کامپیوتر کوانتومی چیه و چطور کار می کنه؟ What is a quantum computer and how does it work?

از اون زمانی که کامپیوترای دیجیتال ساخته شدن Since when digital computers were made

یه چیزی حدود هفتاد هشتاد سال داره میگذره. Something about seventy or eighty years has been going on.

پردازنده‌های کامپیوتری که مغز کامپیوترا هستن سال به سال قوی‌تر شدن. Computer processors, which are the brains of computers, are getting stronger year by year.

اما این پیشرفت قرار نبود تا ابد ادامه داشته باشه، چون مشکلاتی پیش اومد But this progress was not going to last forever, because problems arose

که ردپای یکی از عجیب‌ترین مباحث علمی یعنی فیزیک کوانتوم توش دیده میشد! In which traces of one of the strangest scientific topics, quantum physics, could be seen!

توی این ویدیو میخوام در مورد کامپیوترهای کوانتومی صحبت کنم، In this video, I want to talk about quantum computers.

اما قبلش واجبه که یه خلاصه‌ی کوچولو از روش کار کامپیوترای فعلی بدونیم. But before that, it is necessary to know a little summary of the current computer work method.

بعد درباره‌ی این صحبت می‌کنم که اصلا چی شد که به فکر ساختن Then I will talk about what made you think about it

کامپیوترای کوانتومی افتادیم؟ مگه اینایی که الان داریم چشونه؟ Did we fall into a quantum computer? What is the one we have now?

بعدشم در مورد این صحبت می‌کنم که کامپیوترای کوانتومی چطوری کار میکنن، Next, I will talk about how quantum computers work.

و اینکه الان کجای کاریم، کامپیوترای کوانتومی که الان ساخته شدن تو چه مرحله‌ای‌ان. And where are we now, what are the stages of the quantum computer being built now.

پس اگه به این موضوع علاقه داری ادامه‌ی ویدیو رو ببین. So if you are interested in this topic, watch the rest of the video.

قبلشم اگه هنوز عضو کانالم نشدی If you haven't subscribed to my channel yet

دکمه‌ی سابسکرایب زیر ویدیو رو بزن و عضو کانالم شو. Click the subscribe button below the video and become a member of my channel.

خب یه خلاصه‌ی خیلی خیلی کوچولو از کامپیوترهای فعلی یعنی کامپیوترای دیجیتال Well, a very, very small summary of current computers, i.e. digital computers

میگم ولی برای اینکه ویدیو خیلی طولانی نشه خیلی خیلی ساده‌ش میکنم. I say, but in order not to make the video too long, I will make it very, very simple.

کامپیوترای رومیزی، لپتاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها اینا همه یه جور کامپیوترن. Desktop computers, laptops, smartphones, tablets are all a kind of computer.

یعنی یه اطلاعاتی از ما دریافت می‌کنن، یه پردازشی It means they receive some information from us, some processing

روش انجام میدن، بعد نتیجه رو به ما برمیگردونن. They do the procedure, then they return the result to us.

عمل پردازشو پردازشگر یا سی‌پی‌یو انجام میده. The processor or CPU does the processing.

سی‌پی‌یو مغز کامپیوتره. سی‌پی‌یو این کارو با استفاده از ترانزیستورها انجام میده. CPU is the brain of the computer. The CPU does this using transistors.

ترانزیستور مهم‌ترین قطعه‌ی الکترونیکیه و جزو بزرگترین اختراعات بشره. Transistor is the most important electronic component and one of the greatest inventions of mankind.

یه کاربرد ترانزیستور به صورت ساده اینه که مثل کلید قطع و وصل برق عمل میکنه. A simple application of a transistor is that it works like an on/off switch.

یعنی میتونیم دو حالت براش درنظر بگیریم: روشن و خاموش. That is, we can consider two modes for it: on and off.

خاموشو معادل عدد 0 درنظر میگیریم روشنو معادل عدد 1. We consider off as equal to the number 0 and on as equal to the number 1.

