عنوان :

مقاله کامپیوتر های کوانتمی

تعداد صفحات : ۷۰

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

در این مقاله ابتدا به بررسی برخی مفاهیم تئوری درباره کامپیوتر های کوانتمی می پردازیم و سپس در رابطه با ساخت عملی آن بحث خواهیم کرد.

      فیزیک کوانتومی مهم ترین دستاورد علم بشری در توصیف طبیعت است. به بیان دقیق تر، مکانیک کوانتومی مجموعه ای از قوانین، روابط ریاضی و مفاهیم فلسفی است که توصیف کننده رفتار ذرات بنیادین تشکیل دهنده عالم است.

 امروزه دانشمندان کامپیوترهای کوانتمی اولیه را ساخته‌اند که می‌تواند محاسبات شخص را انجام دهد. اما برای کامپیوتر های کوانتومی عملی هنوز راه طولانی در پیش است. ماشین‌های امروزی تنها به محاسبه بیت‌هایی که در یکی از دو حالت صفر و یک هستند می‌پردازد در حالی که کامپیوترهای کوانتومی تنها به دو حالت محدود نیستند. اطلاعات به صورت بیت‌های کوانتومی (qubits) را نگه می‌شوند. می‌تواند صفر یا یک یا بر هم نهی صفر و یک یا چیزی میان این دو باشد.

       Qubit  ها نمایانگر اتم‌هایی هستند که در کنار هم به صورت حافظه کامپیوتر و پروسسور آن عمل می‌کنند. از آنجا که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه این حالات چند گانه را به صورت هم زمان در کنار هم داشته باشد توانایی آن را دارد که ملیون‌ها بار از قوی ترین ابرکامپیوترهای امروزی قوی تر باشند.

      بر هم نهی qubit به کامپیوترهای کوانتومی این توان را می‌دهد که یک خاصیت پردازش موازی ذاتی داشته باشد. در این موازی گرایی به کامپیوتر کوانتومی اجازه می‌دهد که در هر لحظه تا یک میلیون عملیات انجام دهد و در حالی که کامپیوتر معمولی هر لحظه تنها یک عملیات انجام می‌دهد. یک کامپیوتر کوانتومی ۳۰ کیلوبیتی ، توان پردازش برابر با توان پردازش ۱۰ ترافلاپ (teraflop) : (trillion of floating –paints operations persec) را دارد. کامپیوترهای خانگی امروزی با سرعتی که در واحد gigaflops سنجیده می‌شوند کار می‌کنند.

      کامپیوترهای کوانتمی از ویژگی دیگر مکانیک کوانتومی به نام گره خوردگی (Entanglement) استفاده می‌کنند. مشکلی که در ایده اصلی کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد این است که اگر بخواهیم ذرات ریز اتمی را مطالعه کنیم میتوانیم به آن‌ها ضربه بزنیم و مقادیر آن‌ها را تغییر دهیم. اما در فیزیک کوانتومی اگر یک نیروی خارجی به دو اتم وارد کنیم ممکن است باعث شویم تا آن‌ها در هم گیر کنند و اتم دوم خواص اتم اول را بگیرد. در صورتی که این اتم‌ها به همین صورت باقی بمانند یکی از اتم‌ها می‌تواند در هر جهتی بچرخد. اما در همان لحظه‌ای که اتم اول می‌خواهد جهتش (یا ارزشش) را انتخاب کند، اتم گره خورده دوم جهت مخالف را انتخاب می‌کند و یعنی مقدار و ارزش مخالف را انتخاب می‌کند. این خاصیت به دانشمندان اجازه می‌دهد ارزش qubit ها را (بدون این که واقعا به ساختار آن نگاه کنند) دریابند. که می‌توانند به کمک آن را در حالات صفر یا یک قرار دهند.

واژه های کلیدی: مکانیک کوانتومی  ، کامپیوترهای کوانتومی، یون های منجمد شده، بیت‌های کوانتومی

فهرست مطالب

چکیده     ۱
مقدمه     ۴
مکانیک کوانتومی     ۱۹
اصول کامپیوتر های کوانتمی     ۲۱
اطلاعات کوانتومی    ۲۱
الگوریتم ها و تصحیح خطا    ۲۲
تشدید مغناطیسی هسته  ۲۶
یون های منجمد شده  ۳۰
روش های دیگر  ۳۲
نانو ترانزیستورهای کوانتومی۳۵
کامپیوتر کوانتمی اسپین هسته با پایه سیلیسیم  ۳۸
محاسبه کوانتمی با آرایه‌ای از P31 در سیلیسیم   ۴۰
سنجش اسپین   ۴۶
آماده کردن کامپیوتر   ۴۷
ناهمدوسی اسپینی حاصل از دریچه‌ها   ۴۸
ساختن کامپیوتر  ۵۰
سیر تحول تاریخی کامپیوترهای کوانتمی   ۵۲
نقطه‌های کوانتومی: دستیابی به نسل جدیدی از کامپیوترهای کوانتومی۵۶
نتیجه گیری   ۶۱
منابع و ماخذ   ۶۴

