کامپیوترهای کوانتومی به‌نوعی از کامپیوترها گفته می‌شود که اساس کار آنها بر پایه فیزیک کوانتوم است. در این کامپیوترها به‌جای استفاده از بیت (Bit) از کیوبیت (Qubit) استفاده می‌شود که یک برتری محسوب می‌شود، این امر باعث می‌شود تا فرایند پردازش اطلاعات به‌طورکلی با کامپیوترهای کلاسیک فرق کند. در کامپیوترهای کلاسیک، هر بیت می‌تواند یکی از مقادیر 0 یا 1 را داشته باشد، پردازش اطلاعات و انجام عملیات بر روی این بیت‌ها صورت می‌پذیرد؛ اما در کامپیوتر های کوانتومی قضیه متفاوت است؛ در کامپیوتر های کوانتومی، یک کیوبیت می‌تواند مقدار 0 و 1 را به طور همزمان داشته باشد، به این خاصیت به‌اصطلاح برهم‌نهی یا Superposition می‌گویند. کیوبیت‌ها ویژگی دیگری با نام درهم‌تنیدگی یا Entanglement دارند؛ به این صورت که وضعیت یا State یک کیوبیت به کیوبیت‌های دیگر وابسته است، این ویژگی در واقع یکی از مزیت های کامپیوتر های کوانتومی است که در بسیاری از مواقع مورداستفاده قرار می‌گیرد؛ به‌عنوان‌مثال به طور همزمان می‌توان عملیاتی را بر روی چند کیوبیت انجام داد.
ویژگی‌ها و مزیت‌های گفته شده از کیوبیت‌ها، کامپیوتر های کوانتومی را قادر می‌سازد تا بعضی از عملیات را به طور قابل‌توجهی سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام دهند؛ به‌عنوان‌مثال حل‌کردن بعضی از مسائل رمزنگاری و یا جستجو به مراتب سریع‌تر انجام می‌شود؛ همچنین بعضی از مسائل کلاسیک با پیشرفته‌تر شدن کامپیوتر های کوانتومی جای خودشان را به مسائل کوانتومی می‌دهند. باتوجه‌به ویژگی‌های مطرح شده، کامپیوتر های کوانتومی دارای مزایای فراوانی هستند که در لیست زیر مهم‌ترین آنها ذکر شده است:
- سرعت بالا
- پردازش موازی
- حل مسائل بهینه‌سازی
- شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی
- رمزنگاری
در ادامه مقاله به توضیح هرکدام از موارد ذکر شده می‌پردازیم.
سرعت بالا
کامپیوتر های کوانتومی به دلیل استفاده از ویژگی‌های کوانتومی و فیزیک کوانتوم، مسائل مشخصی را بسیار سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک حل می‌کنند، این موضوع باعث شده تا بسیاری از حوزه‌ها وارد حیطه پردازش‌های کوانتومی شوند. با استفاده از کامپیوتر های کوانتومی می‌توان بسیاری از الگوریتمهای رمزنگاری کنونی که برای تضمین امنیت داده‌های حساس مورد استفاده قرار می‌گیرند را شکست داد، این الگوریتم‌ها بر اساس تجزیه اعداد بزرگ کار می‌کنند. در کامپیوترهای کلاسیک، تجزیه اعداد بزرگ کار زمان‌بری است؛ حال آن که در کامپیوتر های کوانتومی با سرعت بسیار بالایی می‌توان این تجزیه‌ها را انجام داد.
پردازش موازی
کامپیوتر های کوانتومی از مزیت Superposition بهره می‌برند، این ویژگی به ما اجازه می‌دهد تا بتوانیم محاسبات را به صورت همزمان انجام دهیم؛ برخلاف کامپیوتر های کلاسیک که محاسبات در آنها به صورت ترتیبی پردازش می‌شوند. پردازش موازی یا Parallel Processing یک مزیت بسیار مهمی محسوب می‌شود و در بسیاری از زمینه‌ها می‌تواند ما را کمک کند؛ به عنوان مثال در تحلیل داده‌ها و یادگیری ماشین، کامپیوتر های کوانتومی قادر هستند تا دیتاست‌های بزرگ و حجیم را به صورت همزمان پردازش کنند و الگوهای پیچیده بین آنها را با سرعت بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک تشخیص دهند، این موضوع باعث می‌شود مسائل دنیای واقعی، مانند بهینه سازی زنجیره‌ی تامین (Supply Chain) و یا تشخیص ناهمگونی در تراکنش‌های مالی و بسیاری از مسائل دیگر را مدل سازی و پیشبینی کرد. نتیجه کلی حاصل از پردازش‌های موازی این است که سرعت کامپیوترهای کوانتومی در بسیاری از مسائل بسیار بالاتر از کامپیوترهای کلاسیک است.
