اصول گزيده اي از کامپيوترهاي کوانتومي                     
1/25/2014--متفرقه
 
 

 

فيزيك كوانتومي مهم ترين دستاورد علم بشري در توصيف طبيعت است. اين نظريه كه در سالهاي 27-1925 توسط «ورنر هايزنبرگ»، «اروين شرودينگر»، «پل ديراك»، «ماكس پلانك» و چند تن ديگر پايه گذاري شد، اساس تمام ادراك امروزي ما از عالم است. به بيان دقيق تر، مكانيك كوانتومي مجموعه اي از قوانين، روابط رياضي و مفاهيم فلسفي است كه توصيف كننده رفتار ذرات بنيادين تشكيل دهنده عالم است. البته با تعميم همين قوانين و روابط، مي توان رفتار تمام سيستم هاي فيزيكي اي كه پيش از آن بررسي شده بودند را نيز بررسي و تعيين كرد.

 

 

 

 

 

اصول گزيده اي از کامپيوترهاي کوانتومي

 

 

         روياي محاسبات ماشيني يا ماشيني كه بتواند مسائل را در اشكال گوناگون حل كند كمتر از دو قرن است كه زندگي بشر را به طور جدي در بر گرفته است. اگر از ابزارهايي نظير چرتكه و برخي تلاشهاي پراكنده ديگر در اين زمينه بگذريم، شايد بهترين شروع را بتوان به تلاشهاي «چارلز بابيج» و « بلز پاسكال» با ماشين محاسبه مكانيكي شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتداي قرن بيستم تلاشهاي زيادي جهت بهبود ماشين محاسب مكانيكي صورت گرفت كه همه آنها بر پايه رياضيات دهدهي (decimal) بود، يعني اين ماشين ها محاسبات را همان طور كه ما روي كاغذ انجام مي دهيم انجام مي دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشيني در ابتداي قرن بيستم شروع شد. اين زماني است كه الگوريتم و مفهوم فرايندهاي الگوريتمي (algorithmic processes) به سرعت در رياضيات و بتدريج ساير علوم رشد كرد. رياضيدانان شروع به معرفي سيستم هاي جديدي براي پياده سازي الگوريتمي كلي كردند كه در نتيجه آن، سيستم هاي انتزاعي محاسباتي بوجود آمدند. در اين ميان سهم برخي بيشتر از سايرين بود.

