محاسبات کوانتومی مفهومی است که بسیاری آن را شنیده‌اند، اما تعداد کمی آن را درک می‌کنند. شرکت‌های تراشه کوانتومی در خط مقدم توسعه و تولید دستگاه‌های نیمه هادی هستند که از پدیده‌های مکانیکی کوانتومی بهره برداری می‌کنند. این تراشه‌ها کاربردهای مختلفی از جمله محاسبات کوانتومی، ارتباطات و سنجش دارندد. همانطور که این فناوری در گذشته به طور عمده در تحقیقات دانشگاهی استفاده می‌شد، امروزه تجارت و صنعت نیز به سوی فناوری‌های کوانتومی حرکت می‌کنند. پیشرفت تراشههای کوانتومی برای آینده محاسبات کوانتومی مفید خواهد بود، اما این تراشه‌ها دقیقا چگونه کار می‌کنند؟ در ادامه مقاله همراه ما باشید تا به توضیحات بیشتری درباره تراشه کوانتومی بپردازیم.
تعریف تراشه کوانتومی
تراشه کوانتوم یک نوع تراشه الکترونیکی میباشد که برای انجام عملیات کوانتومی طراحی شده است. این تراشه‌ها بر پایه فیزیک کوانتومی عمل می‌کنند و قادر به انجام محاسباتی هستند که با استفاده از سیستم‌های کلاسیک مانند کامپیوترهای معمولی نمی‌توان به آن‌ها دست پیدا کرد.
تراشه کوانتومی معمولا شامل چندین کیوبیت هستند. کیوبیتها معادل‌های مرکبی هستند که می‌توانند به عنوان حالت‌های کوانتومی مانند صفر و یک به عنوان بیت کلاسیک استفاده شوند. همچنین می‌توانند در حالت‌های کوانتومی ترکیبی از صفر و یک وجود داشته باشد که به عنوان ابر موقعیت‌ها شناخته میشوند. برخلاف بیتهای کلاسیک که تنها می‌توانند در یک حالت دقیق واقع شوند (صفر یا یک)، کیوبیتها می‌توانند در حالت‌های مختلف وجود داشته باشند که باعث ایجاد پدیده‌های کوانتومی مانند انتانگلمانت و اندازه گیری کوانتومی می‌شود. با استفاده از تراشه کوانتومی می‌توان به محاسباتی پیچیده‌تر و قابلیت حل مسائلی که زمان زیادی می‌طلبد، دست پیدا کرد. البته در حال حاضر تراشههای کوانتومی هنوز در مراحل آزمایشی قرار دارند و در حال توسعه و پیشرفت هستند.
تراشه کوانتومی چگونه کار میکند؟
تراشههای کوانتومی، از جمله تراشههای کوانتومی سیلیکون برای پردازش اطلاعات با استفاده از قوانین فیزیک کوانتوم طراحی شده‌اند. این تراشه‌ها برای اجرای عملیات موازی، کدنویسی، رمزنگاری و سایر برنامه‌های کوانتومی استفاده میشوند. تراشه های کوانتومی از کیوبیتها (یا همان بیتهای کوانتومی) به عنوان واحدهای پردازشی استفاده میکند. کیوبیتها، نماینده حالت‌های کوانتومی هستند و در مقابل بیتهای کلاسیک که حالت‌های 0 و 1 دارند، کیوبیتها می‌توانند به هر ترکیبی از این دو حالت تعلق بگیرند که به عنوان اصل ابرتمامیت کوانتومی شناخته می‌شود.
تراشههای کوانتومی با استفاده از دروازه‌های کوانتومی برای انجام عملیات مورد نیاز استفاده می‌کنند. دروازه‌های کوانتومی عملیاتی مشابه دروازه‌های منطقی (مانند: AND، OR و NOT) در رایانه‌های کلاسیک انجام می‌دهند، با این تفاوت که بر روی کیوبیتها عمل می‌کنند و حالت‌های کوانتومی را تغییر می‌دهند. به عنوان مثال دروازه‌های کوانتومی مشهوری مانند دروازه Hadamard و دروازه CNOT وجود دارند. دروازه Hadamard یک کیوبیت را از حالت پایه به حالت فوق موضعی تبدیل میکند. که می‌تواند در هر ترکیبی از حالت‌های 0 و 1 قرار بگیرد. دروازه CNOT یک کیوبیت کنترلی و یک کیوبیت هدف را می‌گیرد و حالت کیوبیت هدف را بر اساس حالت کیوبیت کنترلی تغییر می‌دهد.
ارتباط فیزیک کوانتوم و تراشه کوانتومی
تراشههای کوانتومی از ترتیب مشخصی از دروازه‌های کوانتومی برای انجام محاسبات پیچیده استفاده می‌کنند. الگوریتمهای معروفی مانند الگوریتم شور و الگوریتم گروور بر روی تراشههای کوانتومی اجرا میشوند. از آنجا که فیزیک کوانتومی به خصوصیات خاصی مانند ابرتمامیت کوانتومی و اندازه گیری کوانتومی وابسته است. عملیات پردازشی روی کیوبیتها باید با دقت بالا و در شرایطی باشد که از تداخل‌های مضر جلوگیری شود. به همین دلیل تراشههای کوانتومی به دمای نزدیک به صفر مطلق سرد میشوند و در محیطی با فشار بسیار پایین قرار می‌گیرند تا از تداخل با محیط خارجی جلوگیری شود. از طریق کنترل دقیق بر روی کیوبیتها و اجرای دروازه‌های کوانتومی، تراشههای کوانتومی قادرند عملیات پردازشی پیچیده را انجام دهند. و از قوانین فیزیک کوانتومی برای بهبود کارایی محاسبات استفاده کنند.
