دانشمندان دانشگاه هاروارد با بهره گیری از یک کامپیوتر کوانتوم هفت کیبیت که کمپانی IBM آن را طراحی کرده است، توانستند یک مولکول ساده را شبیه سازی کنند. این مولکول برلیوم هیدرید نام دارد که  توانسته جایگاه بزرگترین محاسبات کوانتوم شبیه سازی در دنیا را از ان خود کند. بر اساس گفته های دانشمندان با استفاده از این تکنولوژی های جدید که یکی از آن ها  کامپیوترهای کوانتومی است به طراحی و ایجاد انواع مختلف مواد بپردازند و دقیقا همان خواص را که دارند خلق کنند. که این خاصیت می تواند سبب تولید بسیاری از مواد شود که کمتر از معجزه نیستند از جمله این موارد می توان به سلول های خورشیدی کارآمدتر، کاتالیزورهای بهتر برای تولید سوخت های پاک و همچنین پروتئین هایی که می توانند از داروها تاثیرگذار تر باشند اشاره کرد.

دلیل اهمیت محاسبات کوانتومی

در تئوری که با استفاده از محاسبات فیزیک کوانتوم انجام می شود می توان به تجزیه ی اعداد صحیح پرداخت. محاسبات کوانتومی برای سیستم های رمزنگاری شده که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند پیامدهای جدی دارد. الگوریتم شور (algorithm Shors) الگوریتمی است که در جهت توجیه فنی تجزیه ی اعداد اول از آن استفاده می شود، حال آنکه 21 بزرگترین عددی بوده است که تاکنون محققان توانسته اند با کامپیوترهای کوانتومی و الگوریتم شور تجزیه کنند.

بر اساس آماری که در ژانویه 2014 از آژانس امنیت ملی به دست آمد این آژانس 79.7 میلیون دلار برای توسعه ی تکنولوژی های جدید هزینه کرد. برنامه ی فوق را رسیدن به اهداف سخت نام گذاری کردند، یکی از این اهداف ساخت کامپیوتر کوانتومی است که از قابلیت رمزنگاری برخوردار باشد. در حال حاضر امری که برای محققان شرکت های مختلف در اولویت است سرمایه گذاری بر روی تکنولوژی های جدید مثل تحقیقات در زمینه محاسبات فیزیک کوانتوم می باشد.اینتل یکی از این شرکت های سرمایه گذار است که به دانشگاه صنعتی دلفت و سازمان تحقیقات کاربردی هلند مبلغی حدود 50 میلیون دلار پرداخت کرده است، علاوه بر آن از لحاظ پشتیبانی مهندسی مقدمات لازم را فراهم کرده است. به غیر از شرکت مذکور کمپانی هایی نظیر آی بی ام، گوگل و مایکروسافت هم در این زمینه تلاش هایی دارند. یکی از مهم ترین گام های تصحیح خطا از در محاسبات فیزیک کوانتوم از جانب شرکت آی بی آم در آوریل 2015 ارائه شده که در حقیقت برای تشخیص همزمان خطاهای بیتی و فازی مورد استفاده قرار گرفت.

زمان بهره برداری از کامپیوترهای کوانتومی

به این سوال می توان دو پاسخ متفاوت داد، یکی حال و دیگری آینده های دور است. دی ویو سیستمز D_Wave Systems که یک شرکت کانادایی تبار است توانسته هم اکنون به عرضه ی نوعی از کامپیوتر های کوانتوم که دی ویو 2 ایکس نام دارد بپردازد. اما این نوع از کامپیوتر های کوانتومی مختص به بهینه سازی دودویی نامحدود درجه دوم ساخته شده اند که در حقیقت از آن ها به منظور تجزیه ی اعداد صحیح نامناسب استفاده می شود.