این صفرها و یک‌ها حروف الفبایی هستن که کامپیوترا باهاش کار میکنن و میفهمنش. These zeros and ones are the letters of the alphabet that computers work with and understand.

به هرکدوم از این حروف، یه بیت گفته میشه. Each of these letters is called a verse.

بیت مخفف binary digit هست یعنی عدد دودویی Bit stands for binary digit

یعنی فقط دو حالت میتونه داشته باشه، دو مقدار فقط میتونه بگیره یا صفر یا یک.

از کنار هم قرار دادن این صفر و یکها، حروف مختلف By putting these zeros and ones together, different letters

و اعداد و علامتای مختلف ساخته میشن. And different numbers and signs are made.

مثلا حرف A انگلیسی به این صورت ساخته میشه (01000001) For example, the English letter A is made like this (01000001)

یا حرف B اینجوری ساخته میشه (01000010).

هر هشت تا بیت و بهش میگن یه بایت. Every eight bits is called a byte.

یعنی مثلا 01000010 یه بایته چون از هشت تا بیت ساخته شده. For example, 01000010 is a byte because it is made of eight bits.

حالا هر 1024 بایت و میگن یه کیلوبایت، هر 1024 کیلوبایت و میگن Now every 1024 bytes is called a kilobyte, every 1024 kilobytes is called

یه مگابایت، هر 1024 مگابایت و میگن یه گیگابایت، One megabyte, every 1024 megabytes and they say one gigabyte.

همینجور ادامه داره تا ترابایت و پتا بایت و چیزای دیگه. It continues like this until terabytes and petabytes and other things.

برای نشون دادن حجم اطلاعات از بایت استفاده می‌کنیم We use bytes to show the amount of information

اما برای نشون دادن سرعت انتقال اطلاعات، از بیت استفاده می‌کنیم. But we use bits to show the data transfer speed.

بیت هم واسه خودش کیلوبیت و مگابیت و گیگابیت و اینا داره. Bit also has kilobits, megabits, gigabit and so on.

داخل سی‌پی‌یو یه سری مدار وجود داره که از ترانزیستورا ساخته شدن. Inside the CPU there is a series of circuits made of transistors.

این مدارا اعمال مختلف منطقی و محاسباتی رو انجام میدن. These tolerances perform various logical and computational operations.

هرچی زمان گذشت، تعداد ترانزیستورایی که روی یه سی‌پی‌یو بود بیشتر و بیشتر شد As time passed, the number of transistors on a CPU increased

در نتیجه چاره‌ای نبود جز اینکه اندازه‌ی ترانزیستورا کوچیک و کوچیکتر بشه. As a result, there was no choice but to make the size of the transistor smaller and smaller.

این کوچیک شدن اندازه اینقدر ادامه پیدا کرد تا اینکه This reduction in size continued until

اندازه‌ی ترانزیستور‌ها به اندازه‌ی اتما نزدیک شد! The size of transistors approached the size of atoms!

همین قضیه باعث مشکلات بزرگی شد که انگار اون This case caused big problems as if he

روند ساختن سی‌پی‌یوهای پیشرفته‌ترو به بن‌بست رسونده بود. The process of making more advanced CPUs had reached a dead end.

توی سایزای بزرگتر، قوانین مکانیک کلاسیک حاکم بود، In larger sizes, the laws of classical mechanics prevailed.

ولی وقتی به سایز اتما نزدیک‌تر شدیم قوانین کلاسیک جاشو داد به قوانین کوانتوم. But when we got closer to atomic size, classical laws gave way to quantum laws.

وقتی پای قوانین کوانتوم به سی‌پی‌یوها باز شد ادامه‌ی کارو خیلی سخت‌تر کرد. When quantum laws were introduced to CPUs, it made it much harder to keep up.

توپی که یه تنیس باز به دیوار میزنه، هردفعه بدون استثنا برمیگرده. The ball that a tennis player hits the wall, always bounces back without exception.

یعنی غیرممکنه توپ از دیواری که هیچ سوراخی نداره رد بشه. It means that it is impossible for the ball to pass through a wall that has no holes.