دلیل روی آوردن دانشمندان به تراشه کوانتومی
دلیل دانشمندان برای روی بردن به تراشههای کوانتومی به علوم و فناوری کوانتومی در حوزه‌های مختلف مرتبط است. از ویژگی‌های منحصر به فرد کوانتومی مانند ابرتابع وضعیت و اندازه‌گیری همزمان بهره می‌برند. این تکنولوژی به دلیل مزایای بسیاری که در اختیار ما می‌گذارد، برای تحقیقات و کاربردهای آینده بسیار جذاب است. یکی از دلایل اصلی روی آوردن دانشمندان به تراشههای کوانتومی، توسعه و پیشرفت در علم کوانتومی و محاسبات کوانتومی است. این تراشه‌ها به ما امکان می‌دهند که به سطوح جدیدی از پردازش اطلاعات دسترسی پیدا کنیم که قبلا غیرممکن بوده است. محاسبات کوانتومی توانایی حل مسائلی را دارد که برای رایانه‌های کلاسیک بسیار زمان‌بر است. با توسعه تراشههای کوانتومی، می‌توانیم از این قدرت محاسباتی فوق العاده برای حل مسائل پیچیده‌تر، مانند شبکه‌های عصبی موازی، بهره‌برداری کنیم.
در ضمن تراشههای کوانتومی به دانشمندان امکان تست و تحقیق درباره اصول و رفتارهای عجیب و غریب دنیای کوانتوم را می‌دهد. فیزیک کوانتومی با ویژگی‌های خاصی همچون ابرتابع وضعیت و اندازه‌گیری همزمان، از دنیای کلاسیک که با مفاهیم معمولی ما آشنا هستیم، بسیار متفاوت است. با توسعه تراشههای کوانتومی، می‌توانیم تحقیقات و آزمایشات بیشتری را در زمینه فیزیک کوانتومی انجام دهیم و مفاهیم پیچیده‌تری را درک کنیم. روی آوردن دانشمندان به تراشههای کوانتومی مرتبط با توسعه علمی، پیشرفت تکنولوژی، تحقیقات در زمینه فیزیک کوانتومی و ایجاد کاربردهای نوین است که می‌توانند به دنیایی پر از امکانات جدید و پیشرفت‌های فراگیر در علوم و فناوری کوانتومی منجر شوند.
تعریف ابرتمامیت کوانتومی
ابرتمامیت کوانتومی یک پدیده مهم در فیزیک کوانتومی است که به تعامل بین ذرات و ارتباط غیر معمول بین آن‌ها اشاره دارد. وقتی دو ذره کوانتومی به طور متناقضی متصاحب شده و در یک حالت ترکیبی قرار می‌گیرند، وضعیت یک ذره به طور لحظه‌ای وابسته به وضعیت دیگری می‌شود.
یکی از ویژگی‌های جالب ابرتمامیت کوانتومی این است که وضعیت دو ذره که به هم تابع موج متصاحب شده‌اند، تا زمانی که اندازه گیری روی یکی از ذرات انجام نشود، تعریفی دقیق ندارد. به عبارت دیگر، هیچ توصیف کلاسیکی که بتواند به طور کامل وضعیت هر یک از ذرات را مشخص کند، وجود ندارد. برخلاف علم کلاسیک که اطلاعات بین اشیاء را به صورت مستقل منتقل میکند، در فیزیک کوانتومی اطلاعات به صورت جمعی بین ذرات منتقل می‌شود. از این پدیده در زمینه‌های مختلفی از جمله ارتباطات کوانتومی، رمزگذاری کوانتومی، محاسبات کوانتومی و سنسورهای حساس استفاده می‌شود. ابرتمامیت کوانتومی از جمله پدیده‌های مبهم و پرهیجان در فیزیک کوانتومی است که تا به امروز همچنان در حال مطالعه و کشف ابعاد جدیدی از جهان کوانتومی میباشد.
نتیجه گیری
تراشه کوانتومی به عنوان پردازنده برای کامپیوترهای کوانتومی عمل میکند. این تراشههای محاسباتی کوانتومی حاوی بیتهای کوانتومی یا «کیوبیت» هستند که مزیت کلیدی کوانتومی نسبت به محاسبات کلاسیک ارائه می‌دهند. یک بیت محاسباتی کلاسیک می‌تواند مقدار 0 یا 1 داشته باشد، اما یک کیوبیت می‌تواند مقدار 0، 1 یا هر دو را داشته باشد. این امر توانایی پردازش معادلات و الگوریتم‌ها را به رایانه‌های کوانتومی سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک می‌دهد. در حال حاضر این فناوری در مقیاس کوچک است، اما این پتانسیل را دارد که به طور قابل توجهی نگاه ما به محاسبات را تغییر دهد.
