنامه نویسی موجود در کیت توسعه کوانتومی مایکروسافت. کیت توسعه شامل یک شبیه ساز کوانتومی و کتابخانه های الگوریتم است.
- Cirq: یک زبان کوانتومی توسعه یافته توسط Google که از کتابخانه پایتون برای نوشتن مدارها و اجرای این مدارها در رایانه‌های کوانتومی و شبیه‌سازها استفاده می‌کند.
- Forest: یک محیط توسعه‌دهنده ایجاد شده توسط Rigetti Computing که برنامه‌های کوانتومی را می‌نویسد و اجرا می‌کند.
کاربردها برای محاسبات کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی واقعی در چند سال اخیر در دسترس قرار گرفته اند و تنها چند شرکت بزرگ فناوری کامپیوتر کوانتومی دارند. برخی از این شرکت های فناوری عبارتند از گوگل، آی بی ام، اینتل و مایکروسافت. این رهبران فناوری با تولیدکنندگان، شرکت‌های خدمات مالی و شرکت‌های بیوتکنولوژی برای حل مشکلات مختلف کار می‌کنند.
در دسترس بودن خدمات کامپیوتر کوانتومی و پیشرفت در قدرت محاسباتی به محققان و دانشمندان ابزارهای جدیدی برای یافتن راه حل هایی برای مشکلاتی که قبلاً حل آنها غیرممکن بود، می دهد.محاسبات کوانتومی مقدار زمان و منابع لازم برای تجزیه و تحلیل مقادیر باورنکردنی داده، ایجاد شبیه‌سازی در مورد آن داده‌ها، توسعه راه‌حل‌ها و ایجاد فناوری‌های جدید برای رفع مشکلات را کاهش داده است.
کسب و کار و صنعت از محاسبات کوانتومی برای کشف راه های جدید کسب و کار استفاده می کنند. در اینجا تعدادی از پروژه های محاسبات کوانتومی که ممکن است برای تجارت و جامعه مفید باشد آورده شده است:
- صنعت هوافضا از محاسبات کوانتومی برای بررسی راه‌های بهتر برای مدیریت ترافیک هوایی استفاده می‌کند.
- شرکت‌های مالی و سرمایه‌گذاری امیدوارند از محاسبات کوانتومی برای تجزیه و تحلیل ریسک و بازده سرمایه‌گذاری‌های مالی، بهینه‌سازی استراتژی‌های پورتفولیو و تسویه انتقال‌های مالی استفاده کنند.
- تولیدکنندگان از محاسبات کوانتومی برای بهبود زنجیره تامین خود، ایجاد کارایی در فرآیندهای تولید خود و توسعه محصولات جدید استفاده می کنند.
- شرکت‌های بیوتکنولوژی در حال بررسی راه‌هایی برای تسریع در کشف داروهای جدید هستند.
یک کامپیوتر کوانتومی پیدا کنید و با محاسبات کوانتومی آزمایش کنید
برخی از دانشمندان رایانه روش هایی را برای شبیه سازی محاسبات کوانتومی در رایانه رومیزی توسعه می دهند.
بسیاری از بزرگترین شرکت های فناوری جهان خدمات کوانتومی ارائه می دهند. وقتی این سرویس‌های کوانتومی با رایانه‌ها و سیستم‌های رومیزی جفت می‌شوند، محیطی ایجاد می‌کنند که در آن پردازش کوانتومی - با رایانه‌های رومیزی - مشکلات پیچیده را حل می‌کند.
- IBM محیط IBM Q را با دسترسی به چندین رایانه کوانتومی واقعی و شبیه‌سازی‌هایی که می‌توانید از طریق ابر استفاده کنید، ارائه می‌کند.
- Alibaba Cloud یک پلتفرم ابری رایانش کوانتومی ارائه می دهد که در آن می توانید کدهای کوانتومی سفارشی ساخته شده را اجرا و آزمایش کنید.
- مایکروسافت یک کیت توسعه کوانتومی ارائه می دهد که شامل زبان برنامه نویسی Q، شبیه سازهای کوانتومی، و کتابخانه های توسعه کدهای آماده برای استفاده است.
- Rigetti اولین پلتفرم ابری کوانتومی دارد که در حال حاضر در مرحله بتا است. پلت فرم آنها با Forest SDK آنها از قبل پیکربندی شده است.
اخبار محاسبات کوانتومی در آینده
رویا این است که رایانه های کوانتومی مشکلاتی را که در حال حاضر بسیار بزرگ و پیچیده تر از آن هستند را با سخت افزار استاندارد حل کنند، به ویژه برای مدل سازی محیطی و مهار بیماری.
کامپیوترهای رومیزی فضای لازم برای اجرای این محاسبات پیچیده و انجام این حجم باورنکردنی از تجزیه و تحلیل داده ها را ندارند. محاسبات کوانتومی بزرگترین مجموعه داده های بزرگ را می گیرد و این اطلاعات را در کسری از زمانی که در رایانه رومیزی طول می کشد پردازش می کند. پردازش و تجزیه و تحلیل داده‌هایی که یک رایانه رومیزی چندین سال طول می‌کشد برای یک رایانه کوانتومی فقط چند روز طول می‌کشد.
محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل اولیه است، اما این پتانسیل را دارد که پیچیده ترین مسائل جهان را با سرعت نور حل کند. هر کسی حدس می‌زند که محاسبات کوانتومی تا کجا رشد خواهد کرد و در دسترس بودن رایانه‌های کوانتومی.
