وقتی که یک موضوع علمی یا مهندسی در رسانه ها "داغ" میشه، عموم مردم انتظار دارن ظرف مدت کوتاهی اون مساله باعث پیشرفت عمیق در همه ی جنبه های زندگی بشه. موضوعاتی مثل Big Data، Deep Learning، و Quantum Computing اگرچه جنبه های مختلف زندگی ما رو تحت تاثیر قرار دادن، اما نمی تونن (و قرار هم نبوده بتونن) یک "انقلاب" اساسی ایجاد کنن. روند پیشرفت علم پیوسته است و هر مفهوم بر اساس مفاهیم دیگه تعریف میشه.
با این توضیح، قرار نیست از محاسبات کوانتومی انتظار داشته باشیم تا جای کامپیوترهای کلاسیک رو بگیرند!
#توضیح_پایه

قبل از هر چیز باید بگم که شرکت های مختلفی #پردازنده_کوانتومی درست می کنن و به ما هم اجازه میدن تا از طریق API های خاص (عموما Python#) بتونیم رایگان از اون ها استفاده کنیم. در ادامه به بعضی از اون ها اشاره می کنم.
#کوانتومی_عملی

این روز ها CERN یک درس آنلاین رایگان راجع به مقدمات محاسبات کوانتومی برگزار میکنه که توصیه می کنم از دست ندیدش.
#کوانتوم_درس
https://home.cern/news/announcement/computing/online-introductory-lectures-quantum-computing-6-november

سردترین نقطه ی عالم هستی کجاست؟
حدود ۵۰۰۰ سال نوری دورتر از کره ی زمین در Boomerang Nebula، دما به یک درجه ی کلوین میرسه یعنی حدودا منفی ۲۷۲ درجه ی سانتی گراد. این جا تا مدت ها سرد ترین نقطه ی عالم بود.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Boomerang_Nebula

تا این که بشر تصمیم گرفت که دمای سردتر از این رو در یک "یخچال" ایجاد کنه، روی کره ی زمین! دلیل این کار این بود که تنها در دمای نزدیک به صفر مطلق (چند میلی درجه بالای کلوین) میشه "ویژگی های کوانتومی" رو مشاهده کرد. و بله! کامپیوترهای کوانتومی همگی در این دمای پایین کار می کنند. پردازنده های کوانتومی در یک یخچال سرد قرار داده میشن تا بتونن واقعا یک "کیوبیت" (Qubit) رو پیاده سازی کنند.

وقتی راجع به یک کامپیوتر کوانتومی صحبت می کنیم راجع به چی حرف می زنیم؟

مثلا وقتی از "کامپیوتر" صحبت می کنیم، منظورمون یک پردازنده، رم، مادربرد و ... هستش که همه به هم وصل شدن و وقتی که روشن میشن یک سیستم عامل به ما یک محیط کار میده. اما کوانتوم کامپیوترها چی؟

یک کوانتوم کامپیوتر امروزی همیشه یک کامپیوتر کلاسیک (اسمی که ما به کامپیوترهای معمولی میدیم) رو در کنارش داره. یعنی ما مساله ای که می خوایم حل کنیم رو اول به کامپیوتر کلاسیک می فرستیم. اون کامپیوتر شکل مساله رو عوض می کنه و در یک فورمت قابل فهم مساله رو به پردازنده ی کوانتومی ارسال میکنه. توجه کنید که کامپیوتر کلاسیک در یک کیس معمولی (یا سرور) قرار گرفته و پردازنده ی کوانتومی در یک یخچال سرد (پست قبلی).
پس ما یک کامپیوتر که فقط پردازنده ی کوانتومی داشته باشه نداریم و احتمالا هیچ وقت نخواهیم داشت. چون کوانتوم کامپیوتر ها فقط می تونن یک طیف خاص از مسائل رو حل کنن، و مثلا نمی تونن به ما ابزار تایپ و وب گردی و ارائه کنن. پردازنده های کوانتومی سیستم عامل ندارن و در سطح پایین (کد صفر و یک) با پردازنده ی کلاسیک حرف میزنن.

مراقب باشید که پردازنده های کوانتومی رو دست کم نگیرید. اگرچه تعداد مسائل شناخته شده ای که می تونن حل کنن محدوده، اما این مسائل خیلی برای ما مهم هستن. مثلا یکی از این مسائل فاکتورگیری اعداد به عوامل اول هست که به راحتی می تونه بخش اعظم فناوری های رمزنگاری امروزی رو بی استفاده کنه. کامپیوتر های کوانتومی امروزی البته اون قدر بزرگ نیستند که بتونن به طور مستقیم برای "قفل شکستن" استفاده بشن.


#توضیح_پایه

این جا یک کامپیوتر کوانتومی رو ببینید:
https://youtu.be/Tvst-xP2_Q8

این هم یک توضیح خیلی خوب راجع به کوانتوم و رمزنگاری:
https://youtu.be/6H_9l9N3IXU

در این پست #بیت و #کیوبیت رو معرفی می کنم که در حقیقت بلوک های پایه ی کامپیوترهای کلاسیک و کوانتومی هستند.