ولی وقتی وارد دنیای عجیب کوانتوم میشیم دیگه غیرممکن نیست.

البته نه با توپ، با یه چیز خیلی خیلی کوچیکتر مثل الکترون.

تو فیزیک کوانتوم یه پدیده‌‌ی عجیبی داریم به نام تونل‌زنی کوانتومی.

ساده‌ش این میشه که الکترون وقتی به یه دیوار فرضی غیرقابل نفوذ

برخورد میکنه، میتونه برگرده، میتونه ازش رد بشه، میتونه بین دیوار حتی گیر بیفته.

وارد جزییاتش نمیشم چون اون خودش یه ویدیوی کامل میخواد که

احتمالا در آینده بسازم ویدیوشو.

این اتفاق توی اندازه‌های کوانتومی خیلی رایجه، دائما در حال انجام شدنه.

برای ترانزیستورای نانومتری که نزدیک سایز اتم هستن هم میتونه اتفاق بیفته.

مثلا یه الکترون از یه ترانزیستور تونل بزنه بره به یه ترانزیستور دیگه.

این اصلا اتفاق خوبی نیست، چون میتونه باعث خطاهای بزرگ توی محاسبات بشه.

ولی باز طبق معمول، دانشمندا این تهدید رو تبدیل کردن به یه فرصت.

فیزیکدان بزرگ ریچارد فاینمن پیشنهاد کرد که محاسبات

کامپیوتری از دنیای دیجیتال وارد دنیای کوانتوم بشه

اینجوری غیر از حل اون مشکلات بزرگی که وجود داشت،

توان پردازشی هم چند برابر میشد.

کامپیوترهای کوانتومی، از قوانین فیزیک کوانتوم،

مثل برهم‌نهی یا سوپرپوزیشن استفاده می‌کنن.

در مورد سوپرپوزیشن و بقیه‌ی قوانین فیزیک کوانتوم

توی این ویدیو به زبون ساده توضیح دادم پیشنهاد میکنم ببینیدش.

ساختار کلی کامپیوترای کوانتومی مثل کامپیوترای معمولیه

اما یه سری فرقای اساسی باهم دیگه دارن.

توی کامپیوترای معمولی گفتم که واحد اطلاعات، بیته.

اما توی کامپیوترای کوانتومی، واحد اطلاعات، کیوبیت یا بیت کوانتومی هست.

توی کامپیوترای معمولی از ترانزیستور استفاده میشه

اما توی کامپیوترای کوانتومی، از یه سیستم کوانتومی مثل

الکترون یا فوتون یا حتی اتم‌ها و یون‌ها استفاده میشه. Electrons or photons or even atoms and ions are used.

الکترون یه چرخش به دور خودش داره که بهش میگن اسپین. Electron has a rotation around itself which is called spin.

چرخش الکترون توی یه جهتو میگن اسپین بالا و توی جهت مخالف میگن اسپین پایین.

از اون طرف، چون الکترون یه سیستم کوانتومیه،

میتونه به طور همزمان هم اسپین بالا داشته باشه هم اسپین پایین.

یعنی توی یه سوپرپوزیشن از این دو تا حالت باشه.

بعد وقتی که ما اندازه‌گیری روش انجام میدیم روی یکی از این دو حالت قرار میگیره،

ثابت میشه. در مورد فوتون هم مشابه همین حالتو داریم اما با یه کم تفاوت.

پس برای کیوبیت‌ می‌تونیم از الکترون یا فوتون

یا سیستمای کوانتومی دیگه استفاده کنیم.

اما مزیت اصلی کیوبیت رو میتونم اینطوری به صورت خلاصه براتون توضیح بدم:

یه کره در نظر بگیرید. بیت، میتونه فقط روی یکی از دو قطب

کره قرار بگیره یعنی یا قطب بالاش یا پایینش.

اما کیوبیت، میتونه روی هر نقطه‌ای از کره باشه

روی هر نقطه‌ای از سطح کره، اونم به صورت همزمان.