منابع و ماخذ :

[۱] : “ A silicon based nuclear spin quantum computer “ , By B E Kane , Nature 393 , May 1998 , Pages 133-137

[۲] : “Quantum Computing “ , By K V Klitzing  , Rep Prog Phys , March 1998 , Pages 117 – ۱۲۸

[۳]: “ The Topsy turvy world of quantum computing “ , By Justin Mullins , IEEE Spectrum , February 2001 , Pages 42 – ۴۹

[۴] : “کامپیوتر های کوانتمی  “ , محمد رضا کلاهچی ,    مجله فیزیک, سال ۱۶ شماره ۳ , صفحات ۱۲۹ – ۱۳۵

مقدمه

فیزیک کوانتومی مهم ترین دستاورد علم بشری در توصیف طبیعت است. این نظریه که در سالهای ۲۷-۱۹۲۵ توسط «ورنر هایزنبرگ»، «اروین شرودینگر»، «پل دیراک»، «ماکس پلانک» و چند تن دیگر پایه گذاری شد، اساس تمام ادراک امروزی ما از عالم است. به بیان دقیق تر، مکانیک کوانتومی مجموعه ای از قوانین، روابط ریاضی و مفاهیم فلسفی است که توصیف کننده رفتار ذرات بنیادین تشکیل دهنده عالم است. البته با تعمیم همین قوانین و روابط، می توان رفتار تمام سیستم های فیزیکی ای که پیش از آن بررسی شده بودند را نیز بررسی و تعیین کرد.

اصول گزیده ای از کامپیوترهای کوانتومی

 رویای محاسبات ماشینی یا ماشینی که بتواند مسائل را در اشکال گوناگون حل کند کمتر از دو قرن است که زندگی بشر را به طور جدی در بر گرفته است. اگر از ابزارهایی نظیر چرتکه و برخی تلاشهای پراکنده دیگر در این زمینه بگذریم، شاید بهترین شروع را بتوان به تلاشهای «چارلز بابیج» و « بلز پاسکال» با ماشین محاسبه مکانیکی شان نسبت داد. با گذشت زمان و تا ابتدای قرن بیستم تلاشهای زیادی جهت بهبود ماشین محاسب مکانیکی صورت گرفت که همه آنها بر پایه ریاضیات دهدهی (decimal) بود، یعنی این ماشین ها محاسبات را همان طور که ما روی کاغذ انجام می دهیم انجام می دادند. اما تحول بزرگ در محاسبات ماشینی در ابتدای قرن بیستم شروع شد. این زمانی است که الگوریتم و مفهوم فرایندهای الگوریتمی (algorithmic processes) به سرعت در ریاضیات و بتدریج سایر علوم رشد کرد. ریاضیدانان شروع به معرفی سیستم های جدیدی برای پیاده سازی الگوریتمی کلی کردند که در نتیجه آن، سیستم های انتزاعی محاسباتی بوجود آمدند. در این میان سهم برخی بیشتر از سایرین بود.