ممکن است برخی ها با خود فکر کنند که چون کامپیوترهای کوانتوم در دسته ی تکنولوژی های جدید قرار دارد، در نهایت از سرعت بیشتری نیز برخوردار است، اما واقعیت امر چنین نیست، یعنی کامپیوترهای کوانتومی سرعتی بیشتر از کامپیوتر های معمولی ندارند. در حال حاضر قیمتی که روی کامپیوتر دی ویو 2 گذاشته شده است چیزی در حدود 15 میلیون دلار می باشد، دو کمپانی آی بی ام و دی سیستم رقیبان سرسخت یکدیگر هستند. پیشنهاد می شود اگر کارهای سبک تری قرار است با این کامپیوتر ها انجام شود از مدل پاور 8 استفاده کنید که به مراتب قیمت پایین تری دارد.

تعریفی کلی از کامپیوترهای کوانتومی

با توسعه تکنولوژی های جدید کامپیوترهای کوانتوم روی کار آمدند، سیستم آن ها به نحوی است که برای انجام محاسباتش از قوانین و پدیده های مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی و درهم تنیدگی بهره می برد. این دسته از کامپیوترها با سیستم های معمولی ترانزیستوری تفاوت های چشم گیری دارند. اما هدف از خلق کامپیوترهای کوانتوم چه بوده است؟ در اصل این سیستم ها با این ایده طراحی شده اند که با استفاده از قوانین فیزیک کوانتوم بتوان روی ذخیره سازی و انجام عملیات روی داده ها مانور داد. ماشین تورینگ کوانتومی یک مدل تئوریک و انتزاعی از این نوع است که به کامپیوتر کوانتومی جهانی نیز شناخته می شود. درست است که محاسبات کوانتومی هنوز در ابتدای راه است، اما تا به حال بر روی مقدار کمی از بیت کوین ها محاسبات کوانتومی به اجرا درآمده است. تحقیقات در این زمینه هم از لحاظ نظری و هم از لحاظ عملی ادامه دارد. موسسات دولتی و نظامی این طرح را مورد حمایت قرار دادند زیرا از این کامپیوترهای کوانتومی می توان هم برای اهداف غیر نظامی و هم برای اهداف امنیتی مانند تجزیه و تحلیل رمز استفاده کرد. چنانچه کامپیوترهای کوانتومی همین روند پیشرفت را داشته باشند به طوری که در مقیاس بزرگ تولید شوند می توان برای برخی از مسائل خاص با سرعت دوچندانی پیش رفت(مثلا الگوریتم شور algorithm Shors).

مدل سازی مولکول کافئین با کامپیوترهای کوانتومی

دانشمندان پیش از اینکه تکنولوژی های جدید سبب خلق کامپیوترهای کوانتومی شود نیز موفق شده اند با همین کامپیوترهای معمولی به شبیه سازی این مولکول ها بپردازند، اما عمده تفاوت میان این دو دسته کامپیوتر در سرعت آن هاست به طوری که کامپیوترهای کوانتومی سرعتی غیرقابل مقایسه در برابر مدل قدیمی دارند. طبق گفته های رابرت سوتور که معاون بخش شناختی بلاک چین و همچنین راهکارهای کوانتومی شرکت آی بی ام است، برای نشان دادن رفتار مولکول های کافئین به طور کامل از جمله آن ها قوانین مکانیکی کوانتومی ذرات است که فقط 160 کوبیت برای آن مورد نیاز است این در حالی است که همین کار اگر با امپیوتر های معمولی انجام شود به ده به توان 48 کوبیت نیاز خواهد بود.