به این کره اصطلاحا میگن کره‌ی بلوخ. This butter is called Bloch butter.

پس میتونیم بگیم کیوبیت، میتونه به طور همزمان هم صفر باشه، هم یک باشه،

هم هر مقدار دیگه‌ای بین صفر و یک. این قدرت اصلی و مزیت بزرگ کیوبیته.

همین باعث میشه که پردازش اطلاعات توی کامپیوترای کوانتومی،

به صورت موازی انجام بشه یعنی دیگه نیازی نیست مث کامپیوترای معمولی،

اول این کار انجام بشه، بعد اون یکی، بعد این یکی.

همه‌ی اینا باهم به صورت موازی انجام میشن در نتیجه

میتونه میلیون‌ها بار سریع‌تر از کامپیوترای فعلی باشه.

خب تا اینجا با اصول کار کامپیوترای فعلی و کوانتومی آشنا شدیم.

حالا بریم سراغ کامپیوترای کوانتومی که تا الان تونستیم درست کنیم.

سال 1998 اولین کامپیوتر کوانتومی با ظرفیت 2 کیوبیت ساخته شد.

دو سال بعد، کامپیوترای 5 کیوبیتی و 7 کیوبیتی ساخته شدن.

پیشرفتا همینجور ادامه داشت تا اینکه سال 2011 شرکت کانادایی

D-Wave یک کامپیوتر 128 کیوبیتی ساخت که قدم خیلی بزرگی بود.

البته بحثای زیادی درباره‌ش هست که این کامپیوتر واقعا کوانتومی حساب میشه یا نه.

در کل الان اینجوریه که شرکتای مختلف مثل گوگل و مایکروسافت و

آی‌بی‌ام و شرکتای دیگه هرکدومشون یه روش خاصی

برای پیاده کردن کامپیوترای کوانتومی استفاده میکنن.

هنوز به اونجا نرسیدیم که یه روال خیلی دقیقی براش پیدا کرده باشیم.

یه دلیلشم اینه که پیاده کردن این کامپیوترا اصلا کار راحتی نیست،

هنوز مشکلات خیلی زیادی توش هست که حل نشده.

سال 2019 گوگل اعلام کرد که یه کامپیوتر کوانتومی ساخته که

عملیاتی که قویترین ابرکامپیوتر دنیا، یعنی سامیت، ده‌هزار سال زمان

نیاز داشته برای انجامش، این میتونه توی یه دقیقه انجام بده.

اما آی‌بی‌ام این ادعای گوگل رو زیر سوال برد.

در کل همونطور که گفتم هنوز نتونستیم به یه روال کلی در مورد

ساخت کامپیوترای کوانتومی برسیم، هر شرکتی تقریبا داره کار خودشو میکنه.

خب طبیعی هم هست بهرحال اول راهیم.

حالا بریم ببینیم این کامپیوترای کوانتومی چه خوبیایی دارن چه بدیایی دارن.

اولین و مهمترین مزیتشون سرعت خیلی خیلی بالاشونه.

پردازشایی که توی کامپیوترای معمولی 1000 سال زمان میبره

توی کامپیوترای کوانتومی فقط چند ثانیه طول میکشه.

یعنی اون مسایل مهمی که نمی‌تونیم چندصد سال صبر کنیم تا

یه کامپیوتر معمولی یا ابرکامپیوتر جوابشو بهمون بده،

خیلی راحت توی چند ثانیه با استفاده از یه کامپیوتر کوانتومی جوابشو میگیریم.

یه مزیت دیگه‌شون اینه که خیلی برای شبیه‌سازی مناسبن.

شبیه‌سازیای خیلی سنگین که از کامپیوترای معمولی برنمیادو خیلی راحت انجام میدن.

مثل پیش‌بینی‌های پیچیده‌ی آب و هوا، شبیه‌سازیای

شیمیایی برای کشف داروهای جدید یا کارای دیگه.

