نگاهی به كامپیوترهای نسل آینده
ترجمه: ع. سزاوار
شهر در خاموشی
كامپیوترهای اولیه قدرت انجام عملیات و محاسبات سنگین را نداشتند و در ساختار خود
از بیش از ۱۸ هزار لامپ خلٲ استفاده می كردند و مصرف بسیار بالایی داشتند به طوری
كه یكی از این كامپیوترهای اولیه كه «انیاك» نام داشت، هنگامی كه روشن شده و شروع
به كار می كرد، برق نیمی از شهر نیویورك قطع می شد و فضایی بیش از ۱۵۰ مترمربع را
اشغال می كرد. در نهایت با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی عمر آنها به پایان رسید.
در آینده ای نه چندان دور ممكن است این ماجرا یك بار دیگر تكرار شود و كامپیوترهای
امروزی جای خود را به كامپیوترهای نسل آینده یعنی «كامپیوترهای كوآنتومی» بدهند. در
مقایسه كامپیوترهای كوآنتومی با كامپیوترهای امروزی می توان گفت مسائلی كه زمانی
تصور می شد غیرقابل حل است، حل خواهد شد و شبیه سازی های صورت گرفته به واقعیت
بسیار نزدیك تر می شود، حتی ابركامپیوترها در برابر آنها رقیبی محسوب نخواهند شد.
كامپیوترهای اولیه علاوه بر وزن بسیار زیاد، حجم بسیار بزرگی هم داشتند و گاهی برای
نگهداری آنها یك ساختمان چندطبقه لازم بود ولی با این وجود توانایی آنها هزاران بار
كمتر از كامپیوترهای امروزی بود و برای تهیه و نگهداری آنها هزینه های سنگینی صرف
می شد. با اختراع ترانزیستورهای نیمه هادی در سال ۱۹۵۹ كه نسبت به لامپ های خلٲ
بسیار كوچك تر و ارزان تر و به نحو چشمگیری كارآمدتر بودند، دیگر از لامپ های خلٲ
استفاده نشد، به ویژه آنكه ترانزیستورها پس از سال ها استفاده خراب نمی شدند. ولی
مسئله به اینجا هم ختم نشد. با اختراع مدارات مجتمع
ICها
كه با ابعاد چند میلی متری می توانستند هزاران ترانزیستور را در خود جای دهند، باز
هم نسل جدید كامپیوترها، كوچك تر و پیشرفته تر و البته سریع تر شد.
وقتی اندازه ترانزیستورهایی كه متخصصان می سازند به ابعاد اتمی نزدیك می شود، دیگر
قوانین حاكم بر فیزیك كلاسیك بر رفتار اتم ها حاكم نیست. به طور مثال كسی نمی داند
یك الكترون در یك زمان مشخص دقیقا در كجا قرار دارد یا كسی نمی تواند به درستی
تشخیص دهد كه الكترون در یك سیم به كجا می رود. یعنی وقتی به ابعاد اتمی نزدیك می
شویم، فیزیك كوآنتومی رفتار اتم ها را توضیح می دهد و دیگر قوانین كلاسیك كاربرد
ندارد. در واقع كامپیوترهای نسل آینده با استفاده از فناوری های میكروسكوپیك ذره ها
كار می كنند، به طور مثال در مورد الكترون از خاصیت «اسپین» آنها استفاده می كنند،
در تابش از خاصیت پولاریزاسیون و غیره به همین دلیل است كه سرعت و حجم این
كامپیوترها با كامپیوترهای امروزی قابل قیاس نیست. نخستین ایده ها در مورد
كامپیوترهای كوآنتومی به دهه ۱۹۸۰ برمی گردد در آن زمان دانشمندانی همچون «دیوید
دویچ» و ریچارد فایمن با ارائه مقاله هایی از لحاظ نظری به توصیف كامپیوترهای
كوآنتومی پرداختند، ولی دستیابی متخصصان به جنبه های عملی آن امكان پذیر نشد. تا
آنكه در نهایت در نوامبر ۱۹۹۴، پیتر شور با طراحی یك الگوریتم كوآنتومی كه بعدها به
الگوریتم شور معروف شد، تا حد زیادی جهان را در دستیابی به كامپیوترهای كوآنتومی
نزدیك تر كرد. براساس این روش می توان با استفاده از كامپیوترهای كوآنتومی یك عدد
را با سرعت فوق العاده ای به مقسوم علیه های اول آن تجزیه كرد. اگر برای انجام عمل
ریاضی مشابهی از كامپیوترهای فعلی استفاده كنیم، با افزودن هر رقم به عدد مورد نظر
سرعت كامپیوتر برای حل مسئله به نصف كاهش می یابد. قدرت ریاضی الگوریتم شور
دانشمندان زیادی را به فكر انداخت تا برای پیدا كردن الگوریتم های كوآنتومی دیگر یا
یافتن روش های عملی اجرای این الگوریتم ها فعالیت كنند.
