کامپیوتر کوانتومی چیه و چطور کار می کنه؟

از اون زمانی که کامپیوترای دیجیتال ساخته شدن

یه چیزی حدود هفتاد هشتاد سال داره میگذره.

پردازنده‌های کامپیوتری که مغز کامپیوترا هستن سال به سال قوی‌تر شدن.

اما این پیشرفت قرار نبود تا ابد ادامه داشته باشه، چون مشکلاتی پیش اومد

که ردپای یکی از عجیب‌ترین مباحث علمی یعنی فیزیک کوانتوم توش دیده میشد!

توی این ویدیو میخوام در مورد کامپیوترهای کوانتومی صحبت کنم،

اما قبلش واجبه که یه خلاصه‌ی کوچولو از روش کار کامپیوترای فعلی بدونیم.

بعد درباره‌ی این صحبت می‌کنم که اصلا چی شد که به فکر ساختن

کامپیوترای کوانتومی افتادیم؟ مگه اینایی که الان داریم چشونه؟

بعدشم در مورد این صحبت می‌کنم که کامپیوترای کوانتومی چطوری کار میکنن،

و اینکه الان کجای کاریم، کامپیوترای کوانتومی که الان ساخته شدن تو چه مرحله‌ای‌ان.

پس اگه به این موضوع علاقه داری ادامه‌ی ویدیو رو ببین.

قبلشم اگه هنوز عضو کانالم نشدی

دکمه‌ی سابسکرایب زیر ویدیو رو بزن و عضو کانالم شو.

خب یه خلاصه‌ی خیلی خیلی کوچولو از کامپیوترهای فعلی یعنی کامپیوترای دیجیتال

میگم ولی برای اینکه ویدیو خیلی طولانی نشه خیلی خیلی ساده‌ش میکنم.

کامپیوترای رومیزی، لپتاپ‌ها، گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها اینا همه یه جور کامپیوترن.

یعنی یه اطلاعاتی از ما دریافت می‌کنن، یه پردازشی

روش انجام میدن، بعد نتیجه رو به ما برمیگردونن.

عمل پردازشو پردازشگر یا سی‌پی‌یو انجام میده.

سی‌پی‌یو مغز کامپیوتره. سی‌پی‌یو این کارو با استفاده از ترانزیستورها انجام میده.

ترانزیستور مهم‌ترین قطعه‌ی الکترونیکیه و جزو بزرگترین اختراعات بشره.

یه کاربرد ترانزیستور به صورت ساده اینه که مثل کلید قطع و وصل برق عمل میکنه.

یعنی میتونیم دو حالت براش درنظر بگیریم: روشن و خاموش.

خاموشو معادل عدد 0 درنظر میگیریم روشنو معادل عدد 1.

این صفرها و یک‌ها حروف الفبایی هستن که کامپیوترا باهاش کار میکنن و میفهمنش.

به هرکدوم از این حروف، یه بیت گفته میشه.

بیت مخفف binary digit هست یعنی عدد دودویی

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

و اعداد و علامتای مختلف ساخته میشن.

مثلا حرف A انگلیسی به این صورت ساخته میشه (01000001)

یا حرف B اینجوری ساخته میشه (01000010).

هر هشت تا بیت و بهش میگن یه بایت.

یعنی مثلا 01000010 یه بایته چون از هشت تا بیت ساخته شده.

حالا هر 1024 بایت و میگن یه کیلوبایت، هر 1024 کیلوبایت و میگن

یه مگابایت، هر 1024 مگابایت و میگن یه گیگابایت،

همینجور ادامه داره تا ترابایت و پتا بایت و چیزای دیگه.

برای نشون دادن حجم اطلاعات از بایت استفاده می‌کنیم

اما برای نشون دادن سرعت انتقال اطلاعات، از بیت استفاده می‌کنیم.

بیت هم واسه خودش کیلوبیت و مگابیت و گیگابیت و اینا داره.

داخل سی‌پی‌یو یه سری مدار وجود داره که از ترانزیستورا ساخته شدن.

این مدارا اعمال مختلف منطقی و محاسباتی رو انجام میدن.

هرچی زمان گذشت، تعداد ترانزیستورایی که روی یه سی‌پی‌یو بود بیشتر و بیشتر شد

در نتیجه چاره‌ای نبود جز اینکه اندازه‌ی ترانزیستورا کوچیک و کوچیکتر بشه.

این کوچیک شدن اندازه اینقدر ادامه پیدا کرد تا اینکه

اندازه‌ی ترانزیستور‌ها به اندازه‌ی اتما نزدیک شد!

همین قضیه باعث مشکلات بزرگی شد که انگار اون

روند ساختن سی‌پی‌یوهای پیشرفته‌ترو به بن‌بست رسونده بود.

توی سایزای بزرگتر، قوانین مکانیک کلاسیک حاکم بود،

ولی وقتی به سایز اتما نزدیک‌تر شدیم قوانین کلاسیک جاشو داد به قوانین کوانتوم.

وقتی پای قوانین کوانتوم به سی‌پی‌یوها باز شد ادامه‌ی کارو خیلی سخت‌تر کرد.

توپی که یه تنیس باز به دیوار میزنه، هردفعه بدون استثنا برمیگرده.

یعنی غیرممکنه توپ از دیواری که هیچ سوراخی نداره رد بشه.

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.

الکترون یه چرخش به دور خودش داره که بهش میگن اسپین.

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.

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.