کامپیوتر کوانتومی چیست؟

شاید برای شمایی که به علم علاقه خاصی دارید این سوال بوجود بیاد که کامپیوتر کوانتومی چیست و نحوه کار آن چگونه است؟

در ادامه با ما همراه باشید.

1-بررسی روش های پردازش و محاسبات کامپیوتر های کوانتومی و..

در این مقاله به بررسی کامپیوترهایی که بر اساس مکانیک کوانتومی ساخته می شوند و توان بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند، می پردازیم. در هم تندیگی کوانتومی از جمله خواصی است که در فیزیک کلاسیک هیچ مشابهی ندارد. حالت های در هم تنیده به حالت هایی از یک سیستم مرکب گفته می شود که نمی توان آنها را به صورت ضرب حالتهای مستقلی از تک تک اجزا نوشت. این حالت ها نقش بسیار مهمی در محاسبات کوانتومی، اجرای الگوریتم ها و قراردادهای کوانتومی دارند.

به این منظور ابتدا راجع به محاسبات کلاسیک و کوانتومی و در ادامه به معرفی خاصیت های برهم نهی کوانتومی و توازی کوانتومی و چند الگوریتم کوانتومی در زمینه ی نرم افزار کوانتومی از جمله الگوریتم های کارآمد، الگوریتم شور، جستجوی گرووردویچ هستند، اشاره می کنیم. سپس به ارائه مفاهیمی مثل اجزاء محاسبات کوانتومی، و روشهای مختلف سخت افزارهای کوانتومی در زمینه پیاده سازی فیزیکی کامپیوترهای کوانتومی می پردازیم. در پایان نیز ابزارهای مکانیک کوانتومی در کار محاسبات، علاوه بر آنکه موجب کوچک تر شدن سخت افزارها می گردد، این امکان را نیز فراهم می آورد که برخی از مسائل محاسباتی را در زمان بسیار کمتری در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک انجام دهیم. الگوریتمهای ارائه شده، مزیت روشهای کوانتومی را بر روشهای کلاسیک نشان میدهد.

 2-بررسی روش های بهینه سازی الگوریتم های کلاسیک با استفاده از کامپیوتر های کوانتومی :

کامپیوترهای کوانتومی دارای قدرت و سرعت پردازش بالا و قادر به انجام محاسبات بسیار سریع هستند. محاسبات کوانتوم توسط بیت صورت میپذیرد که در هر بیت کوانتوم توانایی ذخیره سازی حالات متفاوت پردازشی به طور همزمان وجود دارد.  کوانتوم یا الگوریتم پردازشی بیت کوانتوم کاملا با روش پردازشی بیتهای دودویی کلاسیک متفاوت است. یک بیت کوانتوم میتواند حالتهای صفر و یک یا (شرط)، قطعیت و یک احتمال (فرضیه) از این گروه را نگهداری و ذخیره نماید. کامپیوتر کوانتومی از سیستم بکارگیری بیت کوانتوم بهرهمند است که محاسبات و ذخیره سازی اطلاعات با جابجایی، انتقال و تراکنش این بیتها در حافظه بصورت منطقی انجام میشود.

 3-نانو در کامپیوتر های کوانتومی:

با گذر زمان، بشر همواره دنبال این بوده است که علاوه بر استفاده بهینه از اجسام، به کوچک کردن ابعاد آن بپردازد. لازمه ی دستیابی به این موضوع مهم، علم جدیدی چون تکنولوژی فناوری نانو میباشد. نانو از کلمه ی یونانی نانس به معنای کوتوله می آید. جالب است بدانیدکه نانو، نه یک جسم است، نه یک ماده ، بلکه یک واحد یا مقیاس است. یک نانومتر برابر یک میلیلاردم متر است. بنابراین پی میبریم که تکنولوژی فناوری نانو علمی است که به بررسی اجسام بسیار ریز میپردازد.

