سرعت رایانه‌های کوانتومی تا چه میزان بیشتر می‌شود؟

سباستین دفینر” استادیار فیزیک در دانشگاه مریلند می گوید:« امید اصلی ما در آینده برای محاسبات سریع فیزیک کوانتوم می باشد. رایانه‌های کوانتومی بسیار سریع‌تر از هر تکنولوژی موجود در عصر اطلاعات خواهند بود. اما تحقیقات اخیر من نشان می دهد رایانه‌های کوانتومی محدودیت‌هایی خواهند داشت و از این رو در تحقیقات من روش‌های مختلفی برای تشخیص این محدودیت‌ها ارائه شده است.»

محدودیت درک

برای فیزیکدانان، بشریت در دنیایی با نام دنیای “کلاسیک” زندگی می کند. اغلب به نام “دنیا” اکتفا می کنند و به درک مستقیم فیزیک پرداخته‌اند. برای مثال، با پرتاب توپ، جسم به سمت بالا رفته و در مسیری قابل پیش‌بینی به زمین بازمی گردد. افراد حتی در موقعیت‌های پیچیده‌تر، درک ناخودآگاهی از وقایع دارند. بیشتر افراد اینگونه می بینند که ماشین با سوزاندن بنزین در یک موتور احتراق داخلی (یا استخراج انرژی الکتریکی از باتری) انرژی تولید می کند که این انرژی از دنده و محور ماشین به چرخ‌ها انتقال یافته و ماشین را به حرکت وامیدارد.

در قوانین فیزیک کلاسیک، محدودیت‌های نظری برای این فرایندها وجود دارد اما این محدودیت‌ها به شکل غیرواقعی شدید هستند. برای مثال، ما میدانیم یک ماشین هیچوقت نمیتواند از نور سریع‌تر حرکت کند و مهم نیست چقدر سوخت بر روی این کرۀ خاکی مهیاست، در چه جاده‌ای هستیم یا از چه روشی استفاده می کنیم، هیچ ماشینی نمی‌تواند حتی به نزدیکی ۱۰ درصد سرعت نور برسد. افراد اغلب با محدودیت‌های واقعی دنیای فیزیک مواجه نمی شوند اما این محدودیت‌ها وجود دارند. با انجام تحقیقات مناسب، فیزیکدانان قادر به کشف آنها خواهند بود. گرچه محققان تنها نظری مبهم در خصوص وجود محدودیت در دنیای کوانتوم دارند اما نمیدانستند که چطور این محدودیت‌ها را میتوان در دنیای واقعی بکار برد.

عدم قطعیت هایزنبرگ

فیزیکدانان سرآغاز نظریه کوانتوم را سال ۱۹۲۷ میلادی میدانند که فیزیکدان آلمانی، “ورنر هایزنبرگ” نشان داد روش‌های کلاسیک و قدیمی برای اجسام بسیار کوچک در اندازه اتم مناسب نیستند. برای مثال، وقتی فردی توپی را پرتاب می کند، تشخیص مکان توپ و سرعت آن بسیار آسان است. اما همانطور که هایزنبرگ نشان داد، این مسئله برای اتم و ذرات زیراتمی صدق نمی کند. در عوض، مشاهده‌گر می تواند سرعت یا مکان ذره را متوجه شود و نمیتواند در عین حال هر دو را بداند. اما این یافته کمی ناجور به نظر می رسد. حتی زمانی که هایزنبرگ ایدۀ خود را مطرح کرد، اینشتین( و دیگر دانشمندان) چندان با آن موافق نبود. مهم است که بدانیم “عدم قطعیت کوانتومی” توجیهی برای کمبود تجهیزات یا روش نبوده بلکه مربوط به ذهن ما است. ما تکامل یافتیم تا ساز و کار جهان کلاسیک را دریابیم و مکانیزم‌های فیزیکی دنیای کوانتوم فراتر از فهم و درک ما است.

ورود به دنیای کوانتوم

اگر شیئی در دنیای کوانتوم از مکانی به مکان دیگر سفر کند، محققان نمیتوانند تشخیص دهند چه زمانی سفر این ذره آغاز شده یا به پایان رسیده است. محدودیت‌های فیزیک تاخیر اندکی در شناسایی آن ایجاد می کند. بنابراین مهم نیست چه میزان حرکت اتفاق بیافتد، نمیتوان آن را بدون تاخیر شناسایی کرد( این تاخیر بسیار اندک و در حدود یک کوادریلیونیم ثانیه می باشد اما این میزان را در تریلیون‌ها محاسبات رایانه‌ای ضرب کنید).

این تاخیر بصورت چشمگیری سرعت بالقوه یک رایانه کوانتومی را پایین آورده و “محدودیت سرعت کوانتومی” ایجاد می کند. در چند سال اخیر،تحقیقاتی که تیم ما در آن مشارکت داشته است، نشان میدهد این محدودیت سرعت کوانتومی در شرایط مختلفی نظیر انواع مختلف مواد در میدان‌های مختلف مغناطیسی و الکتریکی مشخص می شود. در هر یک از این موقعیت‌ها و شرایط مختلف، محددیت سرعت کوانتومی کمی بیشتر یا کمتر می باشد.

جالب اینکه ما دریافتیم برخی مواقع فاکتورهای پیش‌بینی نشده می توانند به تسریع غیرمعمول فرایندها کمک کنند. برای درک این موضوع، شاید تصورکردن حرکت یک ذره در آب کمک کند. ذره با حرکت خود مولکول‌های آب را جابجا می کند و پس از حرکت ذره، مولکول‌های آب سرعت به جای خود برگشته و هیچ اثری از این اتفاق باقی نمی گذارند.

حال تصور کنید همین ذره در عسل حرکت می کند. عسل چسبندگی بیشتری نسبت به آب دارد و آهسته‌تر حرکت می کند پس زمان بیشتری نیاز است تا مولکول‌های عسل به جای خود بازگردند اما در دنیای کوانتوم، جریان بازگشت مولکول‌های عسل فشاری ایجاد می کند که ذرۀ کوانتومی را به جلو میراند. این شتاب ثانویه می تواند محدودیت سرعت کوانتومی یک ذره را با چیزی که مشاهده‌گر انتظار دارد متفاوت سازد.

طراحی رایانه‌های کوانتومی

کسب اطلاعات بیشتر محققان در زمینۀ محدودیت سرعت کوانتومی میتواند بر روی طراحی پردازشگرهای رایانه‌های کوانتومی تاثیر بگذارد. آن زمان که مهندسین آموختند چگونه اندازۀ ترانزیستورها را کاهش داده و آنها را در کنار یکدیگر و در رایانه معمولی قرار دهند، نیاز به خلاقیت بیشتری برای طراحی سریع‌ترین سیستم‌های کوانتومی خواهند داشت تا هر چه بیشتر به محدودیت سرعت کوانتومی نزدیک شوند.

هنوز مباحث زیادی باید مورد بررسی قرار گیرد. مشخص نیست آیا محدودیت سرعت کوانتومی آنقدر بالاست که مانند مثال ماشین و سرعت نور قابل دستیابی نمی باشد؟ همچنین ما اطلاعاتی از نحوۀ تاثیر عناصر غیرمنتظره محیط (مانند عسل در مثال بالا) می توانند به تسریع پردازش کوانتومی کمک کنند. با متداول‌ترشدن تکنولوژی‌های وابسته به کوانتوم، ما باید اطلاعات بیشتری در خصوص محدودیت‌های فیزیک کوانتوم کسب و نحوۀ طراحی سیستم‌هایی با بیشترین بهره‌وری از دانش ما را کشف کنیم.