محاسبات کوانتومی چیست؟

محاسبات کوانتومی یک فناوری به سرعت در حال ظهور است که از قوانین مکانیک کوانتومی برای حل مسائل بسیار پیچیده برای کامپیوترهای کلاسیک استفاده می کند.

امروزه، IBM Quantum سخت‌افزار کوانتومی واقعی را - ابزاری که دانشمندان تنها سه دهه پیش شروع به تصور آن کردند - در دسترس هزاران توسعه‌دهنده قرار می‌دهد. مهندسان ما پردازنده‌های کوانتومی ابررسانا و قدرتمندتر را در فواصل زمانی منظم ارائه می‌کنند و سرعت محاسبات کوانتومی و ظرفیت لازم برای تغییر جهان را افزایش می‌دهند.

این ماشین‌ها با کامپیوترهای کلاسیکی که بیش از نیم قرن از عمرشان می‌گذرد بسیار متفاوت هستند. در اینجا یک آغازگر در مورد این فناوری تحول آفرین است.

سیستم های کوآنتومی ibm را بررسی کنید.

چرا به کامپیوترهای کوانتومی نیاز داریم؟

برای برخی مشکلات، ابررایانه ها آنقدرها هم فوق العاده نیستند.

هنگامی که دانشمندان و مهندسان با مشکلات دشواری مواجه می شوند، به ابررایانه ها روی می آورند. اینها کامپیوترهای کلاسیک بسیار بزرگی هستند که اغلب دارای هزاران هسته CPU و GPU کلاسیک هستند. با این حال، حتی ابرکامپیوترها برای حل انواع خاصی از مشکلات تلاش می کنند.

اگر یک ابرکامپیوتر دچار مشکل شود، احتمالاً به این دلیل است که از ماشین کلاسیک بزرگ خواسته شده است تا مشکلی را با درجه بالایی از پیچیدگی حل کند. هنگامی که کامپیوترهای کلاسیک از کار می افتند، اغلب به دلیل پیچیدگی است

مسائل پیچیده مشکلاتی هستند که تعداد زیادی از متغیرها به روش های پیچیده ای در تعامل هستند. مدل‌سازی رفتار اتم‌های منفرد در یک مولکول یک مشکل پیچیده است، زیرا تمام الکترون‌های مختلف با یکدیگر تعامل دارند. تعیین مسیرهای ایده آل برای چند صد نفتکش در یک شبکه جهانی کشتیرانی نیز پیچیده است.

برخی از مشکلات پیچیده کمتر آشکار هستند: یک ابررایانه برای یافتن چیدمان صندلی ایده‌آل حتی برای 10 مهمان در یک مهمانی شام مشکل دارد، اگر همه آنها نخواهند در کنار یکدیگر بنشینند، یا فاکتورهای اصلی تعداد زیادی را بیابند.

کامپیوترهای کوانتومی کجا استفاده می شوند؟

با رشد تصاعدی در قدرت محاسباتی، محاسبات کوانتومی برای نزدیک شدن به خود آماده می شود. رایانه‌های کوانتومی برای حل مسائل پیچیده که برای رایانه‌های کلاسیک سخت است، اما به راحتی روی رایانه‌های کوانتومی فاکتور می‌شوند، مناسب هستند. چنین پیشرفتی دنیایی از فرصت ها را تقریباً در تمام جنبه های زندگی مدرن ایجاد می کند.

در واقع، گوگل اخیراً در سرفصل های خبری دستیابی به برتری کوانتومی را اعلام کرده است، جایی که رایانه هایش می توانند کاری را انجام دهند که یک رایانه معمولی نمی تواند انجام دهد. IBM همچنین در مورد ابررایانه‌های خود که سرعت فوق‌العاده‌ای دارند سروصدا می‌کند. با این حال، ما اغلب تعجب می‌کنیم که این کارها واقعاً چه کار می‌کنند و کاربردهای آن در دنیای واقعی چیست؟

در این مقاله قصد داریم در مورد برخی از برترین اپلیکیشن های محاسبات کوانتومی در دنیای واقعی صحبت کنیم.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی
هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی برخی از حوزه‌های برجسته در حال حاضر هستند، زیرا فناوری‌های نوظهور تقریباً در تمام جنبه‌های زندگی انسان‌ها نفوذ کرده‌اند. برخی از کاربردهای گسترده ای که هر روز می بینیم در تشخیص صدا، تصویر و دست خط است. با این حال، با افزایش تعداد برنامه ها، تطبیق دقت و سرعت به یک کار چالش برانگیز برای رایانه های سنتی تبدیل می شود. و اینجاست که محاسبات کوانتومی می‌تواند به پردازش مشکلات پیچیده در زمان بسیار کمتری کمک کند، که برای رایانه‌های سنتی هزار سال طول می‌کشد.