طبق قانون مور اگر هر 12 یا 24 ماه تعداد ترانزیستورهای داخل یک تراشه ی کوچک دو برابر شود تا سال 2020 یا 2030 میلادی برای کامپیوترها به محیطی برابر 6 مترمربع نیاز خواهیم داشت. بنابراین دانشمندان به دنبال آن هستند که با بهره بری از تکنولوژی فناوری نانو برمشکلات آینده غلبه نمایند. به همین دلیل تکنولوژی فناوری نانو یکی از سه علم برتر و همچنین یکی از جالب ترین و به روزترین علوم دنیا میباشد. طبق مطالعات صورت گرفته، تکنولوژی فناوری نانو یک علم جدید نیست، بلکه حدود نیم قرن پیش (اواخر قرن بیستم) توسط کی اریک درکسلر به ثبت رسید. منطق دو دویی منطقی میباشد که بر اساس منطق 0و1 کار میکند. در این منطق به جای 0یا 1مطلق، حالتهایی بین 0و1 نیز بررسی می شود، و از این طریق استفاده بهینه از سیستم ها به ویژه کامپیوترها را افزایش می دهد. کوانتوم یک ذره ی مادی بسیار کوچک است که افزایش یا کاهش یک الکترون در آن باعث ایجاد خواص ارزشمندی می شود، و مبنای ساخت کامپیوترهای کوانتومی میباشد. واحد اطلاعات برای محاسبات کامپیوترهای کلاسیک با تغییر روی بیت ها انجام میشود. بیت، گزیده ی واژه ی دو دویی میباشد و شامل صفر یا یک است. درصورتی که این واحد در کامپیوترهای کوانتومی کیلو بیت نامیده می شود و تغییرات روی کیلو بیت ها صورت می گیرد.

کیلوبیت ها شامل صفر، یک، هردو یا حالت بینابین از این دو میباشد.وبنابراین کامپیوترهای کوانتومی قادر هستند که محاسبات پیچیده تری را نسبت به کامپیوترهای کلاسیک در زمان بسیار کمتری انجام دهند. در واقع کامپیوترهای کوانتومی، کامپیوترهایی هستند که با مهار کردن انرژی اتم ها و مولکول ها، از آنها بعنوان حافظه و پردازنده ا ستفاده می کنند.

 4-بررسی تاثیر رایانش کوانتومی در معماری کامپیوتر آینده با ارائه شیوه جدید طراحی مدارات پردازش مبتنی بر محاسبات کوانتوم :

اصول کوانتوم در سالهای گذشته دنیای معماری سیستم های کامپیوتروساخت ریزپردازنده ها با درک نزدیک شدن به زمان وداع باسیلیکون، به تکاپو افتاده تا روشهای دیگری را به منظور توسعه ی پردازنده ها و واحدهای پردازشی قدرتمندتر به کارگیرد. محدودیت موجود در سیلیکون در سال های آینده امکان کوچکتر کردن ساختار ترانزیستور را نداده و به این ترتیب سرعت افزایش قدرت پردازنده ها براساس قانون مور دچار چالش می گردد.

اما کمپانی هایی نظیر آی دی ام ، اینتل و در کنار آنها دی-ویو سیستمز در پی آن هستند تا با انجام تحقیقات و به واقعیت تبدیل کردن مفهومی چون طراحی مداربا فناوری نانو و رایانش کوانتومی، راه را برای تولید تراشها وکامپیوترهای بسیار قدرتمندتر باز کنند. در این مقاله طراحی مدارتجزیه وتحلیل سیگنال کوانتومی که براساس کیوبیت و محاسبات کوانتومی کار می کند تشریح و ارایه شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که درآینده نزدیک باید از سیستم های دیجیتال به سیستم های کوانتوم گذر کنیم. لذا این موضوع مهم باعث تحولی عظیم در تمامی سیستم های دیجیتال از جمله معماری کامپیوتر خواهد شد.

 5-بررسی روش های مختلف مدلسازی میانقاب جهت محاسبات سازهای و..

میانقابهای مصالح بنایی به دلایل معماری و همچنین سازهای به صورت گسترده ای در ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرند. توزیع این عناصر و همچنین میزان تأثیر آنها بر سختی و مقاومت جانبی ساختمانها عموماً در طول فرآیند طراحی نادیده گرفته میشود. بهبود عملکرد لرزهای ساختمانها نیازمند ارزیابی دقیق نقش میانقابها در پاسخ سازه نسبت به بارگذاری وارده میباشد. در تحقیقات صورت گرفته توسط محققان مختلف، فرضیات و تئوریهای متنوعی جهت مدلسازی رفتار میانقابها در نظر گرفته شده است.

به همین نسبت مدلهای مختلفی نیز جهت مدلسازی سازهای میانقاب ارائه شده است. روابط مختلفی نیز جهت مدلسازی رفتار میانقابها به صورت یک المان قطری معادل معرفی شده است. در این روابط عموماً المان قطری معادل میانقاب به صورت یک عضو دو سر مفصل در نظر گرفته شده است. در این تحقیق روشهای مختلف مدلسازی میانقاب جهت محاسبات سازهای بررسی و به توضیح زمینه های کاربرد هر کدام از این روشها پرداخته شده است.