         آنچه امروزه آنرا دانش كامپيوتر و يا الكترونيك ديجيتال مي ناميم مرهون و مديون كار رياضيدان برجسته انگليسي و يكي از غولهاي انديشه قرن بيستم به نام «آلن تورينگ» (Alan Turing) است. وي مدلي رياضي را ابداع كرد كه آنرا ماشين تورينگ مي ناميم و اساس تكنولوژي ديجيتال در تمام سطوح آن است. وي با پيشنهاد استفاده از سيستم دودويي براي محاسبات به جاي سيستم عدد نويسي دهدهي كه تا آن زمان در ماشين هاي مكانيكي مرسوم بود، انقلابي عظيم را در اين زمينه بوجود آورد. پس از نظريه طلايي تورينگ، ديري نپاييد كه «جان فون نويمان» يكي ديگر از نظريه پردازان بزرگ قرن بيستم موفق شد ماشين محاسبه گري را بر پايه طرح تورينگ و با استفاده از قطعات و مدارات الكترونيكي ابتدايي بسازد. به اين ترتيب دانش كامپيوتر بتدريج از رياضيات جدا شد و امروزه خود زمينه اي مستقل و در تعامل با ساير علوم به شمار مي رود. گيتهاي پيشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخيره و بازيابي بسيار حجيم و كوچك، افزايش تعداد عمل در واحد زمان و غيره از مهم ترين اين پيشرفتها در بخش سخت افزاري محسوب مي شوند. در 1965 «گوردون مور» اظهار كرد كه توان كامپيوترها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام الين سالها، تلاش عمده در جهت افزايش قدرت و سرعت عملياتي در كنار كوچك سازي زير ساختها و اجزاي بنيادي بوده است. نظريه مور در دهه هاي 60 و 70 ميلادي تقريبا درست بود. اما از ابتداي دهه 80 ميلادي و با سرعت گرفتن اين پيشرفتها، شبهات و پرسش هايي در محافل علمي مطرح شد كه اين كوچك سازي ها تا كجا مي توانند ادامه پيدا كنند؟ كوچك كردن ترازيستورها و مجتمع كردن آنها در فضاي كمتر نمي تواند تا ابد ادامه داشته باشد زيرا در حدود ابعاد نانو متري اثرات كوانتومي از قبيل تونل زني الكتروني بروز مي كنند. گرچه هميشه تكنولوژي چندين گام بزرگ از نظريه عقب است، بسياري از دانشمندان در زمينه هاي مختلف به فكر رفع اين مشكل تا زمان رشد فن آوري به حد مورد نظر افتادند. به اين ترتيب بود كه براي نخستين بار در سال 1982 «ريچارد فاينمن» معلم بزرگ فيزيك و برنده جايزه نوبل، پيشنهاد كرد كه بايد محاسبات را از دنياي ديجيتال وارد دنياي جديدي به نام كوانتوم كرد كه بسيار متفاوت از قبلي است و نه تنها مشكلات گذشته و محدوديت هاي موجود را بر طرف مي سازد، بلكه افق هاي جديدي را نيز به اين مجموعه اضافه مي كند. اين پيشنهاد تا اوايل دهه 90 ميلادي مورد توجه جدي قرار نگرفت تا بالاخره در 1994 «پيتر شور» از آزمايشگاه AT&T در آمريكا نخستين گام را براي محقق كردن اين آرزو برداشت. به اين ترتيب ارتباط نويني بين نظريه اطلاعات و مكانيك كوانتومي شروع به شكل گيري كرد كه امروز آنرا محاسبات كوانتومي يا محاسبات نانو متري (nano computing) مي ناميم. در واقع هدف محاسبات كوانتومي يافتن روشهايي براي طراحي مجدد ادوات شناخته شده محاسبات ( مانند گيت ها و ترانزيستورها ) به گونه ايست كه بتوانند تحت اثرات كوانتومي، كه در محدوده ابعاد نانو متري و كوچكتر بروز مي كنند، كار كنند. به نمودار صفحه بعد دقت كنيد.

         در اين شكل به طور شماتيك و در سمت چپ يك مدار نيم جمع كننده را مشاهده مي كنيد كه معادل كوانتومي و نانو متري آن در سمت راست پيشنهاد شده است. نوع اتم هاي به كار رفته، نحوه چينش اتم ها، چگونگي ايجاد سلول نمايش يافته ( معماري سلولي ) و چند ويژگي ديگر خصوصيات معادل با گيت هاي به كار رفته در نمونه ديجيتال هستند. يك راه نظري براي پياده سازي سلول در اين طرح، استفاده از «نقاط كوانتومي» (quantum dots) يا چيزي است كه در زبان مكانيك كوانتومي آنرا «اتم مصنوعي » مي ناميم.

 

         ورود به دنياي محاسبات كوانتومي نيازمند دو پيش زمينه مهم است. نخست بايد اصول اساسي و برخي تعابير مهم فلسفي مكانيك كوانتومي را به طور دقيق بررسي كرد. سپس مفهوم اطلاعات در فيزيك نيز، چه به صورت كلاسيك و چه در معناي جديد كوانتومي آن بايد درك شود.

 

Quantum Mechanics

        

         فيزيك كوانتومي مهم ترين دستاورد علم بشري در توصيف طبيعت است. اين نظريه كه در سالهاي 27-1925 توسط «ورنر هايزنبرگ»، «اروين شرودينگر»، «پل ديراك»، «ماكس پلانك» و چند تن ديگر پايه گذاري شد، اساس تمام ادراك امروزي م

 
<<مقاله قبلی   مقاله بعدی>>
«هندسه فرکتالها» جهاني در جهان نانو...   ونوس، جواهری در آسمان...