كامپيوترهاي كوانتومي

راستش مونده بودم كجا بنويسم :برق يا فيزيك
بالاخره گذاشتمش اينجا فقط يه ذره مثل هميشه طولاني هستش كه اميدوارم ايندفعه برخلاف دفعات قبل تا آخر بخونينش ::46:
نسل آتى كامپيوترهاى سريع و پرتوان كوانتومى يك گام ديگر به واقعيت نزديك شدند. با برقرارى پيوندى ميان يك جفت چاه كوچك كه حاوى تعدادى الكترون بود، نوعى ترانزيستور كوانتومى ساخته شد. اين نوع ترانزيستورها به عنوان سوئيچينگ اصلى در تراشه هاى كامپيوترى به كار مى روند. محققان اين چاه هاى كوچك حاوى الكترون را نقطه هاى كوانتومى مى نامند. كامپيوترهاى نسل بعدى براى ذخيره كردن اطلاعات و تحليل داده هاى ديجيتالى از نقطه هاى كوانتومى استفاده خواهند كرد و با اين تكنيك گوى سبقت را از كامپيوترهاى امروزى خواهند ربود. برترى اين نوع كامپيوترها هم به خاطر حجم بسيار كوچك ترانزيستورها و هم به خاطر توان محاسباتى بسيار بالاى آنها خواهد بود. اين قابليت ها باعث خواهند شد توان محاسباتى كامپيوترهاى آتى صدها برابر كامپيوترهاى فعلى باشد.

با اين روش اميد به دستيابى محاسبات كوانتومى تقويت شده است. پروفسور آلبرت چنگ (Albert Chang) از دانشگاه پوردو مى گويد: ما بر اين باور هستيم كه تحقيق حاضر مى تواند امكان استفاده تعداد بسيار زيادى نقطه كوانتومى را به صورت گروهى، فراهم آورد. استفاده از اين تكنيك در صورتى كه بخواهيم از نقطه هاى كوانتومى به عنوان حافظه كامپيوتر بهره بگيريم، ضرورى است. در صورت استفاده از كامپيوترهاى كوانتومى در تجارت، امنيت بهتر تضمين مى شود و اطلاعات سرى به نحو بهترى محافظت مى شوند. در زمينه علم نيز تحقق اين امر به منزله پيدا كردن رابطه ميان فيزيك كلاسيك و فيزيك كوانتومى است. فيزيك كلاسيك محدوده اى را شامل مى شود كه با چشم قابل رويت است اما قوانين فيزيك كوانتوم بر دنياى بسيار ريز داخل اتم حكمرانى مى كنند. گزارش كامل اين تحقيق سى ام آوريل در نشريه فيزيكال ريويو لترز آمده است. روز به روز كه تراشه هاى كامپيوترى كوچكتر مى شوند، سازندگانى مى توانند در صحنه رقابت پيروز شوند كه از سوئيچ هاى كوچكترى روى تراشه ها استفاده كنند.

اين نوع كليدها در كامپيوترهاى فعلى در دو حالت خاموش يا روشن (صفر و يك) قرار مى گيرند و در اصطلاح به سيستم دوتايى (بيت) معروف هستند. اندازه بيت ها حد خاصى ندارند و اين امكان وجود دارد كه اندازه آنها تا حد يك مولكول كوچك شود. در اين وضعيت و در چنين ابعاد كوچكى ديگر قوانين فيزيك كلاسيك راهگشا نيستند و بايد از قوانين حاكم بر دنياى ذرات داخل اتم استفاده كرد. البته اين قوانين در بعضى موارد نتايج عجيبى به همراه دارند. به عنوان مثال الكترونى را تصور كنيد كه در يك لحظه هم مى تواند مانند ذره رفتار كند و مى تواند در همان لحظه خاصيت موجى نيز داشته باشد و در يك لحظه در هر دو قالب مشاهده شود. فيزيكدانان براى توصيف اين نوع پديده هاى دوگانه از مفاهيم جديد و گوناگونى استفاده مى كنند. مفهومى كه در اين مورد غالباً استفاده مى شود اسپين الكترون است كه مى توان تا حدى آن را شبيه اسپين محورى كره زمين در نظر گرفت. با وجود اسپين، هنگامى كه الكترون ها كنار هم قرار مى گيرند بايد ترتيب خاصى را رعايت كنند و هنگامى كه دو الكترون مى خواهند يك ناحيه از فضا را اشغال كنند بايد اسپين مخالف هم داشته باشند.

در اين حالت اگر يكى از الكترون ها اسپين در جهت بالا داشته باشد الكترون دوم اسپين پايين دارد. اسپين الكترون يكى از مفاهيمى است كه فيزيكدانان در تلاش هستند در حافظه كامپيوترها از آن استفاده كنند. محققان در اين آزمايش پس از به دام انداختن ۴۰ تا ۶۰ جفت الكترون در چاهى كه در داخل نيمه رسانايى از جنس گاليم آرسنيد و آلومينيوم گاليم آرسنيد بود، تك الكترون جفت نشده اى را به مجموعه اضافه كردند. اين الكترون اضافى باعث شد كه تمام مجموعه چاه كه محققان به آن نقطه كوانتومى مى گويند، اسپين خالص بالا يا پايين داشته باشد. محققان نقطه كوانتومى ديگرى را نيز به همين ترتيب ايجاد كردند.