کوانتیزه بودن مشخصه‌ها

در سال ۱۹۰۰، فیزیکدانی آلمانی به نام ماکس پلانک به دنبال توضیح رابطه بین رنگ نور تابش شده از اجسام داغ و دمای آن‌ها بود. او با توجه به رنگ نور‌های تابش‌شده، تلاش کرد تا این رابطه بین طیف نور و دمای جسم را فرمول‌بندی کند. پلانک نهایتا به این نتیجه رسید که ترکیبی از رنگ‌های خاص تابیده می‌شوند. در حقیقت او دریافت که نور به صورت ضریبی ثابت از مقداری ثابت تابش می‌شود. این گفته معادل با آن است که بگوییم نور به صورت ضریبی از رنگ‌های ثابت منتشر می‌شود! این گفته مغایر با فرض موجی بودن نور است؛ چرا که نور به صورت موجی بوده و باید طیفی پیوسته از رنگ‌ها را از خود ساطع کند. چه چیزی مانع اتم‌ها برای تابش پیوسته رنگ‌ها می‌شود؟ این امر بسیار عجیب به نظر می‌رسد و خود پلانک فرض کوانتیزه بودن را تنها حقه‌‌ای ریاضیاتی می‌داند. معادله‌ای که پلانک به منظور توصیف رفتار تابشی جسم داغ ارائه داد، حاوی عددی است که بعد‌ها در علم فیزیک بسیار موثر بود. این عدد تحت عنوان ثابت پلانک شناخته می‌شود.

فرض کوانتیزه بودن نور راهی را باز کرد که دانشمندان با استفاده از آن توانستند دیگر رازهای فیزیک را نیز کشف کنند. در سال ۱۹۰۷ انیشتین و پلانک فرضیاتی را در نظر گرفتند و با استفاده از آن‌ها توانستند علت افزایش متفاوت دمای اجسام مختلف به ازای وارد کردن مقدار حرارتی یکسان به آن‌‌ها را توضیح دهند. از ابتدای دهه ۱۸۰۰، علم طیف‌سنجی نشان داده بود که عناصر مختلف، طیف‌های خاصی از نور را جذب یا دفع می‌کنند. از این رو طیف‌سنجی، روشی قابل استناد به منظور تعیین جنس اجرامی هم‌چون ستارگان محسوب می‌شد که در فاصله‌ای بسیار دور از زمین قرار دارند. دانشمندان همواره این سوال را در ذهن داشتند که عناصر مختلف، طیف‌های خاصی از نور را نشر یا جذب می‌کنند. در سال ۱۸۸۸، «یوهانس ریدبرگ» (Johannes Rydberg)، دانشمند سوئدی، معادله‌ای را بدست آورد که با استفاده از آن امکان توجیه خطوط طیفی اتم هیدروژن وجود داشت؛ با این حال هیچکس نمی‌دانست که چرا این معادله کار می‌کند.

ذرات نور

در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین مقاله‌ای را با عنوان «نقطه نظری ذهنی در مورد تولید و تغییر شکل نور» (Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light) منتشر کرد او فرض کرد نور به صورت موجی نیست و به صورت‌ بسته‌هایی از انرژی منتشر می‌شود. انیشتین فرض کرد که میزان انتشار بسته‌های انرژی وابسته به مود ارتعاشی اتم‌ها است. این جمله معادل نگاهی است که نیلز بور چند سال بعد در مورد پرش یا سقوط الکترون‌ها بیان کرد. اگر بسته‌های انرژی بیان شده توسط انیشتین را به ثابت پلانک تقسیم کنیم، نوع رنگ نور بدست خواهد آمد.

این نوع نگاه به انرژی نور، انیشتین را به سمتی هدایت کرد که ۹ پدیده مختلف را توضیح دهد. یکی از این پدیده‌ها، رنگ‌هایی بودند که از سیم داغ منتشر می‌شد. این رنگ‌ها توسط پلانک گزارش داده شده بودند. او همچنین رابطه میان نور‌های رنگ مختلف و میزان الکترون جدا شده از سطح فلزات را در بستری تحت عنوان اثر فوتوالکتریک توضیح داد. جالب است بدانید که انیشتین جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ به دلیل توضیح این اثر و نه به دلیل ارائه نسبیت عام بدست آورد. دو دهه پس از انتشار مقاله انیشتین، فوتون واژه‌ای بود که فیزیکدانان به منظور توصیف بسته‌های انرژی از آن استفاده می‌کردند. این نامگذاری، نتیجه کار‌های «آرتور کامپتون» (Arthur Compton) در سال ۱۹۲۳ بود. او نشان داد که نور پراکنده شده، در نتیجه تابش پرتویی الکترونی به آن، رنگی می‌شود. در حقیقت این کار نشان می‌دهد که ذرات نور (فوتون) به ذرات ماده (الکترون) برخورد می‌کنند که تایید‌کننده نظر انیشتین است. پس از کار کامپون واضح بود که نور هم رفتاری موجی و هم رفتاری ذره‌ای دارد. از این رو دوگانگی موجی-ذره‌ای نور نیز یکی دیگر از ستون‌های مکانیک کوانتومی بود که با این فرض ایجاد شد.