شیمی محاسباتی
IBM، زمانی گفته بود که یکی از امیدوارکننده‌ترین برنامه‌های محاسبات کوانتومی در زمینه شیمی محاسباتی خواهد بود. اعتقاد بر این است که تعداد حالت‌های کوانتومی، حتی در کوچک‌ترین مولکول‌ها، بسیار زیاد است و بنابراین پردازش آن برای حافظه‌های محاسباتی معمولی دشوار است. توانایی رایانه‌های کوانتومی برای تمرکز روی وجود هر دو 1 و 0 به طور همزمان می‌تواند قدرت بسیار زیادی را برای نقشه‌برداری موفقیت‌آمیز مولکول‌ها در اختیار ماشین قرار دهد که به نوبه خود فرصت‌هایی را برای تحقیقات دارویی باز می‌کند. برخی از مشکلات مهمی که می‌توانند از طریق محاسبات کوانتومی حل شوند عبارتند از: بهبود فرآیند تثبیت نیتروژن برای ایجاد کود مبتنی بر آمونیاک. ایجاد یک ابررسانا در دمای اتاق؛ حذف دی اکسید کربن برای آب و هوای بهتر؛ و ایجاد باتری های حالت جامد.

طراحی و توسعه دارو
طراحی و توسعه دارو چالش برانگیزترین مشکل در محاسبات کوانتومی است. معمولاً داروها از طریق روش آزمون و خطا تولید می شوند که نه تنها بسیار گران است، بلکه یک کار پرمخاطره و چالش برانگیز است. محققان بر این باورند که محاسبات کوانتومی می‌تواند راهی مؤثر برای درک داروها و واکنش‌های آن بر روی انسان باشد که به نوبه خود می‌تواند باعث صرفه‌جویی در هزینه و زمان برای شرکت‌های داروسازی شود. این پیشرفت‌ها در محاسبات می‌تواند کارایی را به‌طور چشمگیری افزایش دهد، زیرا به شرکت‌ها اجازه می‌دهد تا اکتشافات دارویی بیشتری برای کشف درمان‌های پزشکی جدید برای صنعت داروسازی بهتر انجام دهند.

امنیت سایبری و رمزنگاری
فضای امنیتی آنلاین در حال حاضر به دلیل افزایش تعداد حملات سایبری که به صورت روزانه در سراسر جهان رخ می دهد، کاملا آسیب پذیر بوده است. اگرچه شرکت‌ها در حال ایجاد چارچوب امنیتی لازم در سازمان‌های خود هستند، این فرآیند برای رایانه‌های دیجیتال کلاسیک دشوار و غیرعملی می‌شود. و بنابراین، امنیت سایبری همچنان یک نگرانی اساسی در سراسر جهان است. با افزایش وابستگی ما به دیجیتالی شدن، ما در برابر این تهدیدات آسیب پذیرتر می شویم. محاسبات کوانتومی با کمک یادگیری ماشینی می تواند به توسعه تکنیک های مختلف برای مبارزه با این تهدیدات امنیت سایبری کمک کند. علاوه بر این، محاسبات کوانتومی می‌تواند در ایجاد روش‌های رمزگذاری، که به عنوان رمزنگاری کوانتومی نیز شناخته می‌شود، کمک کند.

مدل سازی مالی
برای اینکه یک صنعت مالی بتواند ترکیب مناسبی را برای سرمایه گذاری های پربار بر اساس بازده مورد انتظار، ریسک مرتبط و سایر عوامل برای بقا در بازار پیدا کند. برای دستیابی به آن، تکنیک شبیه‌سازی «مونته کارلو» به طور مداوم بر روی رایانه‌های معمولی اجرا می‌شود، که به نوبه خود، زمان زیادی از رایانه را مصرف می‌کند. با این حال، با استفاده از فناوری کوانتومی برای انجام این محاسبات عظیم و پیچیده، شرکت ها نه تنها می توانند کیفیت راه حل ها را بهبود بخشند، بلکه زمان توسعه آنها را نیز کاهش می دهند. از آنجا که رهبران مالی در تجارت میلیاردها دلار هستند، حتی یک بهبود کوچک در بازده مورد انتظار می تواند برای آنها ارزش زیادی داشته باشد. معاملات الگوریتمی یکی دیگر از کاربردهای بالقوه است که در آن دستگاه از الگوریتم‌های پیچیده استفاده می‌کند تا به طور خودکار معاملات سهام را با تجزیه و تحلیل متغیرهای بازار آغاز کند، که یک مزیت است، به ویژه برای معاملات با حجم بالا.