   آنچه امروزه آنرا دانش کامپیوتر و یا الکترونیک دیجیتال می نامیم مرهون و مدیون کار ریاضیدان برجسته انگلیسی و یکی از غولهای اندیشه قرن بیستم به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) است. وی مدلی ریاضی را ابداع کرد که آنرا ماشین تورینگ می نامیم و اساس تکنولوژی دیجیتال در تمام سطوح آن است. وی با پیشنهاد استفاده از سیستم دودویی برای محاسبات به جای سیستم عدد نویسی دهدهی که تا آن زمان در ماشین های مکانیکی مرسوم بود، انقلابی عظیم را در این زمینه بوجود آورد. پس از نظریه طلایی تورینگ، دیری نپایید که «جان فون نویمان» یکی دیگر از نظریه پردازان بزرگ قرن بیستم موفق شد ماشین محاسبه گری را بر پایه طرح تورینگ و با استفاده از قطعات و مدارات الکترونیکی ابتدایی بسازد. به این ترتیب دانش کامپیوتر بتدریج از ریاضیات جدا شد و امروزه خود زمینه ای مستقل و در تعامل با سایر علوم به شمار می رود. گیتهای پیشرفته، مدارات ابر مجتمع، منابع ذخیره و بازیابی بسیار حجیم و کوچک، افزایش تعداد عمل در واحد زمان و غیره از مهم ترین این پیشرفتها در بخش سخت افزاری محسوب می شوند. در ۱۹۶۵ «گوردون مور» اظهار کرد که توان کامپیوترها هر دو سال دو برابر خواهد شد. در تمام الین سالها، تلاش عمده در جهت افزایش قدرت و سرعت عملیاتی در کنار کوچک سازی زیر ساختها و اجزای بنیادی بوده است. نظریه مور در دهه های ۶۰ و ۷۰ میلادی تقریبا درست بود. اما از ابتدای دهه ۸۰ میلادی و با سرعت گرفتن این پیشرفتها، شبهات و پرسش هایی در محافل علمی مطرح شد که این کوچک سازی ها تا کجا می توانند ادامه پیدا کنند؟ کوچک کردن ترازیستورها و مجتمع کردن آنها در فضای کمتر نمی تواند تا ابد ادامه داشته باشد زیرا در حدود ابعاد نانو متری اثرات کوانتومی از قبیل تونل زنی الکترونی بروز می کنند. گرچه همیشه تکنولوژی چندین گام بزرگ از نظریه عقب است، بسیاری از دانشمندان در زمینه های مختلف به فکر رفع این مشکل تا زمان رشد فن آوری به حد مورد نظر افتادند. به این ترتیب بود که برای نخستین بار در سال ۱۹۸۲ «ریچارد فاینمن» معلم بزرگ فیزیک و برنده جایزه نوبل، پیشنهاد کرد که باید محاسبات را از دنیای دیجیتال وارد دنیای جدیدی به نام کوانتوم کرد که بسیار متفاوت از قبلی است و نه تنها مشکلات گذشته و محدودیت های موجود را بر طرف می سازد، بلکه افق های جدیدی را نیز به این مجموعه اضافه می کند. این پیشنهاد تا اوایل دهه ۹۰ میلادی مورد توجه جدی قرار نگرفت تا بالاخره در ۱۹۹۴ «پیتر شور» از آزمایشگاه AT&T در آمریکا نخستین گام را برای محقق کردن این آرزو برداشت. به این ترتیب ارتباط نوینی بین نظریه اطلاعات و مکانیک کوانتومی شروع به شکل گیری کرد که امروز آنرا محاسبات کوانتومی یا محاسبات نانو متری (nano computing) می نامیم. در واقع هدف محاسبات کوانتومی یافتن روشهایی برای طراحی مجدد ادوات شناخته شده محاسبات ( مانند گیت ها و ترانزیستورها ) به گونه ایست که بتوانند تحت اثرات کوانتومی، که در محدوده ابعاد نانو متری و کوچکتر بروز می کنند، کار کنند. به نمودار صفحه بعد دقت کنید.

در این شکل به طور شماتیک و در سمت چپ یک مدار نیم جمع کننده را مشاهده می کنید که معادل کوانتومی و نانو متری آن در سمت راست پیشنهاد شده است. نوع اتم های به کار رفته، نحوه چینش اتم ها، چگونگی ایجاد سلول نمایش یافته ( معماری سلولی ) و چند ویژگی دیگر خصوصیات معادل با گیت های به کار رفته در نمونه دیجیتال هستند. یک راه نظری برای پیاده سازی سلول در این طرح، استفاده از «نقاط کوانتومی» (quantum dots) یا چیزی است که در زبان مکانیک کوانتومی آنرا «اتم مصنوعی » می نامیم.

ورود به دنیای محاسبات کوانتومی نیازمند دو پیش زمینه مهم است. نخست باید اصول اساسی و برخی تعابیر مهم فلسفی مکانیک کوانتومی را به طور دقیق بررسی کرد. سپس مفهوم اطلاعات در فیزیک نیز، چه به صورت کلاسیک و چه در معنای جدید کوانتومی آن باید درک شود.

 Quantum Mechanics

 فیزیک کوانتومی مهم ترین دستاورد علم بشری در توصیف طبیعت است. این نظریه که در سالهای ۲۷-۱۹۲۵ توسط «ورنر هایزنبرگ»، «اروین شرودینگر»، «پل دیراک»، «ماکس پلانک» و چند تن دیگر پایه گذاری شد، اساس تمام ادراک امروزی ما از عالم است. به بیان دقیق تر، مکانیک کوانتومی مجموعه ای از قوانین، روابط ریاضی و مفاهیم فلسفی است که توصیف کننده رفتار ذرات بنیادین تشکیل دهنده عالم است. البته با تعمیم همین قوانین و روابط، می توان رفتار تمام سیستم های فیزیکی ای که پیش از آن بررسی شده بودند را نیز بررسی و تعیین کرد. پایه ریاضی این نظریه جبر خطی عالی است. مفاهیمی از قبیل فضای هیلبرت ، ماتریس ها، عملگرها، ویژه توابع و ویژه مقادیر و تیدیلات از مهم ترین موارد می باشند. در حیطه فیزیک نظریه نیز مباحثی همچون تابع موج، سیستم و تحول آن، فضای حالت، اندازه گیریها و مکانیک آماری مورد بررسی قرار می گیرند. همچنین در سطوح بسیار پیشرفته تر و پیشروی این نظریه عناوینی همچون مفهوم و کاربرد اسپین، نظریه اندازه گیری، متغیرهای پنهان، مساله ناجایگزیدگی، نیروی کوانتومی و میدان راهنما، پارادوکس EPR  و قضیه بل مطرح می شوند.

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .