موضوع: درون یک کامپیوتر کوانتومی

[size=medium] [/size]
[size=medium]در یک کامپیوتر معمولی اطلاعات به شکل بیتها ذخیره می شوند که یک بیت معمولا توده بسیار کوچک از بار یا فقدان بار در خازنی در یک سلول حافظه است در هر زمان یک رقم معمولی دودویی می تواند تنها در یکی از دو حالت متفاوت باشد اما نقدار یک کیوبیت با حالات کوانتومی ذرات منفرد تعیین می شود .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]پس مانند همان حالات کوانتومی مقدار یککیوبیت می تواند ۱ یا ۰ باشد یا می تواند هر دو حالت را در دنیای متناقض نمای کوانتوم به طور همزمان داشته باشد .این چند گونه بودن عامل اصلی قدرت کامپیوتر های کوانتومی است .در یک کامپیوتر معمولی می توانید عدد صحیحی بین صفر تا ۳۱ را با پنج رقم دودویی نمایش دهید .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]اما با استفاده از همان تعداد کیوبیت میتوانید تمام آن ۳۲ عدد را یکجا نمایش دهید و محاسبه بکسانی را همزمان روی آن ها انجام دهید البته این انتهای ماجرا نیست دو یا چند کیوبیت را می توان به شیوه ای که هرگز برای دو ترانزیستور ممکن نیست با هم پیوند داد به طوری که حتی اگر چندین سال نوری از هم دور باشند بی درنگ بر یکدیگر اثر بگذارند .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]پنج چیز که هر کامپیوتر کوانتومی نیاز دارد[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]حتی در حوزه کاملا جدیدی ازفناوری مانندمحاسبات کوانتومی برخی استانداردها مورد نیاز هستند. دیوید دی وینچنزو یکی ازنخبه های محاسبات کامپیوتری در IBMالزامی را یافته است که هر سیستمی اگربه عنوان کامپیوترکوانتومی مورداستفاده قرارگیرد باید آنها را داشته باشد.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]طی سالیان فیزیک پیشگان ثابت کرده اند کهچهارمورد اول برای تله های یونی برقرارهستند و ساخت ریزپردازنده های تله یونی نشان می دهد که پنجمی هم برقراراست . این اقتضائات به بیان ساده عبارتند از:[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]سیستم مورد نظرباید بتواند درآغازیک محاسبهمقدارتمام کیوبیت ها رابرابربا صفر کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]باید بتوانید وقتی محاسبات به پایان رسیدندحاصل را بخوانید.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]کیوبیت ها باید برای انجام محاسبه ای باحجم معقول به قدرکافی دوام آورند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این کامپیوتر باید بتواند دوعملیات بنیادیرا که برای اجرای هربرنامه کامپیوترکوانتومی لازم هستند انجام دهد.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]معماری پایه سیستم باید بتواند علی الاصولتعداد زیادی کیوبیت را بکار برد.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]نخستین مورد ازشرایط دی وینچنزو با استفادهازلیزربرقرارمی شود.دراین مورد لیزرچنان تنظیم شده است که انرژی فوتون های آن دقیقا برابرباشد با انرژی مورد نیازبرای بردن بیرونی ترین الکترون یون ازحالت۱( حالتی که اسپین الکترون با اسپین هسته یون هم جهت است) به یک حالت برانگیخته خاص.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این حالت برانگیخته ناپایداراست والکترونمدتی طولانی درآن باقی نمی ماند بلکه به یکی از دو حالت ۰ یا ۱ بازمی گردد که رفتن به هریک ازاین دو حالت با احتمال معینی صورت می پذیرد. اگر کیوبیت به حالت ۱ بازگردد فوتون دیگری مجددا آن را به حالت برانگیخته برمی گرداند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]اما اگر به حالت صفر برورد همان حالت باقیمی ماند زیرا باریکه لیزر دقیقا فرکانس مورد نیاز برای برانگیختن الکترون از حالت صفر به حالت برانگیخته را ندارد.به این ترتیب یون ها درمسیر تابش لیزرمیان دو حالت برانگیخته و ۱ جست وخیز می کنند تا جایی که به طور شانسی به حالت صفر بروند که در این صورت درهمان حالت باقی خواهند ماند. این فرآیند اولیه معمولا کمترازیک میکروثانیه طول می کشد.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]داده ها چه کلاسیک وچه کوانتومی اگرقابلخوانده شدن نباشند فایده چنانی ندارند.باید بتوان مقدار (حالت) کیوبیت های یونی را خواند و این کارهم با لیزرانجام می شود.این لیزرمیان یک حالت خاص کیوبیت مثلا حالت ۱ و حالت برانگیخته وضعیت تشدید دارد پس با این لیزریون کیوبیت تنها می تواند به حالت ۱ سقوط کند.وقتی الکترون به حالت پایین ترسقوط کند یک فوتون گسیل می کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این فوتون ها جمع آوری وشمرده می شوند وحضوریا عدم حضورآن ها مقدارکیوبیت یون را بیان می کند.این روش اندازه گیری عملا یکی ازنقاط قوت تکنیک تله یونی است واین روش دقتی بیش از۹۹ درصد دارد که درقیاس با سایرفناوری ها بسیارخوب است.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]در یک تله یونی کیوبیت ها مدت بسیار زیادیدوام می آورند اما خطاهای ناشی ازناهم دوسی اجتناب ناپذیرند وجهش مقدارکیوبیت می تواند موجب تباهی یک محاسبه باشد.کدهای تصحیح خطا کامپیوترهای دیجیتال را برابریک بیت تغییریافته ایمن ساخته اند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]برخی ازاین کدها متکی بربیت های اضافه بربیتهای ارسال شده اصلی هستند که گیرنده را قادرمی سازند خطا را یافته و تصحیح کند. در اوایل کار به نظرمی رسید ایجاد الگویی برای تصحیح خطا مستلزم آگاهی برمقدار بیت هایی است که نیاز به اصلاح دارند.اما خواندن مقدار یک کیوبیت قبل از پایان محاسبه از نظرتاثیرش بر محاسبه کوانتومی تفاوتی با یک رخداد ناهم دوسی ندارد زیرا ممکن است مراحل قبلی محاسبه را بی ارزش کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]پیتر شوردانش پیشه سابق آزمایشگاه های بلواندرواستین فیزیک پیشه ای از دانشگاه آکسفورد به طور مستقل الگوریتم هایی کوانتومی ابداع کردند که مقدار یک کیوبیت را روی چندین کیوبیت فیزیکی پخش می کند که این روش درواقع معادل کوانتومی بیت های اضافی مورد استفاده در تصحیح خطای کلاسیک است.این الگوهای تصحیح خطا به نحو شگفت انگیزی می توانند بدون آگاهی ازمقدارکیوبیتی که متحمل خطا شده هم رخ دادن خطا را اعلام کنند و هم بگویند که خطا چه بوده است.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]تقریبا ده سال پس ازکار شور و استین گروهدیوید وایلند درموسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا اولین تصحیح خطای کوانتومی را دریک تله یونی انجام دادند. متاسفانه تصحیح خطای کوانتومی نیازمند تعداد زیادی کیوبیت های اضافه است.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]یک کامپیوتر تله یونی برای آنکه بتواندمحاسباتش را سودمند انجام دهد نیازمند آن است که کیوبیت را با پنجاه یون اضافی یا بیشترازآن رمز گذاری کند تا بتواند ازعهده خطاها برآید.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]چهارمین شرط مربوط به توانایی یک کامپوترتله یونی در انجام عملیات منطقی است.کامپیوترهای کلاسیک ازآرایه هایی متشکل از تنها دو گونه گیت منطقی NANDوNORاستفاده می کنندو تمام انواع گیت های دیگر موردنیازشان را از این دو نوع می سازند.کامپیوترهای کوانتومی هم همینطورهستند.تنها دو نوع گیتی که واقعا لازم دارید عبارتند از:چرخش های یک تک کیوبیت وگیت کنترل شده NOT(یاCNOT) برای دو کیوبیت.