بهینه سازی لجستیک
تجزیه و تحلیل داده‌ها و مدل‌سازی قوی در واقع طیف وسیعی از صنایع را قادر می‌سازد تا گردش‌های کاری لجستیک و زمان‌بندی مرتبط با مدیریت زنجیره تامین خود را بهینه کنند. مدل های عملیاتی نیاز به محاسبه و محاسبه مجدد مسیرهای بهینه مدیریت ترافیک، عملیات ناوگان، کنترل ترافیک هوایی، حمل و نقل و توزیع دارند و این می تواند تأثیر شدیدی بر برنامه های کاربردی داشته باشد. معمولاً برای انجام این کارها از محاسبات معمولی استفاده می شود. با این حال، برخی از آنها می توانند برای یک راه حل محاسباتی ایده آل به پیچیده تر تبدیل شوند، در حالی که یک رویکرد کوانتومی ممکن است قادر به انجام آن باشد. دو رویکرد کوانتومی رایج که می‌توانند برای حل چنین مسائلی مورد استفاده قرار گیرند عبارتند از: آنیل کوانتومی و کامپیوترهای کوانتومی جهانی. آنیل کوانتومی یک تکنیک بهینه سازی پیشرفته است که انتظار می رود از رایانه های سنتی پیشی بگیرد. در مقابل، کامپیوترهای کوانتومی جهانی قادر به حل انواع مسائل محاسباتی هستند که هنوز به صورت تجاری در دسترس نیستند.

پیش بینی آب و هوا
در حال حاضر، فرآیند تجزیه و تحلیل شرایط آب و هوایی توسط کامپیوترهای سنتی گاهی اوقات ممکن است بیشتر از تغییر آب و هوا طول بکشد. اما توانایی یک کامپیوتر کوانتومی برای خرد کردن حجم عظیمی از داده‌ها، در یک دوره کوتاه، در واقع می‌تواند منجر به بهبود مدل‌سازی سیستم آب و هوا شود که به دانشمندان اجازه می‌دهد الگوهای آب و هوای متغیر را در کوتاه‌مدت و با دقت عالی پیش‌بینی کنند - چیزی که می‌تواند برای زمان فعلی ضروری باشد. زمانی که جهان در حال تغییر آب و هوا است.

پیش بینی آب و هوا شامل چندین متغیر است که باید در نظر گرفته شود، مانند فشار هوا، دما و تراکم هوا، که پیش بینی دقیق آن را دشوار می کند. استفاده از یادگیری ماشین کوانتومی می تواند به بهبود تشخیص الگو کمک کند، که به نوبه خود، پیش بینی رویدادهای شدید آب و هوایی را برای دانشمندان آسان تر می کند و به طور بالقوه جان هزاران نفر را در سال نجات می دهد. با رایانه‌های کوانتومی، هواشناسان همچنین می‌توانند مدل‌های آب و هوایی دقیق‌تری را تولید و تجزیه و تحلیل کنند، که بینش بیشتری در مورد تغییرات آب و هوا و راه‌های کاهش آن ارائه می‌کند.

چرا کامپیوترهای کوانتومی سریعتر هستند؟

بیایید به مثالی نگاه کنیم که نشان می‌دهد چگونه کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در جایی که کامپیوترهای کلاسیک شکست می‌خورند موفق شوند:

یک ابر رایانه ممکن است در کارهای دشواری مانند مرتب کردن یک پایگاه داده بزرگ از توالی پروتئین عالی باشد. اما برای دیدن الگوهای ظریف در آن داده ها که نحوه رفتار آن پروتئین ها را تعیین می کند، مشکل خواهد بود.

پروتئین‌ها رشته‌های بلندی از اسیدهای آمینه هستند که وقتی به شکل‌های پیچیده در می‌آیند به ماشین‌های بیولوژیکی مفیدی تبدیل می‌شوند. فهمیدن اینکه چگونه پروتئین ها تا می شوند مشکلی است که پیامدهای مهمی برای زیست شناسی و پزشکی دارد.

یک ابرکامپیوتر کلاسیک ممکن است سعی کند پروتئینی را با نیروی بی رحم تا کند و از پردازنده های متعدد خود برای بررسی هر راه ممکن برای خم کردن زنجیره شیمیایی قبل از رسیدن به پاسخ استفاده کند. اما با طولانی‌تر شدن و پیچیده‌تر شدن توالی پروتئین، ابررایانه متوقف می‌شود. زنجیره ای از 100 اسید آمینه از نظر تئوری می تواند به هر یک از تریلیون ها راه تا شود. هیچ رایانه ای حافظه کاری برای مدیریت تمام ترکیبات ممکن از چین های فردی ندارد.