کوچک ترین واحد حافظه چیه؟ بله، بیت!

در کامپیوتر های کلاسیک، ساده ترین واحد داده که میشه ذخیره و پردازش کرد بیت نام گذاری شده. یک بیت به بیان ریاضی یک متغیره که فقط می تونه دو مقدار صفر و یک رو بگیره. مثلا این طوری:
X=0 یا X=1

اما چه کارهایی با یک بیت ها میشه کرد؟ میشه با همدیگه جمع شون کرد، از هم کم کردشون، ضرب کرد، تقسیم کرد، "یا" و "و" منطقی بینشون حساب کرد و البته عکسشون (متضادشون) رو محاسبه کرد. بیت ها در دسته های ۸ تایی که بایت گفته میشه ذخیره میشن و روشن محاسبه انجام میشه. اطلاعات بیشتر:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Boolean_algebra

کامپیوتر های کلاسیک در حقیقت تعداد بسیار کمی دستور رو می تونن انجام بدن. به عنوان مثال یک کامپیوتر با معماری (و نه فقط ساخت) اینتل تقریبا می تونه ۱۵۰۰ تا دستور مختلف رو انجام بده، مثلا جمع، تفریق، پریدن به یک نقطه ی خاص حافظه و .... این لیست این دستورات هست:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/X86_instruction_listings

انجام هر کدوم از این دستورات چندین سیکل طول می‌کشه. اگر یک پردازنده ی ۲ گیگاهرتزی داشته باشید یعنی در هر ثانیه ۲ میلیارد سیکل وجود داره و مثلا در هر ۱۰۰ سیکل یکی از این ۱۵۰۰ دستور پایه اجرا میشن. کار یک کامپایلر اینه که کد شما رو به هر زبونی که هست، به کدی تبدیل کنه که فقط از این ۱۵۰۰ دستور استفاده میکنه! این ۱۵۰۰ دستور در حقیقت بلوک های سازنده ی محاسبات روی کامپیوتر های کلاسیک هستند.
https://fgiesen.wordpress.com/2016/08/25/how-many-x86-instructions-are-there/

برگردیم به بیت ها. چطور پیاده میشن؟ اگر پشت کامپیوتر یا موبایتون رو باز کنید کلی مدار و سیم می بینید. بیت ها با سرعت زیاد از این سیم ها منتقل میشن. اما سیم ها فقط جریان برق منتقل می کنن و نه بیت! بیت یک مفهومه که ما برای محاسبات در قالب جبر بولی تعریف کردیم و در نتیجه شکل فیزیکی اون رو هم باید خودمون تعریف کنیم. پس بر اساس قرارداد، یک سطح ولتاژ بالا(مثلا ۵ ولت) به عنوان "یک" و سطح ولتاژ پایین (مثلا صفر ولت) به عنوان "صفر" نام گذاری میشه.

اما واحد پردازش کامپیوترهای کوانتومی چیه؟ کیوبیت(qubit)! که مخفف quantum bit هستش.

یک کیوبیت در حقیقت یک "حالت" کوانتومی در فضای هیلبرته. خوب به نظر سخت شد، اما نه ساده تر از این حرف هاست! بیاید یک کیوبیت رو با S نشون بدیم، مثل بیت که با X نشون دادیم. حالا بیایم یک نماد ریاضی هم به کار ببریم که مشخص بشه S یک کیوبیته. این جوری:
|S>
این نماد اسمش ket و در نتیجه این "اس-کِت" خونده میشه. نمادهای ریاضی کوانتوم کمی خاص هستند که این جا میتونید بیشتر راجع بهشون بخونید:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Bra%E2%80%93ket_notation

برگردیم به مفهوم کیوبیت. یک کیوبیت بیان میکنه که چقدر احتمال داره یک بیت صفر (در کوانتوم یعنی <0|) یا یک (در کوانتوم <1|) باشه. همون طوری که یک نقطه رو روی نمودار بر اساس x و y بیان می کنیم، می تونیم یک نقطه رو بر اساس <0| و <1| بیان کنیم، یعنی مثلا:
|S> = 0.8×|0> + 0.2×|1>

این مثلا یعنی این که احتمال صفر بودن این کیوبیت ۸۰ درصد و احتمال یک بودن اون ۲۰ درصده! پس اون "هیلبرت" چی بود که گفتم؟ هیلبرت یک فضا یا ویژگی های خاص روی افراد مختلطه. یعنی این که اون ضرایب برای حالات صفر و یک در یک کیوبیت می تونن اعداد مختلط باشن. قدرت کوانتوم کامپیوترها این جاست. واحدهای محاسبات اون ها میتونن بیشتر از فقط دو حالت داشته باشن. مثل فضای دو بعدی x و y که بی نهایت نقطه داره، کیوبیت هم می تونه بی نهایت مقدار بگیره. اما دستورهای پایه (مثل اون ۱۵۰۰ تا در کامپیوترهای اینتل) چطوری برای کوانتوم کامپیوترها تعریف میشن؟ کوانتوم ها عملگرهای خودشون رو دارن که اسمشون گیت هست. این هم لیستشون:
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Quantum_logic_gate

در ادامه بیشتر (خیلی بیشتر!) راجع به این گیت ها صحبت می کنیم.

