عملکرد بهتر کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک ثابت شد

براساس آخرین تحقیقات، نشانه‌ها و دلایل مستدلی وجود دارد که نشان می‌دهد کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک عملکرد بهتری نشان می‌دهند. 

تاکنون خبرهای بسیاری در مورد کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی منتشر شده است. ظاهرا جنجال‌های تبلیغاتی و قابلیت‌هایی که در مورد کامپیوترهای کوانتومی مطرح می‌شود، چندان هم دور از واقعیت نیست. هرچند برای اینکه بتوانیم به‌صورت واقعی و در عمل در مورد قدرت محاسبات کوانتومی صحبت کنیم، هنوز باید چند سال دیگر صبر کنیم تا ببینیم این وعده‌های تبلیغاتی محقق خواهند شد یا خیر. آیا وعده‌های مطرح‌شده در مورد کامپیوترهای کوانتومی و محاسبات کوانتومی به عینیت و واقعیت خواهند رسید یا در عمل چنین تبلیغاتی صحت ندارد. 

تحقیقات و مطالعات علمی در مورد رایانه‌های کوانتومی همچنان ادامه دارد. در کنار این تحقیقات علمی، تبلیغات رسانه‌ای هم کار خود را پیش می‌برند. براساس آخرین دستاوردهای مطرح‌شده در این حوزه، به‌نظر می‌رسد در انجام محاسبات واقعی، کامپیوترهای کوانتومی عملکرد سریع‌تری نسبت به رایانه‌های کلاسیک از خود نشان می‌دهند.  

آنچه تاکنون در مورد رایانه های کوانتومی می‌دانیم این است که این کامپیوترها، با تعداد محدودی کیوبیت و زمان کوهرنس یا همدوسی بسیار کوتاه عمل می‌کنند. در پردازش کوانتومی، کیوبیت یا بیت کوانتومی معادل بیت در رایانه‌های کلاسیک است که به‌عنوان واحد پایه برای پردازش کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 

انتظار می‌رود که چنین محدودیت‌هایی باعث محدودشدن محاسبات در رایانه‌های کوانتومی شود. هرچند با وجود تمام محدودیت‌ها، رایانه‌های کوانتومی کاربردهایی دارند که برای آن حوزه‌ها می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. محققان بسیار علاقه‌مند هستند بدانند با هر سیستمی چه مجموعه کارهایی را می‌توان به‌انجام رساند. با توجه به زمان کوتاه کوهرنس یا همدوسی در رایانه‌های کوانتومی، به‌نظر می‌رسد که این سیستم‌ها برای انجام محاسبات مفید و موثر نخواهند بود. در نتیجه این‌طور می‌توان نتیجه گرفت که با توجه به محدودیت‌های موجود، امکان انجام تعداد محدودی عملیات روی رایانه‌های کوانتومی مقدور خواهد بود. به زبان و ادبیات کوانتومی، با توجه به عمق مدارهای کوانتومی، به‌نظر می‌رسد که کامپیوترهای کوانتومی در انجام برخی محاسبات، محدودیت‌هایی نسبت به کامپیوترهای کلاسیک با عمق مدار قابل افزایش داشته باشند.  

نشریه‌ی Science today، مقاله‌ای تحت عنوان «مزیت کامپیوترهای کوانتومی با مدارهای با عمق کم» توسط سرگئی براویی از محققان IBM، دیوید گاست از دانشگاه واترلو و موسسه محاسبات کوانتومی و روبرت کونیگ از موسسه تحقیقات پیشرفته‌ و همچنین زنتروم متمتیک و دانشگاه فنی مونیخ منتشر کرد. در این مقاله، محققان اثبات می‌کنند که برای حل یک مساله، یک کامپیوتر کوانتومی با عمق مدار ثابت می‌تواند عملکرد بهتری نسبت به یک کامپیوتر کلاسیک که عمق مدار آن افزایش می‌یابد و بیشتر می‌شود از خود نشان دهد. همان‌طور که گفته شد، عمق مدار کامپیوتر کوانتومی ثابت است.