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]چرخش کیوبیت که با قطبش و طول موج خاصیازلیزرانجام می شود مانند نسخه ای غنی تراز یک گیت NOTدر یک مدار منطقی معمولی است. NOTیک بیت ۱ را به ۰یا ۰رابه ۱ تبدیل می کند. در یک کامپیوتر کوانتومی تلهیونی لیزربا وارونه کردن اسپین الکترون والانس در یون می تواند (برای نمونه با استفاده ازعملی به نام ریشه مربعی NOT)هریک ازاین دو مقدار را به حالتی برهم نهاده از ۱ و ۰تبدیل کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]در گیت مورد نیازدیگر یعنی گیت دو کیوبیتیCNOT مقدار یک کیوبیتبه نام هدف براساس حالت کیوبیت دیگری که کنترل نام دارد تغییر می یابد.در CNOTتنها اگر مقدارکیوبیت کنترل ۱ باشد کیوبیتهدف از ۱ به ۰ و از ۰ به ۱ می جهد اگر کیوبیت کنترل برابر با ۰ باشد تغییری در کیوبیت هدف ایجاد نمی شود(جدول درستی حاصل مانند جدول درستی exclusive-ORاست.اگر این با آن درست باشد خروجی درست است مگر آن که این وآن هر دودرست باشند.)[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]الگوها ی CNOTگوناگونی برای عمل کردن بر یون های به دام افتاده وجود دارد .مثلا تلهای حاوی دو یون را تصور کنید(تصویر منطق کوانتومی را ببینید ) معلوم گشته که لیزری با تنظیم مناسب می تواند نیرویی بریون ها وارد سازد که میزان آن بستگی به این دارد که حالت کیوبیتی آنها ۱ یا ۰ است به این صورت لیزر می تواند تنها درصورتی که یونها در حالت ۱ باشند آنها را به سمت راست براند اگر هر دو کیوبیت مقدا رصفر داشته باشند لیزر بی اثر است اگر هر دو یک باشند با هم به سمت راست حرکت می کنند د رهیچ کدام یک از این دو حات انرژی ای به حرکت نسبی یون ها (چگونگی نوسان آن ها نسبت به هم )منتقل نمی شود.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]حالا تصورکنید که یون سمت چپی (هدف)در حالت۰ و یون سمت راست درحالت ۱ باشد دراین حالت لیزریون سمت راستی را به سمت راست هل می دهد و فنر خیالی میان یون ها را می کشد اگر حالت کوانتومی یون ها عوض شود به طوری که یون هدف درسمت چپ در حالت ۱ و یون کنترل درسمت راست درحالت ۰ باشد یون کنترل بر یون هدف فشارآورده و فنر را فشرده می کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]درهردو حالت وقتی نیروی وارد شده ازطرفلیزر بر یون ها قطع شود یون ها نسبت به یکدیگر ارتعاش خواهند کرد.(زیرا ذراتی که بارهای مشابه دارند یکدیگر را می رانند کشیدن فنر و دورکردن یونها ازهم کمی آسانتراز فشردن آن وهل دادن یون ها به سمت هم است . به همین دلیل تغییر انرژی سیستم که دراین جا جذب حالت نوسان دو کیوبیت می شود در این دو حالت با یکدیگر برابر نیست )[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]نتیجه کارپالس لیزری انجام گرفتن عمل منطقیCNOTاست اما به جای نگاشتن نتیجه (که عبارتاست ازمقدارکیوبیت هدف درپایان کار )برخود کیوبیت هدف نتیجه بر حالت نوسانی سیستم دو کیوبیتی تصویرمی شود .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium] این بدان معناست که اگر درپایان کار کیوبیت ها درنوسان باشند کیوبیت هدف باید مقدار ۱ را داشته باشد درغیر این صورت مقدار آن ۰ است یک رشته عملیات تک کیوبیتی دیگر که باز هم با لیزر انجام می شوند مقدا رکیوبیت هدف را با استفاده از این حالت نوسانی به حالت مورد نظر تغییر می دهند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]مانند بسیاری از خصوصیات مکانیک کوانتومیاسپین هیچ نوع حس شهودی برنمی انگیزد حتی برای فیزیک پیشگان اما اسپین حقیقتا وجود دارد و چیزی قابل اندازه گیری است در مورد یک ذره اسپین خصوصیتی ذاتی است مانند بار و نه چیزی که ازچرخش فیزیکی ناشی شود[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium] اسپین دارای جهت است یعنی به زبان اختصاری محاسباتکوانتومی دارای جهت بالا و پایین است و همین جهت را برای نمایش مقدار یک کیوبیت به کار می بریم کیوبیت هایی که درکامپیوتر کوانتومی تله یونی به کار میروند متکی بر حالت اسپینی هسته یک یون و بیرونی ترین الکترون آن هستند اگر اسپین این الکترون با اسپین هسته یون هم جهت باشد می گوییم کیوبیت در حالت ۱ است اگر این دو حالت کوانتومی در دو جهت مخالف باشند می گوییم کیوبیت در حالت ۰ است درضمن اگراسپین الکترون در حالت ترکیبی از بالا و پایین باشد یون متناظر با کیوبیت را می توان در ترکیبی از ۰ و۱ قرار داد.