#توضیح_پایه

یک توضیح کلی و چند منبع در مورد خطر کامپیوترهای کوانتومی برای الگوریتم های رمزنگاری امروزی:

https://www.linkedin.com/posts/mkareshk_data-cryptosystems-rsa-activity-6736664967250104320-y5rF

یک کامپیوتر کوانتومی چطور خنک میشه؟ البته که با #یخچال!

اول بگیم که یخچال خونه مون چطور سرد میمونه. وقتی که یک مایع تبخیر میشه گرما جذب می کنه و برای همین هم هست که وقتی از حمام بیرون میایم احساس سرما می کنیم. پس از این اصل فیزیکی که تبخیر یک فرآیند گرماگیره میشه برای خنک کردن استفاده کرد. اما با آب نمیشه یخچال خونه رو خنک کرد چون نقطه ی تبخیر آب ۱۰۰ درجه است و ما به ماده ای احتیاج داریم که نقطه ی تبخیر پایین تری داشته باشه. برای یک توضیح مختصر و دونستن مواد مناسب، ویکی پدیا رو بخونید:
https://fa.m.wikipedia.org/wiki/%DB%8C%D8%AE%DA%86%D8%A7%D9%84

اما با این ساز و کار نمیشه به دمای نزدیک به صفر مطلق رسید. برای رسیدن به این دما (که کامپیوتر کوانتومی بتونه کار کنه) باید از روش های دیگه ای استفاده کرد. این ویدئو یکی از این ها رو توضیح میده:
https://youtu.be/7jT5rbE69ho

به جز بحث فنی، دقت کنید که پروفسور Andrea Morello با چه اشتیاق و تسلطی این بحث پیچیده رو به زبان ساده توضیح میده! اطلاعات بیشتر در مورد ایشون:
https://research.unsw.edu.au/people/scientia-professor-andrea-morello

#معرفی

کامپیوتر های کوانتومی چطوری کوانتوم رو به وجود میارن؟

این سوال غلطه! کوانتوم به وجود نمیاد. این این خاصیت فیزیکیه که می تونیم در ابعاد خیلی خیلی کوچک مثل الکترون ها و فوتون ها مشاهده کنیم. چیزی نیست که ما به وجود بیاریمش. اولین بار که به وجود کوانتوم پی بردیم وقتی بود که یک سری آزمایش فیزیکی انجام شد که با دانش ما در مورد الکترون و ذرات کوچک هماهنگ نبود. مثلا این که این ذرات "هر میزان دلبخواه" انرژی رو نمی پذیرند و فقط می تونند "مقادیر مشخصی از انرژی" رو بگیرند و اصلا اسم کوانتوم (مقدار مشخص) هم از همین جا میاد. یا مثلا این که گاهی الکترون رفتار شبیه ذره داره و گاهی شبیه موج رفتار میکنه. این مشاهدات باعث شد ما پی ببریم که قوانین فیزیک در ابعاد کوچک می تونن با اون چیزی که ما می دونیم متفاوت باشن. این ها و کلی آزمایش دیگه و بسترهای ریاضی، باعث شد ما کوانتوم رو "بپذیریم".
هدف کامپیوتر های کوانتومی اینه که از این خاصیت فیزیکی مواد استفاده کنند تا بتونن مسائل ریاضی رو حل کنن. پس اون چیزی که ما "می سازیم" #کیوبیت ها و گیت ها و عملگر های روی اون هاست و نه خود کوانتوم!

#توضیح_پایه

اساس فهمیدن و کار با کامپیوترهای کوانتومی جبر خطیه. می دونم که جبر احتمالا جذاب ترین موضوع دنیا برای یادگرفتن نیست! اما دونستن اون لازمه ی یادگرفتن محاسبات کوانتومیه. در حقیقت خیلی از قسمت های سخت کوانتوم کامپیوتر برای این سخت هستند که ما اون پایه ی جبر رو بلد نیستیم، نه به خاطر مفهوم پیچیده ی کوانتوم :)
این سری ویدئو ها خیلی ساده و البته به شکل شهودی و تصویری پایه های جبر خطی رو توضیح میدن:
https://www.youtube.com/playlist?list=PLZHQObOWTQDPD3MizzM2xVFitgF8hE_ab

من از هفته ی دیگه گیت ها و مدارهای داخلی رو توضیح میدم و برای همین گفتم این لینک رو به اشتراک بگذارم تا کمی فرصت داشته باشید که بیشتر مطالعه کنید.

اگر از کانال "محاسبات کوانتومی" خوشتون اومده، اون رو دوستانتون به اشتراک بگذارید!
@quantum_farsi