در كامپیوترها از یك دستور ساده گرفته تا سیستم عامل، همه در نهایت به صورت رشته
هایی از صفر و یك درمی آیند. این رشته ها می تواند روی هارد كامپیوتر شما، یك دیسك
فشرده و یا حتی موبایل تان ذخیره شود. كوچك ترین واحد ذخیره اطلاعات كه بیت
bit
نام دارد، یك سلول مغناطیسی است كه بسته به جهت مغناطیس می تواند صفر یا یك باشد.
اما در كامپیوترهای كوآنتومی وضعیت به این نحو است كه صفر و یك ها جای خود را از
میدان مغناطیسی به یك خصوصیت كوآنتومی ماده به نام «اسپین» می دهند. اسپین را می
توان به جهت چرخش یك ذره تشبیه كرد. مثلا بنا بر قوانین كوآنتومی از دو الكترون در
اتم هلیوم اگر یكی اسپین مثبت باشد دیگری حتما اسپین منفی است. در نتیجه می تواند
ابزار بسیار مناسبی برای ذخیره سازی صفر و یك باشد. بنابراین در كامپیوترهای آینده
به كوچك ترین واحد ذخیره اطلاعات «كیوبیت»
Qbit
می گویند. از همه مهمتر اینكه هر بیت در حالت كلاسیك خود در یك لحظه مشخص فقط می
تواند یك حالت صفر یا یك داشته باشد در صورتی كه در كوآنتوم یك بیت می تواند در یك
زمان مشخص حاوی هر دو حالت صفر و یك باشد. هم اكنون دانشمندان به دنبال ماده ای
هستند كه كیوبیت های فراوانی داشته باشد و به گونه ای باشد كه بتوان با كیوبیت های
آن ارتباط برقرار كرد. دستاورد فعلی آنها یك مولكول از فلوئور كربن و آهن است كه
هفت كیوبیت واقعی دارد. آنها میلیاردها مولكول از این ماده را در آزمایشگاه ساخته
اند و با استفاده از آن نخستین محاسبه واقعی یك كامپیوتر كوآنتومی را انجام داده
اند.
با توجه به ماهیت ساختار كامپیوترهای كوآنتومی روش برقراری ارتباط آنها كاملا
متفاوت با كامپیوترهای امروزی است، بدین صورت كه پالس های رادیویی نقش صفحه كلید را
دارند كه به وسیله آن اطلاعات وارد كامپیوتر می شود و دستگاه تشدید مغناطیسی كه
دستگاهی شبیه به دستگاه
MRI
بیمارستان است و با همان اصول كار می كند، نقش صفحه نمایشگر كامپیوتر را ایفا می
كند. با ارائه تصویر مغناطیسی از توده مولكول ها كامپیوتر پاسخ محاسبات را به ما
نشان می دهد. دستاورد فعلی دانشمندان در زمینه ساخت كامپیوتر كوآنتومی، ساخت
مولكولی با ظرفیت هفت كیوبیت بوده است كه توسط آن توانسته اند عدد ۱۵ را به سه و
پنج تجزیه كنند، گرچه این دستاورد ممكن است چندان قابل توجه به نظر نیاید ولی به
طور یقین این تلاش ها شروعی برای گام های بزرگتر در آینده خواهد بود. مسئله دیگر
نرم افزارهای كوآنتومی هستند كه حالت كوآنتومی مشخصی دارند و كامپیوترهای آینده را
قادر می سازند وظیفه خاصی را انجام دهند. حاصل كار بسته به نسخه نرم افزار، متغیر
خواهد بود. اما مشكل این است كه نرم افزار ها حالت یك بار مصرف خواهند داشت كه
البته باعث رشد صنعت نر م افزاری خواهد شد و به نفع شركت های نرم افزاری است، ولی
به تازگی محققان كشف كرده اند كه نرم افزار كوآنتومی در شرایط خاص می تواند نقش
كاتالیزوری را انجام دهد و طی فرآیند بدون مصرف شدن باعث اجرای عملیات شود. با توجه
به دستاوردهای جدید دانشمندان، می توان آینده درخشانی را برای نسل آینده كامپیوترها
متصور بود به ویژه آنكه این مسئله مورد استقبال كاربران نیز قرار گرفته است.
Newyorktimes.com ,22Jun.2006