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این توانایی کیوبیت در دارا بودن دو مقداربه طورهمزمان اصل برهم نهی superpositionخوانده می شود و این پدیده یک رجیستر(سلول حافظه )از کیوبیت ها را قادرمی سازد که به طورنمایی میزان بیشتری از اطلاعات را نسبت به رجیستری با همان تعداد بیت های کلاسیک ذخیره کند برای نمونه ترکیب های ممکن دو بیت معمولی عبارتند از:۰۰،۰۱، ۱۰و۱۱٫ اما برای کیوبیت ها در حالتی بر هم نهاده مقدار آنها می تواند هم زمان تمامی این چهار مقدار را داشته باشد .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]مهم تراین که شما می توانید به طورهمزمانمحاسبه ای را روی چهارتای این کیوبیت ها انجام دهید در حالی که در یک کامپیوتر کلاسیک باید این محاسبات را یک به یک به انجام برسانید[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium] اگرچه این قابلیت در یک نمونه ۲ کیوبیتی تنها بهبهبودی به میزان دو برابر می انجامد با افزایش تعداد بیت ها سودمندی آن به سرعت زیاد می شود. به طور نظری با داشتن n کیوبیت می توان روی ۲^n عدد به طورهمزمان محاسبه انجام داد تنها با داشتن ۳۰۰ کیوبیت می توانید محاسبهای را روی تعدادی عدد انجام دهید که بر تعداد اتم های موجود در جهان فزونی دارد .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]اما اطلاعات کوانتومی بسیار حساس است برهم کنش با محیط مثلا نوسان تصادفی در میدان الکتریکی می تواند منجر به آن شود که یک کیوبیت بر هم نهاده به یک حالت ۱ یا ۰ تبدیل شود یا از حالت ۰ به ۱ بجهد یا برعکس . چنین رخدادی را ناهم دوسی می خوانند که درصورت وقوع می تواند تمام محاسباتی را که تا آن نقطه انجام گرفته بی ارزش کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]طول زمانی که یک کیوبیت در یک حالت برهمنهی که شما برایش ایجاد کرده اید باقی می ماند زمان هم دوسی خوانده می شود .تعداد عملیاتی که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند انجام دهد محدود به زمانی می شود که خطاهای ناهم دوسی هنوز باعث خرابی محاسبات نشده اند تله های یونی به گونه ای طراحی شده اند که محیط های فوق العاده ساکنی باشند . براساس مشاهدات دراین گونه محیط ها کیوبیت ها تا ۱۰ ثانیه یا بیشتر دوام می آورند و این زمان برای انجام چندین محاسبه پیچیده کافی است.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]ترفند دیگر آن است که کیوبیت ها را می توانبا روشی که دردنیای بزرگ مقیاس ما نظیری ندارد به یکدیگرمرتبط ساخت این نوع ارتباط که Entanglement خوانده میشود یکی از محورهای اصلی استدلال برضد مکانیک کوانتومی درآغاز قرن بیستم بود زمانی که این حیطه به تازگی مطرح شده بود بر اساس استدلال های نظری دو ذره را می توان به نحوی با هم مرتبط ساخت که اگر حالت یکی ازآنها را با اختلال یا اندازه گیری تغییردهید حالت کوانتومی دیگری نیز درهمان لحظه تغییر کند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium] برای نمونه می توانید دو یون را به گونه ای به یکدیگردرگیر ۰۰۰۰۰کنید که همواره حالت اسپینی آنها مخالف یکدیگر باشد. اگر حالت اسپین اولی را اندازه بگیرید و مقدار ۱ را به دست آورید دومی بلافاصله مقدار ۰ خواهد گزید Entanglement .