حل مسائل بهینه سازی
مسائل بهینه‌سازی به آن دسته از مسائلی گفته می‌شود که جواب‌های بسیار زیاد و گوناگونی دارند؛ اما قصد ما این است که بهترین جواب یا همان بهینه‌ترین جواب را پیدا کنیم؛ به‌عنوان‌مثال خط تولید کارخانه به چه شکلی باشد که بیشترین تولید را با کمترین هزینه انجام دهد. حل مسائل بهینه‌سازی به‌وسیله الگوریتم های بهینه سازی توسط کامپیوترهای کلاسیک صورت می‌پذیرد. مشکلی که وجود دارد این است که محاسبات این الگوریتم‌ها بسیار زیاد است و حل‌کردن آن توسط کامپیوترهای کلاسیک فرایند زمان‌بر و هزینه‌بری است. کامپیوترهای کوانتومی به‌وسیله الگوریتمهای کوانتومی مانند الگوریتم بهینه‌سازی تقریبی کوانتومی یا Quantum Approximate Optimization Algorithm (QAOA) می‌توانند بر این چالش‌ها غلبه کنند؛ به‌عنوان‌مثال در صنعت لاجستیک و نقل و انتقالات، نیاز داریم تا مسیرهای بهینه‌ای را پیدا کنیم تا هزینه و زمان انتقال را کاهش دهیم؛ به‌وسیله کامپیوتر های کوانتومی پیداکردن این مسیرها در زمان بسیاری کمی انجام می‌شود.
شبیه سازی سیستم های کوانتومی
از دیگر مزایای کامپیوتر های کوانتومی این است که در شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی بهتر عمل می‌کنند؛ درحالی‌که شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی در کامپیوترهای کلاسیک بادقت بالایی انجام نمی‌شود. با شبیه‌سازی‌کردن رفتار ذرات کوانتومی و مولکول‌ها به‌وسیله کامپیوترهای کوانتومی، می‌توان به پیشرفت علوم مواد و مسائل شیمی کمک شایانی کرد، این امر به محققین اجازه می‌دهد تادانش بالاتری از رفتار و تعامل‌های بین مشخصه‌های ذرات کوانتومی کسب کنند که خود این موضوع باعث پیشرفت درعلوم دیگری می‌شود؛ به‌عنوان‌مثال توسعه ماده‌های جدید، ایجاد برنامه‌های مختلف و بسیاری از موارد دیگر.
رمز نگاری
هرچند که تاکنون به‌وسیله کامپیوتر های کوانتومی الگوریتمهای رمزنگاری کلاسیک را کرک نکرده‌اند، اما گمان می‌شود تا در آینده‌ای نزدیک این عمل صورت بگیرد. کامپیوتر های کوانتومی به‌وسیله پتانسیلی که دارند، قادر هستند تا مسائل ریاضیاتی مربوط به رمزنگاری مانند تجزیه اعداد بزرگ که پایه و اساس الگوریتمهای رمزنگاری امروزی هستند را حل کنند. در حال حاضر محققین در حال تلاش برای توسعه الگوریتمهای رمزنگاری‌ای هستند که در برابر پردازش‌های کوانتومی مقاوم باشند. در الگوریتمهای رمزنگاری کوانتومی ، از خاصیت‌های فیزیک کوانتومی استفاده می‌شود تا تضمین شود در آینده می‌توان از کرک‌شدن داده‌های رمز شده و حساس توسط کامپیوتر های کوانتومی جلوگیری کرد.
جمع بندی
کامپیوتر های کوانتومی از مواردی هستند که محققین به آینده آن امیدوارند و هر ساله شاهد پیشرفت‌های چشمگیری در عرصه پردازش کوانتومی هستیم. کامپیوتر های کوانتومی دارای مزایای بسیاری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک هستند. در این مقاله به پنج تا از مهم ترین مزایای کامپیوتری پرداختیم و در مورد هرکدام از آنها توضیحاتی دادیم. بسیاری از موارد مطرح شده در اوایل راه هستند و جای کار بسیار زیادی دارند؛ اما باتوجه به رشد روزافزونی که دارند، امید داریم تا در آینده بتوانیم از مزایای فراوان کامپیوتر های کوانتومی بهره‌مند شویم.
مزایای کامپیوترهای کوانتومی چیست؟
کامپیوتر های کوانتومی قادر هستند تا پردازش‌های بسیار زیادی را در زمان خیلی کم انجام دهند؛ بنابراین حل مسائل بهینه‌سازی، ایجاد الگوریتمهای کوانتومی، شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی و... در زمان بسیار کوتاهی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک صورت می‌پذیرد.
علت سرعت زیاد کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک چیست؟
کامپیوتر های کوانتومی از خاصیت‌های فیزیک کوانتومی مانند برهم‌نهی (Superposition) و درهم‌تنیدگی (Entanglement) بهره می‌برند؛ همچنین به‌جای استفاده از بیت، از کیوبیت استفاده می‌کنند که قادرند چند مقدار به‌صورت همزمان داشته باشند؛ تمامی این ویژگی‌ها باعث می‌شود تا پردازش‌های کوانتومی با سرعت بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک انجام شود.