امواج ماده

از زمان کشف الکترون در سال ۱۸۹۶، شواهد مبتنی بر ساخت مواد بر اساس ذرات بنیادی‌تر، به آرامی در حال شکل‌گیری بود. حتی امروزه نیز با کشف دوگانگی موجی-ذره‌ای، این سوال برای دانشمندان وجود دارد که آیا ماده تنها به صورتی ذره‌ای رفتار می‌کند؟ حال تصور کنید که فرض دوگانگی برای ماده جامد نیز درست باشد. اولین دانشمندی که در مورد پاسخ به این سوال پیشرفت قابل توجهی داشت، «لویی دو بروی» (Louis de Broglie) بود. در سال ۱۹۲۴، این دانشمند از معادله ارائه شده در نسبیت خاص انیشتین به نحوی استفاده کرد که می‌شد با آن هم ذره‌ای بودن و هم موجی بودن ماده را نشان داد. در سال ۱۹۲۵ دو دانشمند به طور جداگانه تلاش می‌کردند تا با استفاده از توضیح دو بروی، نحوه حرکت الکترون‌ها اطراف اتم را توصیف کنند. در آلمان، ورنر هایزنبرگ با استفاده از توسعه مفهومی تحت عنوان مکانیک ماتریسی شروع به توصیف نحوه حرکت الکترون کرد.

فیزیکدان اتریشی، اروین شرودینگر نیز در اتریش با ایجاد بستری تحت عنوان مکانیک موجی به بررسی حرکت الکترون‌ها پرداخت. شرودینگر در سال ۱۹۲۶ نشان داد که روش خلق شده توسط او معادل با روش مکانیک ماتریسی است. توصیف هایزنبرگ-شرودینگر از اتم، که بیان می‌کرد الکترون‌ها همچون امواج در اطراف هسته حرکت می‌کنند، جایگزین مدل‌های اتمی بور و رادرفورد شد. یکی از الزامات مدل جدید ارائه شده این بود که دو سمت امواجی که تشکیل‌دهنده الکترون است، باید به یکدیگر برسد. در این حالت تنها مقادیری صحیح را می‌توان برای قله‌ها و دره‌های امواج مذکور در نظر گرفت. در توصیف هایزنبرگ-شرودینگر از اتم، الکترون‌ها از تابع موج پیروی می‌کنند و به جای مدار، اوربیتال‌ها را اشغال می‌کنند. بر خلاف مدار‌های دایره‌ای مدل بور، اوربیتال‌های اتمی دارای شکل‌های مختلفی از جمله کره‌ای، دمبلی و دیگر اشکال پیچیده هستند.

در سال ۱۹۲۷، «والتر هیتلر» (Walter Heitler) و «فریتز لاندن» (Fritz London) مکانیک کوانتوم را با این هدف توسعه دادند که نحوه پیوند بین اوربیتال‌های اتم‌ها را توضیح دهند. پیوند بین اوربیتال‌های اتمی منجر به تولید مولکول‌ها می‌شود. این توضیح نیز بدون استفاده از مکانیک موجی امکان‌پذیر نبود. توضیح نحوه ایجاد پیوندهای مولکولی، شاخه‌ای تحت عنوان شیمی کوانتومی را بوجود آورد.