| نویسنده / نویسندگان : | محمد بهلول- لیلا شجاعی |
| مترجم : | |
| کلید واژه : | رایانه ـ کوانتومی ـ سی پی یو ها ـ کلاسیک ـ موازی گری انتگرال‌گیری ـ ترانزیستور |
| چکیده : | بگذارید با چند پرسش شروع کنیم، آیا رایانه‌های امروزی قادر هستند تمام فرایندهای فیزیکی را شبیه‌سازی کنند؟ سی.پی.یو‌ها (واحد پردازنده مرکزی) تا چه حد کوچک‌تر می‌شوند؟ رایانه‌های امروزی تا چه مقدار سریع‌تر می‌شوند؟ |
| منابع : |
از فاینمن تا نوبل 2012
بگذارید با چند پرسش شروع کنیم، آیا رایانه‌های امروزی قادر هستند تمام
فرایندهای فیزیکی را شبیه‌سازی کنند؟ سی.پی.یو‌ها (واحد پردازنده مرکزی) تا
چه حد کوچک‌تر می‌شوند؟ رایانه‌های امروزی تا چه مقدار سریع‌تر می‌شوند؟
پرسش اول: ریچارد فاینمن
ریچارد فاینمن نابغه‌ای در فیزیک با ایده‌های بزرگ، استادی متبحر با
شیوه‌های جذاب آموزشی و برنده جایزه نوبل بود. از ایده‌های بزرگ او می‌توان
به ایده فناوری نانو که در مقاله‌ای برای اولین بار پای ایده فناوری نانو
رو به میان کشید، نام برد. هرچند که او این نام را بر روی آن نگذاشت، اما
ایده او باعث پیشرفت شگرفی در علم شد. ایده دیگر او که در اینجا مدنظر ماست
به رایانه‌های کوانتومی بر‌می‌گردد. در سال 1980 او عنوان کرد که
رایانه‌های امروزی قادر نیستند برخی از جنبه‌های مکانیک کوانتومی را
شبیه‌سازی کنند، و باید به رایانه‌هایی متوسل شویم که بر اساس قوانین
مکانیک کوانتومی کار می‌کنند. او جزئیات بیشتری در این‌باره ارائه نداد.
تا اینکه در سال 1994 پیتر شور یک الگوریتم کوانتومی زمانی چند جمله‌ای را
برای عوامل انتگرال‌گیری ارائه داد. پس از آن بود که دانشمندان به این
زمینه علاقه‌مند شدند و زمینه‌های تحقیقات در این زمینه فراهم شد. با
پیشرفت فناوری لازم برای دستکاری اتم‌ها و دستیابی به مقیاس بسیار ریز
پیشرفت‌های شگرفی در این زمینه به‌وجود آمد که البته هنوز برای رسیدن به
رایانه‌های کوانتومی قابل دسترس همگان فاصله بسیار است.
پرسش دوم: قانون مور
در طول نیم قرن گذشته قدرت رایانه‌ها در هر یک سال و نیم، دو برابر شده
است. این رشد سریع توان رایانه‌ها به افتخار گوردون مور مدیر عامل اینتل به
"قانون مور" معروف شده است. قانون مور تنها یک قانون برای طبیعت نیست،
بلکه قانونی مربوط به ذکاوت و نبوغ بشری نیز هست. رایانه‌ها در هر ماه 18
ماه دو برابر سریع‌تر شده‌اند، زیرا در این مدت مهندسان دریافته‌اند که
چطور اندازه سیم‌ها و دروازه‌های منطقی را به نصف آن مقداری که قبلا با آن
ساخته شده بودند، کاهش دهند. هر بار که اندازه ادوات اساسی رایانه‌ها نصف
می‌شود، دو برابر از آنها در همان فضای تراشه قبلی جا می‌شوند. رایانه حاصل
دوبرابر سریع‌تر از نمونه یک سال و نیم قبل خودش است.
اگر قانون مور را برای آینده مجسم کنیم، خواهید دید که ظرف مدت حدودا 40 سال، اندازه سیم‌ها و گیت‌های منطقی که رایانه‌ها با آنها ساخته می‌شوند به اندازه ابعاد اتمی می‌رسد، در نتیجه اگر قرار باشد قانون مور پابرجا بماند، باید رایانه‌هایی بسازیم که در مقیاس کوانتومی عمل کنند. رایانه‌های کوانتومی نمایانگر آخرین حد کوچک‌سازی هستند.