6-بررسی روش های شبیه سازی و بستر های ازمایشی در محاسبات ابری:

بستر ازمایشی ابری اولین مانع برای انجام پژوهش در زمینه محاسبات ابری، توسعه یک پلت فرم تحقیقاتی مناسب است. با وجود اینکه محاسبات ابری عمدتا تجاری محور می باشند و ابرهای تجاری به طور طبیعی به عنوان سیستم عامل تحقیق واقعی در نظر گرفته می شوند، اما کنترل کافی برای انجام آزمایش های قابل اعتماد ارائه نمی دهند. از سوی دیگر، پژوهش ها با استفاده از شبیه سازی، مدل سازی ریاضی و یا نمونه های اولیه کوچکی که ممکن است لزوما قابل اجرا در ابرهای واقعی در مقیاس بزرگتر نباشند، انجام شده است. بررسی های قبلی بر روی عملکرد ابر و بهره وری انرژی، در قسمت مکانیسم پیشنهاد دهنده فنی برای رفع این عوارض متمرکز شده است.

متخصصین و پژوهشگران حوزه های علمی گوناگون میتوانند از آن برای شناسایی زمینه های که در آن بتوانند راه حل های نوآورانه فنی خود را به اشتراک بگذارند، استفاده نمایند. با ارائه چشماندازی از سیستم عامل تحقیقاتی برای سیستم های ابر، هدف این مقاله کمک به محققان برای شناسایی یک رویکرد مناسب برای مدلسازی، شبیه سازی و یا اجرای نمونه اولیه است تا بتوانند با استفاده از آن راه حل های فنی خود را توسعه و ارزیابی کنند.

 7-بررسی روش های مدیریت توان پویای نرم افزاری در محاسبات ابری:

مدیریت توان  محاسبات ابری در دنیای امروز به عنوان یک نمونه محاسباتی جدید که قصد تهیه یک محیط محاسباتی پویای قابل اطمینان، سفارشی و باکیفیت سرویس ضمانت شده را دارد، پدیدار شده است. این نوع از محاسبات، سرویسهای فناوری اطلاعات فراگیری را به کاربران سراسر جهان ارائه میکند و براساس مدل پرداخت به ازای استفاده، قادر به میزبانی کاربردهای فراگیر در حوزه های تجاری و علمی و… است. این مدل محاسباتی با وجود ارائه سرویس های اشتراکی مزایای بسیاری در کاهش هزینه های عملیاتی همچون رفع نیاز به خرید نرم افزار یا سخت افزار توسط کاربران را فراهم نموده است؛ اما با توجه به نگرانی های موجود در زمینه هزینه و مصرف توان بالا در مراکزداده، توسعه روش های مدیریت توان در مراکز داده ابری میتواند منجر به بهبودهای قابل توجهی در کارایی انرژی و کاهش هزینه های عملیاتی و کلی سیستم شود.

استفاده از روشهایی مانند زمانبندی خواب و مجازی سازی منابع محاسباتی و ترکیب در مراکزداده محاسبات ابری، جهت زمان بندی و تخصص کارای منابع در مدیریت کارای انرژی مراکزداده ابری و کاهش هزینه های کلی برای تهیه کننده ابر و کاربر نقش مؤثری دارند. در این مقاله، اهمیت مدیریت توان در محاسبات ابری و نیز جنبه های مختلف مدیریت پویای توان و انرژی که شامل روش هایی برای انطباق رفتار سیستم در زمان اجرا مطابق با نیازهای کنونی منبع یا هر مشخصه پویای دیگری از وضعیت سیستم می باشد، از لحاظ نرم افزاری در مراکزداده و زیرساخت محاسبات ابری بررسی و روش های مربوطه در هر بخش، دسته بندی شده است.

 8-ویژگی کامپیوتر کوانتومی :

ویژگی کوانتومی بیان می‌کند، یک شی می‌تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد! فرض کنید سکه‌ای را به هوا پرتاب می‌کنید، سکه‌ی در حال چرخش هم می‌تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ‌وجه نمی‌توانیم درباره‌ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی در این زمینه وجود دارد به نام آزمایش گربه‌ی شرودینگر، در ادامه برای درک بهتر مفهوم فیزیک کوانتوم این مثال را بررسی می‌کنیم.

9-خطرات پردازش های کوانتومی :

کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل‌های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود!  به همین دلیل بسیاری از دولت‌ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند!  رمزنگاری حساب‌های کاربری، پروتکل‌های امنیتی شبکه، انتقال داده‌ها و… همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد، البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن‌ها سعی می‌کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند.

از سوی دیگر استفاده از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق‌العاده‌ای در اختیار ربات‌ها قرار می‌دهد، احتمالا در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم‌های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات‌های هوشمند با انسان همکاری می‌کنند یا شاید برعلیه انسان‌ها شورش کرده و ما را به عنوان برده‌های خود به‌کار می‌گیرند.

لطفا نظرات خود را با ما به اشتراک بگذارید. شرکت ویستا