الگوریتم‌های کوانتومی رویکرد جدیدی را برای این نوع مسائل پیچیده اتخاذ می‌کنند -- ایجاد فضاهای چند بعدی که در آن الگوهای پیوند دهنده نقاط داده منفرد ظاهر می‌شوند. در مورد مشکل تا شدن پروتئین، این الگو ممکن است ترکیبی از چین‌ها باشد که کمترین انرژی را برای تولید نیاز دارند. این ترکیب چین ها راه حل مشکل است.

کامپیوترهای کلاسیک نمی توانند این فضاهای محاسباتی را ایجاد کنند، بنابراین نمی توانند این الگوها را پیدا کنند. در مورد پروتئین‌ها، الگوریتم‌های کوانتومی اولیه‌ای وجود دارند که می‌توانند الگوهای تاشو را به روش‌های کاملاً جدید و کارآمدتر، بدون بررسی‌های پر زحمت رایانه‌های کلاسیک، پیدا کنند. همانطور که مقیاس سخت افزار کوانتومی و این الگوریتم ها پیشرفت می کنند، می توانند مشکلات تا شدن پروتئین را برای هر ابرکامپیوتری بسیار پیچیده حل کنند.

پیچیدگی چگونه ابرکامپیوترها را از بین می برد
پروتئین‌ها رشته‌های بلندی از اسیدهای آمینه هستند که وقتی به شکل‌های پیچیده در می‌آیند به ماشین‌های بیولوژیکی مفیدی تبدیل می‌شوند. فهمیدن اینکه چگونه پروتئین ها تا می شوند مشکلی است که پیامدهای مهمی برای زیست شناسی و پزشکی دارد.

یک ابرکامپیوتر کلاسیک ممکن است سعی کند پروتئینی را با نیروی بی رحم تا کند و از پردازنده های متعدد خود برای بررسی هر راه ممکن برای خم کردن زنجیره شیمیایی قبل از رسیدن به پاسخ استفاده کند. اما با طولانی‌تر شدن و پیچیده‌تر شدن توالی پروتئین، ابررایانه متوقف می‌شود. زنجیره ای از 100 اسید آمینه از نظر تئوری می تواند به هر یک از تریلیون ها راه تا شود. هیچ رایانه ای حافظه کاری برای مدیریت تمام ترکیبات ممکن از چین های فردی ندارد.

کامپیوترهای کوانتومی برای پیچیدگی ساخته شده اند
الگوریتم‌های کوانتومی رویکرد جدیدی را برای این نوع مسائل پیچیده اتخاذ می‌کنند -- ایجاد فضاهای چند بعدی که در آن الگوهای پیوند دهنده نقاط داده منفرد ظاهر می‌شوند. کامپیوترهای کلاسیک نمی توانند این فضاهای محاسباتی را ایجاد کنند، بنابراین نمی توانند این الگوها را پیدا کنند. در مورد پروتئین‌ها، الگوریتم‌های کوانتومی اولیه‌ای وجود دارند که می‌توانند الگوهای تاشو را به روش‌های کاملاً جدید و کارآمدتر، بدون بررسی‌های پر زحمت رایانه‌های کلاسیک، پیدا کنند. همانطور که مقیاس سخت افزار کوانتومی و این الگوریتم ها پیشرفت می کنند، می توانند مشکلات تا شدن پروتئین را برای هر ابرکامپیوتری بسیار پیچیده حل کنند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟

کامپیوترهای کوانتومی ماشین‌های ظریفی هستند، کوچک‌تر و به انرژی کمتری نسبت به ابررایانه‌ها نیاز دارند. یک پردازنده کوانتومی IBM یک ویفر است که خیلی بزرگتر از آن چیزی است که در لپ تاپ یافت می شود. و یک سیستم سخت افزاری کوانتومی تقریباً به اندازه یک ماشین است که بیشتر از سیستم های خنک کننده تشکیل شده است تا پردازنده ابررسانا را در دمای عملیاتی فوق العاده سرد خود نگه دارد.

یک پردازنده کلاسیک از بیت ها برای انجام عملیات خود استفاده می کند. یک کامپیوتر کوانتومی از کیوبیت ها (CUE-bits) برای اجرای الگوریتم های کوانتومی چند بعدی استفاده می کند.