غیر از اینا، کامپیوترای کوانتومی می‌تونن برای کارای امنیتی خیلی قوی استفاده بشن.

رمزگذاریایی که این کامپیوترا انجام میدن غیرقابل شکستنه.

کاربرد جالب دیگه‌شون توی هوش مصنوعی و یادگیری ماشینه.

یعنی به خاطر سرعت بالا و ویژگیای دیگه‌شون،

باعث میشن که هوش مصنوعی خیلی سریع‌تر و دقیق‌تر کار کنه.

اما کنار این همه مزیت، یه سری معایبی هم دارن.

بزرگترین ایراد کامپیوترای کوانتومی اینه که به خاطر اون ساختار خاصی که

دارن باید توی دمای خیلی خیلی پایین نزدیک به صفر مطلق

یا توی خلا خیلی زیاد ازشون استفاده بشه.

صفر مطلق یا صفر کلوین دمای 273- درجه سلسیوس که

پایین‌تر از این دما نمیشه رفت یعنی پایین‌ترین دمای ممکن توی جهانه.

حفظ کردن این دما برای یه کامپیوتر کوانتومی کار خیلی سخت و پرهزینه‌ایه.

برای همین فعلا نمیتونیم انتظار داشته باشیم کامپیوترای کوانتومی وارد

خونه‌هامون بشن یا مثلا توی گوشی‌هامون از پردازنده‌های کوانتومی استفاده بشه.

مگه اینکه این مشکل بزرگ قبلش حل بشه.

مشکل دیگه‌ای که دارن درصد خطای بالا هست.

هرچی تعداد کیوبیتا بیشتر میشه مقدار این خطا هم بیشتر میشه.

البته خب هنوز توی مرحله‌ی توسعه هستن، این مشکلاتم به مرور زمان حتما حل میشن.

اما غیر از همه‌ی اینا یه مساله‌ی بزرگم این وسط وجود داره.

طبق چیزی که کارشناسا الان دارن میگن، اگه کامپیوترای کوانتومی بتونن

به یه روش خیلی خوبی پیاده‌سازی بشن، یه بحران امنیتی بزرگ تو کل جهان بوجود میاد.

همه‌ی پسوردایی که توی اینترنت هست ممکنه هک بشن.

دلیلش قدرت پردازش خیلی بالای این کامپیوتراس که

میتونن تمام اون سیستمای رمزگذاری که الان داره تو اینترنت استفاده میشه رو بشکنن.

برای همین این اعتقاد وجود داره که باید اول اون کشورایی که رفتار

دوستانه دارن به این فناوری دست پیدا کنن تا اینکه ازش سواستفاده نشه.

وقتی همه مجهز به کامپیوترای کوانتومی بشن و

بتونن از رمزگذاری قوی کوانتومی استفاده کنن، امنیتم دوباره برقرار میشه.

یه تصور اشتباهی که هست اینه که خب الان کامپیوترای کوانتومی دارن

میان، دیگه کم‌کم نسل کامپیوترای فعلی منقرض میشه و کامپیوتر‌های کوانتومی

میان جاشونو میگیرن، سرعت همه‌ی کارا بیشتر میشه و این حرفا.

اما واقعیت اینه که اینطوری نیست.

کامپیوترای کوانتومی برای یه سری کارای خاص خوبن، اکثرا کارای بزرگ.

اما برای کاربردای عادی، فعلا همین کامپیوترای معمولی عملکرد بهتری دارن.

شاید در آینده همه چیز عوض بشه اما فعلا که اینطوریه.

پس حتی بعد از تکامل کامپیوترای کوانتومی هم نمیتونیم انتظار داشته باشیم

که جای کامپیوترای فعلی رو بگیرن، بلکه کنار این کامپیوترا،

یه سری کارای خاصی که الان به عهده‌ی سوپر کامپیوتراست رو اینا انجام میدن.

اگه این ویدیو رو دوس داشتی لایک فراموش نشه،

منتظر نظراتتونم هستم، مثل همیشه

بدون ترس، سوال بپرس و دنبال جواب باش.