در این رایانه‌ها برای نشان دادن هر بیت از یک اتم (یا حتی الکترون)
استفاده می‌کنند و آن را بیت کوانتومی یا کیوبیت می‌نامند. مثلا برای نشان
دادن بیت یک از اسپین بالا و برای نشان دادن بیت صفر از اسپین پایین
استفاده می‌کنند. ویژگی این کیوبیت‌ها این است که اسپین علاوه بر صفر و یک
می‌تواند هر مقداری بین این دو را هم داشته باشد. در رایانه‌های امروزی هر
بیت را یک ترانزیستور نشان می‌دهند. بنابراین مشخص است با تغییر اندازه از
ترانزیستور به اتم سی.پی.یو چقدر کوچک می‌شود. و در همان فضای قبلی می‌توان
تعداد بیت‌های بیشتری را گنجاند و سرعت بیشتری را تجربه کرد. نکته دیگر
اینکه با کوچک شدن مقیاس سی.پی.یو و رسیدن به اندازه‌های میکروسکوپیک
قوانین حاکم بر سی.پی.یو دیگر کلاسیک نیست و قوانین کوانتومی بر آن حاکم
است و بنابراین می‌توان با این رایانه‌ها، فرآیندهای کوانتومی را به
خوبی‌شبیه‌سازی کرد.
پرسش سوم: موازی‌گری کوانتومی
یکی از جنبه‌های شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی موازی‌گری کوانتومی است. با
یک مثال این جنبه را بررسی می‌کنیم. فرض کنید بخواهیم بزرگترین عامل اول یک
رقمی یک عدد دو رقمی را پیدا کنیم. مثلا بخواهیم بزرگترین عامل اول عدد
90 که تک رقمی باشد را محاسبه کنیم، تنها راه آن پیدا کردن عوامل اول تک
رقمی است (2و3و5و7) و ببینیم 90 بر کدام یک بخش‌پذیرند و محاسبه آن است.90
هم بر دو هم بر سه هم بر پنج بخش‌پذیر است که بزرگترین آنها پنج است.
شاید این کار برای اعداد با تعداد ارقام کوچک بسیار ساده باشد، حال فرض کنید بخواهیم بزرگترین عامل اول 100 رقمی یک عدد 200 رقمی را بدانیم. این کار به قدری طولانی و سخت است که تنها یک بار و با وصل کردن چندین ابررایانه انجام شده است که چندین ماه طول کشیده و برای این کار تعداد عوامل اول 100 رقمی را باید پیدا کرد و تک‌تک آنها را محاسبه کرد. این کار به دلیل اینکه هر رایانه، در هر لحظه فقط یک پردازش می‌تواند انجام دهد. حال فرض کنید مسئله پیدا کردن بزرگترین عامل 200 رقمی یک عدد 400 رقمی را پیدا کنیم.
انجام این محاسبه امروز غیرممکن است. اما رایانه‌های کوانتومی چگونه می‌توانند این کار را سریع‌تر انجام می‌دهند؟
این کار به وسیله توازی کوانتومی انجام می‌پذیرد، یکی از جلوه‌های شگفت‌انگیز مکانیک کوانتومی این است که یک سیستم کوانتومی در یک لحظه چند پردازش به‌صورت موازی می‌تواند انجام دهد. این کار توسط الگوریتم گروور برای رایانه‌های کوانتومی امکان‌پذیر شده است. شاید بگویید رایانه‌های امروزی این کار را با قرار دادن چند سی.پی.یو درکنار هم انجام می‌دهند. اما در واقع هر سی.پی.یو در هر لحظه یک پردازش انجام می‌دهد و این در کنار هم قرار گرفتن به انجام چند پردازش در یک لحظه می‌انجامد. اما ماهیت سی.پی.یو‌های کوانتومی کاملا متفاوت است در آنها هر سی.پی.یو چند پردازش را همزمان انجام می‌دهند.
نتیجه‌گیری
با وجود این پیشرفت‌ها در زمینه مکانیک کوانتومی و فناوری و دستیابی به
مهندسی مقیاس نانو، اما تا رسیدن به سرعت مورد نظر سال‌ها راه است و
بیشترین سرعت رایانه‌های کوانتومی امروز در حدود چند میلیون پردازش در
ثانیه است. اما در رایانه‌های کلاسیک این سرعت در حد چند میلیارد پردازش
است.
البته در اینجا باید متذکر شویم که گیت‌های کوانتومی، تلپاتی، اطلاعات
کوانتومی و... از مباحث کوانتومی هستند که هر یک تاثیر به‌سزایی در تسریع
کار رایانه‌های کوانتومی دارند و می‌توانند باعث پیشرفت در زمینه
رایانه‌های کوانتومی شوند.
منبع: مجله دانشمند شماره 615 دی 1393
مجله دانشمند 615 کامپیوتر کوانتومی کامپیوترهای کوانتومی ریزپزدازنده کوانتومی