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]نقشی کلیدی دراجرای بسیاری از برنامه هایکامپیوترهای کوانتومی دارد زیرا با استفاده از آن می توان عملیاتی را که روی یک کیوبیت انجام می شود هم زمان روی تمام کیوبیت های دیگری که با آن Entanglementدارند نیز انجام داد .گروه راینربلات دردانشگاه اینسبروک تاکنون رکوردبیشترین تعداد یون های گرفتار شده با یکدیگر را ثبت کرده اند :۸ یون.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]برای این که دقیقا درک کنید چگونه entanglement وسایراجزایکوانتومی دریک کامپیوتر تله یونی کار می کنند لازم است ابتدا بدانید که تله یونی چگونه کار می کند تله خطی پائول که ابداع ولفگانگ پائول است و جایزه نوبل را برای او دربرداشت یک محفظه خلا است که چهار الکترود بلند را در خود جای داده است[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این الکترودها به شکلی چیده شده اند کهچهار گوشه بلند یک جعبه مستطیلی را می سازند دو الکترود که بردوسر یک قطر این مستطیل هستند به ولتاژی متصل شده اند که با یک فرکانس رادیویی نوسان می کند دو الکترود دیگربه یک ولتاژ dcوصل می شوند ترکیب میدان های الکتریکی ناشیاز این الکترودها یون ها را وادارمی سازد که به مرکز مستطیل با فاصله برابراز این چهار میله بروند.[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]دلیل این پدیده چنین است : لحظه ای مجسمکنید که فقط الکترودهای متصل به فرکانس رادیویی ۰۰۰حضور دارند درهرلحظه نیروی وارد شده بر یون ما بین این دو مانند نیروی گرانش برتوپی است که روی سطحی به شکل زین اسب قرار داشته باشد .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]این شکل زینی دریک بعد تله ایجاد می کندبه این مفهوم که توپ درجهت های سربالایی دو طرف خود نخواهد غلتید اما درجهت دیگر زین در حکم یک ضد تله است زیرا اگر توپ از نقطه مرکزی زین حرکت کند به پایین آن خواهد غلتید و از روی زین جدا خواهد شد اما چون میدان الکتریکی الکترودهای RF همواره درحالنوسان است مانند آن است که زین در زیر توپ در حال چرخش است یک یون که اندکی از محور مرکزی مستطیل فاصله داشته باشد در نیمی ازهر دوره تناوب خود را در شیب سربالایی خواهد یافت که به سوی آن محورهلش می دهد و در نیمه دیگر دوره تناوب در شیب سرازیری است که از خط مرکزی دورش می کند اما سیگنالRFبه گونه ای طراحی شده که وقت یون نزدیک به خط مرکزی است نیرویی رو بهخارج ضعیف تر از نیرویی رو به داخل است به همین جهت به طور میانگین نیرویی که یون احساس می کند رو به خط مرکزی است الکترودهای دیگر تله که ولتاژ dc دارند با هلدادن یون از هر دو جهت مانع از آن می شوند که درامتداد خط مرکزی سرگردان شود .[/size]
[size=medium] [/size]
[size=medium]نتیجه این به دام اندازی جمع شدن رشته اییون درامتداد خط مرکزی تله است و چون همگی بار یکسانی دارند یکدیگر را دفع می کنند این یون ها را مانند توپ هایی تجسم کنید که از ریسمانهایی آویزان شده و با فنرهایی به هم متصل گشته اند یون ها را می توان با قراردادن درتقاطع پرتوهای سه لیزر در جای خود کاملا ثابت کرد که درغیراین صورت در امتداد خط مرکزی به جلو وعقب حرکت می کنند یا نسبت به یکدیگر ارتعاش خواهند داشت حرکت جمعی یون ها را حالت ارتعاشی می گویند که مانند یک باس داده عمل می کند با آغازکردن از حالت ایستا و با استفاده از تعدادی لیزر که برای این منظور تنظیم شده اند داده یک کیوبیت را می توان به حالت ارتعاشی مشترک با آن تصویرکرد و سپس این حالت ارتعاشی می تواند کیوبیت دومی را تغییر دهد. این تکنیک نگاشت( تصویر کردن ) کلید انجام عملیاتی است که الگوریتم های کوانتومی را تشکیل می دهند.[/size]
[size=medium] [/size]

[size=medium] [/size]

سلام ممنون بابت مطالب جالب
ولی متاسفانه من نمیتونم هیچکدوم از تصاویر رو ببینم