تا زمانى كه اين دو مجموعه نسبت به هم ايزوله بودند هيچ جفت شدگى ميان دو نقطه كوانتومى مشاهده نمى شد. اما هنگامى كه از روش خاص كوك كردن استفاده شد دو نقطه كوانتومى با وجود آنكه اسپين مشابه هم داشتند از طريق الكترون هاى منفرد باهم مقيد شدند و رفتار آنها به گونه اى بود كه نشان مى داد از وجود همديگر تاثير مى پذيرند. اعضاى تيم از دروازه هاى خاصى براى به دام انداختن تك تك الكترون ها استفاده كردند و با تنظيم بسيار دقيق الكترونيكى، دو نقطه را نسبت به هم مقيد كردند. با استفاده از اين نوع دروازه ها امكان كنترل برهمكنش ميان دو نقطه ميسر شد. تركيب دو نقطه كوانتومى به گونه اى عمل مى كرد كه در يك لحظه هم اسپين بالا و هم اسپين پايين مشاهده مى شد. در هر نقطه كوانتومى اسپين بالا يا پايين در واقع بيانگر بيت صفر يا يك كوانتومى است كه در اصطلاح كيوبيت ناميده مى شود و مى توان از آن در تراشه هاى كامپيوترى استفاده كرد.

همين مقيد شدن دو نقطه نسبت به هم است كه باعث مى شود كامپيوترهاى كوانتومى توان محاسباتى بسيار بالايى داشته باشند، چرا كه در يك پيكربندى از دو نقطه كوانتومى اين امكان فراهم است كه در يك لحظه هر دو حالت اسپينى همزمان وجود داشته باشند. در واقع به اين ترتيب سوئيچ هايى درست شده اند كه همزمان خاموش و روشن هستند. و اين خصوصيت ويژه در كامپيوترهاى فعلى وجود ندارد. گروه هاى بزرگى از كيوبيت ها مى توانند در حل مشكلاتى كه هزاران راه حل بالقوه براى آنها وجود دارد، به كار آيند. يكى از اين مشكلات فاكتور ديگرى از اعداد بسيار بزرگ است كه در مخفى كردن اطلاعات مورد استفاده قرار مى گيرد.

در يك كامپيوتر خانگى كارهايى كه بايد توسط كامپيوتر انجام شود يك به يك به دنبال هم به صورت سرى و البته به سرعت انجام مى شوند. اما اگر بتوان تمام كارها را به صورت موازى با هم انجام داد و نه به صورت سرى مراحل محاسبات بسيار سريع تر به پايان مى رسد. در حل مشكلات مربوط به فاكتورگيرى از اعداد بزرگ حل كردن بعضى از مسائل با كامپيوترهاى فعلى ممكن است صدها سال طول بكشد. اما كامپيوترهاى كوانتومى به علت دارا بودن بيت هايى كه همزمان بر هر دو حالت ممكن قرار مى گيرند مى توانند بسيارى از محاسبات را همزمان انجام دهند. با اين روش امكان انجام محاسبات بزرگ در چند ساعت فراهم مى شود و نيازى به سپرى شدن يك دوره زندگى نيست.البته شايد اين سئوال پيش بيايد كه چرا در دنياى فيزيك دو نوع قانون داريم، بايد گفت كه در دنياى روزمره ما نيز همينگونه است گاهى به مرزهايى مى رسيم كه بعد از آن قوانين تغيير مى كنند در فيزيك نيز همينگونه است اما مرزهاى فيزيكى محدوده اتم ها را شامل مى شوند.

از آنجا كه كامپيوتر كوانتومى تمامى كيوبيت هايش را براى تطبيق دادن با روش كوانتومى نياز خواهد داشت، پردازشگر اين كامپيوتر به عنوان آزمايشگاهى براى كاوش دنياى كوانتومى عمل خواهد كرد. فيزيكدانان استفاده از كامپيوترهاى كوانتومى را تنها در توان محاسباتى بالاى آنها خلاصه نمى كنند. بلكه عقيده دارند كه اين قبيل كامپيوترها وابستگى كوانتومى را نيز نشان خواهند داد. قطعاتى كه كامپيوترها از آن ساخته مى شوند، اجزايى در مقياس بزرگ هستند اما اگر حافظه كامپيوتر كوانتومى باشد رفتارى متفاوت با كامپيوترهاى كلاسيكى خواهند داشت. هنگامى كه سيستم هاى كوانتومى با دنياى كلاسيكى ارتباط برقرار مى كنند معمولاً وابستگى كوانتومى خود را از دست مى دهند و به حالت كلاسيكى گرايش پيدا مى كنند. اما در اين تحقيق نقطه هاى كوانتومى ايجاد شده وابستگى كوانتومى را به مدت زيادى حفظ كردند. اين روش در واقع ايجاد سيستمى در مقياس بزرگ است. با اين قابليت كه همزمان مانند ذره و موج عمل مى كند. اين سيستم ها مى توانند پنجره اى به دنيايى باشند كه كاوش در آنها با روش هاى معمول ميسر نيست.

البته نقطه هاى كوانتومى ساخته شده، خيلى هم بزرگ نبودند و طول هر نقطه كوانتومى تنها ۲۰۰ نانومتر بود. البته كيوبيت ها قبلاً به روش هاى ديگرى نيز ايجاد شده بودند اما چنگ مى گويد: كيوبيت هايى كه اخيراً ساخته شدند اين قابليت را نشان دادند كه مى توان از آنها به صورت گروهى استفاده كرد و سيستم هايى با مقياس بزرگ ساخت كه بتوانند هماهنگ با هم كار كنند. هرچند تحقيقات انجام شده يك آزمايش فيزيكى بودند اما براى اولين بار نشان داده شد كه دو نقطه كوانتومى با هم مقيد مى شوند و امكان كنترل برهمكنش دو نقطه با دقت بالا ميسر است. نتايج اين تحقيق باعث اين اميدوارى شد كه طى دهه آينده پيشرفت علمى زيادى در اين زمينه حاصل خواهد شد.

news.uns.purdue.edu