کامپیوترهای کوانتومی چند سالی است که تبدیل به روزآمدترین پیشرفت تکنولوژی بشر در زمینه‌ی کامپیوتر و پردازش‌گرها شده اند و ممکن است این سوال پیش آید که آیا در آینده‌ای نزدیک یا دور قرار است جایگزین کامپیوترهای امروزی شوند؟ اصلاً تفاوت آن‌ها با کامپیوترهایی که امروزه می‌شناسیم در چیست؟ آیا درست است که که بگوییم کامپیوتر کوانتومی چون پیشرفته‌تر، پیچیده‌تر و جدیدتر است پس قطعاً از کامپیوترهای کلاسیک و معمولی بهتر، کارآمدتر و همواره سریع‌تر اند؟

در این نوشته با معرفی خلاصه‌ی پردازش و کامپیوترهای کوانتومی، کاربردهای آن و تفاوت‌های پردازش کوانتومی و غیرکوانتومی را بررسی کرده و سعی می‌کنیم مشخص کنیم آیا چیرگی کامپیوترهای کوانتومی در آینده، افسانه است یا ممکن است به واقعیت بپیوندد؟

کامپیوتر کوانتومی چیست؟

          کامپیوتر کوانتومی صرفاً یک کامپیوتر نسل جدید نیست؛ یعنی صرفاً از لحاظ توان پردازشی (مشخصات CPU) و حافظه قوی‌تر و بهتر از کامپیوترهای دیگر نیست. کامپیوتر کوانتومی نوع متفاوتی از ماشین است که به لحاظ مفهومی و با منطق متمایزی از منطق دودویی و صفر و یکی کامپیوترهای معمول کار می‌کند. به عبارت دیگر، پردازش کوانتومی با استفاده از سخت‌افزارهای مخصوص و گران‌قیمتی که بر اساس اصول مکانیک کوانتوم کار می‌کنند، در حل مسائل پیچیده‌ای به کار می‌روند که کامپیوترهای سنتی و حتی سوپرکامپیوترها قادر به حل آن‌ها نیستند و یا سرعت موردنظر برای حل آن‌ها را ندارند.

          دهه‌هاست که پردازش دودویی و کامپیوترهای دودویی به عنوان کامپوتر معمول، نرمال و وسیله‌ای که انسان به‌صورت روزمره با آن در تعامل است، شناخته می‌شود. اما در سال‌های اخیر، پردازش کوانتومی نیز روزانه در حال پیشرفت و گسترش بوده و هست. با اینکه پردازش کوانتومی هم‌چنان در مراحل اولیه و ابتدای راه به سر می‌برد، اما در همین وضعیت کنونی هم پتانسیل‌ها و کاربردهای بسیاری در زمینه‌های هوش مصنوعی، یادگیری ماشین، امنیت سایبری، مدل‌سازی و... دارد. با این حال نباید دلخوش به این بود که به‌زودی قرار است تمام پردازش‌گرها با پردازش‌گرهای کوانتومی جایگزین شوند. همان‌طور که در ادامه و در بررسی تمایزات دو نوع کامپیوتر خواهیم خواند، مثلاً شرایط نگهداری و دمای محیط موردنیاز برای عملکرد مطلوب سخت‌افزار کوانتومی کنونی به‌گونه‌ای است که این رویا را فعلاً ناممکن و فقط در حد رویا نگه می‌دارد.

تفاوت‌های پردازش کوانتومی و پردازش دودویی

  • کامپیوترهای کوانتومی به‌کلی شیوه متفاوتی برای پردازش اطلاعات و داده‌ها را به کار می‌برند. بر خلاف کامپیوترهای امروزی که بر اساس صفر و یک کار کرده و برای پیاده‌سازی این صفر و یک‌ها، از ترانزیستور بهره می‌برند، در کامپیوترهای کوانتومی به جای بیت با کیوبیت (Qubit) سر و کار داریم؛ این کیوبیت‌ها بر خلاف ترانزیستور که خاموش یا روشن بودن را مبنای صفر یا یک بودن قرار می‌دهند، ممکن است در آن واحد هم یک و هم صفر باشند! برهم‌نهی و درهم‌تندیگی این کیوبیت‌ها، فضاهای محاسباتی چندبعدی و پیچیده‌ای در اختیار محاسبه‌گر قرار می‌دهند که در کامپیوترهای دودویی امکان‌پذیر نیست.
  • توان محاسباتی کامپیوترهای کوانتومی متناسب با تعداد کیوبیت‌ها به‌صورت نمایی رشد می‌کند؛ برخلاف پردازش دودویی که میزان رشد آن به‌صورت خطی متناسب با تعداد ترانزیستورهاست. یعنی اگر به عنوان مثال فرضی، توان محاسباتی 1 ترانزیستور را 1 در نظر بگیریم، توان محاسباتی 10 ترانزیستور 10 خواهد بود. اما در پردازش کوانتومی، اگر 1 کیوبیت توان 1 بدهد، 10 کیوبیت ممکن است توان 100 به دست دهند! این افزایش بازدهی و توان محاسباتی قابل توجهی است.
  • به دلیل منطق احتمال‌محور و غیرقطعی کامپیوترهای کوانتومی، احتمال خطای محاسباتی در آن‌ها نسبت به کامپیوترهای معمولی بسیار بیشتر است. 
  • برخلاف کامپیوترهای معمول که در دمای اتاق به‌خوبی و بدون مشکل کار می‌کنند، کامپیوترهای کوانتومی در دماهای بسیار پایین (حتی تا منفی صد درجه) است که باید نگهداری شوند.
  • کامپیوترهای کوانتومی عموماً برای فعالیت‌هایی مثل مسائل بهینه‌سازی، پردازش داده‌های وسیع و مدل‌سازی‌های پیچیده کاربرد بهینه دارند و با شرایط کنونی، استفاده از آن‌ها برای پردازش‌های معمول و روزمره نابهینه و حتی ناممکن است.