ابر سیال ها
رایانه رومیزی شما احتمالاً از یک فن برای خنک شدن کافی برای کار استفاده می کند. پردازنده های کوانتومی ما باید بسیار سرد باشند - حدود یک صدم درجه بالای صفر مطلق. برای دستیابی به این هدف، ما از ابر سیالات فوق خنک برای ایجاد ابررساناها استفاده می کنیم.

ابررساناها
در آن دماهای بسیار پایین، مواد خاصی در پردازنده‌های ما اثر مکانیکی کوانتومی مهم دیگری از خود نشان می‌دهند: الکترون‌ها بدون مقاومت در آنها حرکت می‌کنند. این آنها را به "ابررساناها" تبدیل می کند. هنگامی که الکترون ها از ابررساناها عبور می کنند، با هم هماهنگ می شوند و "جفت کوپر" را تشکیل می دهند. این جفت ها می توانند بار را از طریق موانع یا عایق ها از طریق فرآیندی به نام تونل زنی کوانتومی حمل کنند. دو ابر رسانا که در دو طرف یک عایق قرار گرفته اند، یک اتصال جوزفسون را تشکیل می دهند.

کنترل
کامپیوترهای کوانتومی ما از اتصالات جوزفسون به عنوان کیوبیت های ابررسانا استفاده می کنند. با شلیک فوتون‌های مایکروویو به سمت این کیوبیت‌ها، می‌توانیم رفتار آن‌ها را کنترل کنیم و آنها را وادار کنیم تا واحدهای جداگانه اطلاعات کوانتومی را نگه دارند، تغییر دهند و بخوانند.

برهم نهی
خود کیوبیت خیلی مفید نیست. اما می تواند یک ترفند مهم را انجام دهد: قرار دادن اطلاعات کوانتومی در حالت برهم نهی، که نشان دهنده ترکیبی از تمام تنظیمات ممکن کیوبیت است. گروه هایی از کیوبیت ها در برهم نهی می توانند فضاهای محاسباتی پیچیده و چند بعدی ایجاد کنند. مسائل پیچیده را می توان به شیوه های جدیدی در این فضاها نشان داد.

در هم تنیدگی
درهم تنیدگی یک اثر مکانیکی کوانتومی است که رفتار دو چیز مجزا را به هم مرتبط می کند. هنگامی که دو کیوبیت در هم تنیده می شوند، تغییرات به یک کیوبیت مستقیماً بر دیگری تأثیر می گذارد. الگوریتم های کوانتومی از این روابط برای یافتن راه حل هایی برای مسائل پیچیده استفاده می کنند.

هیاهو محاسبات کوانتومی در مقابل واقعیت

IBM Quantum شریک شماست تا از هیاهوی محاسبات کوانتومی جلوگیری کند و موسسه شما را برای استفاده از این فناوری در حال ظهور برای مزیت رقابتی قرار دهد. در اینجا چیزی است که رهبران کسب و کار باید در مورد محاسبات کوانتومی امروز بدانند.

کامپیوترهای کوانتومی آماده هستند تا روش کار شما در تحقیقات را تغییر دهند. رایانه‌های کلاسیک در تلاش برای مدل‌سازی سیستم‌های طبیعی، از جمله واکنش‌های شیمیایی و پروتئین‌های تاشونده، گرفتار می‌شوند. کامپیوترهای کوانتومی مجموعه جدیدی از ابزارها را برای درک جهان ارائه می دهند.

برنامه نویسی برای کامپیوترهای کوانتومی نیازی به بازآموزی گسترده یا زبان های کدنویسی جدید ندارد. اما به شما امکان دسترسی به یک الگوی محاسباتی کاملاً جدید را می دهد. در اینجا اصول اولیه ای است که برای شروع توسعه کوانتومی امروز باید بدانید.

برنامه نویسی محاسبات کوانتومی را یاد بگیرید
شما می توانید دنیای محاسبات کوانتومی را به صورت رایگان در IBM Cloud کشف کنید و نوشتن کد کوانتومی را یاد بگیرید – با تجربه کاملاً صفر شروع کنید. اگر توسعه‌دهنده هستید، با پیوستن به بزرگترین انجمن توسعه‌دهندگان کوانتومی جهان، مستقیماً وارد شوید و همین امروز شروع کنید.

کامپیوترهای کوانتومی IBM با استفاده از Qiskit (پیوند خارج از ibm.com قرار دارد)، یک کیت توسعه نرم‌افزار در پایتون، برنامه‌ریزی می‌شوند. Qiskit رایگان، متن باز و همراه با کتاب درسی جامع و دوره ترم است.

محاسبات کوآنتومی را یاد بگیرید.

منبع : ibm