این نکته را در نظر داشته باشید که کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای کلاسیک تفاوت‌های زیادی با یکدیگر دارند. باب ساتور معاون بخش استراتژی و اکوسیستم کوانتومی IBM معتقد است:

مدارهای کوانتومی به‌صورت اساسی یکسان نیستند و با مدارهای کلاسیک تفاوت‌هایی دارند. مدارهای کلاسیک، بر اساس بیت و اعداد باینری صفر و یک توابع منطقی AND ،OR ،NOT و مشابه آن محاسبات را انجام می‌دهند. در گیت‌های بسیار ساده، انواع عملیاتی که می‌توان با رایانه‌های کوانتومی انجام داد، بسیار متفاوت است و تنها دو بیت باینری درگیر محاسبات نمی‌شوند. وقتی کیوبیت‌ها محاسباتی را انجام می‌دهند، تنها دو بیت باینری در محاسبات وجود ندارند، بلکه فضاهای بیشتری درگیر محاسبات خواهد شد. 

از آنجایی که کیوبیت‌ها می‌توانند به‌غیر از محاسبه‌ی صفر و یک اعداد بیشتری را در محاسبات خود وارد کنند، در نتیجه برای انجام محاسبات کوانتومی، بر اساس قنون برهمی نهی در فیزیک، فضاهای بیشتری برای محاسبات مورد نیاز است و درگیر می‌شود. همین مساله منجر به قدرتمندشدن رایانه‌های کوانتومی نسبت به رایانه‌های کلاسیک خواهد شد و برای حل مسایل خاص که مورد توجه محققان است می‌تواند کاربرد داشته باشد. 

محققان به دنبال پاسخ دادن به این سوال بودند که که آیا مدارهای کوانتومی با عمق ثابت می‌توانند یک مسئله‌ی محاسباتی را همانند مدارهای کلاسیک با عمق ثابت حل کنند؟ این مسئله، Bernstein-Vazirani نام دارد که یک مثال شناخته‌شده در محاسبات کوانتومی است. در این مقاله‌ی کوتاه نمی‌توانیم به جزئیات این بررسی و تحقیق بپردازیم؛ اما محققان نشان می‌دهند که حتی یک کامپیوتر کوانتومی با عمق کم می‌تواند به‌راحتی از یک رایانه‌ی کلاسیک، در حل این مسئله پیشی بگیرد. برویی معتقد است: 

سعی کردیم متوجه شویم که چه نوع محاسباتی با یک مدار کوانتومی با عمق کم قابل انجام است. به‌دنبال مدل مناسبی برای یک نوع محاسبات بودیم که بتواند روی دستگاه‌های کوانتومی near-term قابل انجام باشد. بدین نتیجه رسیدیم که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برخی مسایل محاسباتی خاص را با کمک مدارهای کوانتومی با عمق ثابت حل کنند. در نتیجه، وقتی شما تعداد بیت‌های ورودی را افزایش می‌دهید، عمق الگوریتم کوانتومی که آن مساله محاسباتی را حل می‌کند، ثابت باقی می‌ماند.

شایان ذکر است که رایانه‌های کلاسیک با مدارهای با عمق ثابت نمی‌توانند چنین مسایل محاسباتی را حل کنند. البته سوتور یادآوری می‌کند که با توجه به این نتایج، نباید در مورد وضعیت فعلی محاسبات کوانتومی بیش از آنچه که در عمل رخ می‌دهد، دامن زد. وی معتقد است: 

سعی می‌کنیم در مورد عملکرد کامپیوترهای کوانتومی بسیار محتاط و صادقانه صحبت کنیم. در بررسی انجام‌شده در شرایط فعلی، کامپیوتر‌های کوانتومی در مقایسه با کامپیوتر‌های کلاسیک عملکرد بهتری از خود نشان دادند. چنین آزمایش‌ها و بررسی‌هایی عموما به‌دلایل خاصی دنبال می‌شوند و ممکن است در طول سه تا پنج سال آینده و حتی در دهه‌های آتی شاهد تغییرات بسیاری در نتایج به‌دست آمده از این تحقیقات باشیم.

آنچه مسلم است، بررسی الگوریتم‌های کوانتومی ارزشمند بوده و تحقیقات و مطالعات در این حوزه همچنان ادامه دارد. سوتور معتقد است که هنوز سوالات مهمی در مورد کامپیوترهای کوانتومی و نحوه‌ی عملکرد آن‌ها بی‌پاسخ مانده است. تحقیقات در زمینه‌ی کامپیوترهای کوانتومی ادامه دارد و باید منتظر نتایج بعدی که پژوهشگران این حوزه به آن دست پیدا خواهند کرد، باشیم. سوتور معتقد است ممکن است این نتایج در تحقیقات بعدی تغییراتی داشته باشد.