رایانش کوانتومی
محاسبات کوانتومی

رایانه تنها بخشی از دنیایی است که ما آن را دنیای دیجیتالی می‌نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می‌شود. اما کمتر از یک دهه است که روش بهتر و قدرتمندتر دیگری برای پردازش اطلاعات پیش رویمان قرار گرفته که بر اساس مکانیک کوانتومی می‌باشد. این روش جدید با ویژگی‌هایی همراه است که آن را از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می‌سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما رایانه‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین‌کننده‌ای خواهد داشت. البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلز بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود؛ بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می‌کنیم.
وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آن را از دنیای کلاسیک جدا می‌سازد. این پدیده‌ها عبارتند از: برهم‌نهی(superposition)، تداخل (interference), درهم تنیدگی (Entanglement)، نا موج بیت (non determinism)، ناجایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability). برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.
هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچک‌ترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می‌نامیم که گزیده واژه «عدد دودویی» است زیرا می‌تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچک‌ترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می‌شوند. پس سیستم‌هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه‌ای معرفی می‌شود که آن را کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می‌نامیم. اما این تعریف کیوبیت نیست و باید آن را همراه با مفهوم و نمونه‌های واقعی و فیزیکی درک کرد. در ضمن فراموش نمی‌کنیم که کیوبیت‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند، نه مفاهیمی انتزاعی و اگر از ریاضیات هم برای توصیف آن‌ها کمک می‌گیریم تنها به دلیل ماهیت کوانتومی آن‌ها است.
در فیزیک کلاسیک برای نگهداری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می‌شود. در سیستم‌های کلاسیکی اولیه (رایانه‌های مکانیکی) از موقعیت مکانی دندانه‌های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می‌شد. از زمانی‌که حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم‌های دو حالتی انتخاب‌های ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک مدار الکتریکی است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد.
هر بیت کوانتومی یا کیوبیت عبارت است از یک سیستم دودویی که می‌تواند دو حالت مجزا داشته باشد. به عبارت فنی‌تر، کیوبیت یک سیستم دو بعدی کوانتومی با دوپایه به شکل و است. البته نمایش پایه‌ها یکتا نیست، به این دلیل که برخلاف محاسبات کلاسیک در محاسبات کوانتومی از چند سیستم کوانتومی به جای یک سیستم ارجح استفاده می‌کنیم. اولین کاندید برای نمایش کیوبیت استفاده از مفهوم اسپین است که معمولاً اتم هیدروژن برای آن به کار می‌رود. در اندازه‌گیری اسپین یک الکترون، احتمال به‌دست آمدن دو نتیجه وجود دارد: یا اسپین رو به بالاست که با آن را با نشان می‌دهیم و معادل است یا رو به پایین است که با نشان می‌دهیم و معادل است با |۱>|. بالا یا پایین بودن جهت اسپین در یک اندازه‌گیری از آنجا ناشی می‌شود که اگر اسپین اندازه‌گیری شده در جهت محوری باشد که اندازه‌گیری را در جهت آن انجام داده‌ایم، آن را بالا و اگر در خلاف جهت این محور باشد آن را پائین می‌نامیم. علاوه بر اسپین از وضع قطبش یک پرتو فوتونی و نیز سطوح انرژی مجزای یک اتم دلخواه نیز می‌توان به عنوان سیستم کیوبیتی استفاده کرد.
شاید بتوان مهم‌ترین تفاوت بیت و کیوبیت را در این دانست که بیت کلاسیک فقط می‌تواند در یکی از دو حالت ممکن خود قرار داشته باشد درحالی‌که بیت کوانتومی می‌تواند به‌طور بالقوه در بیش از دو حالت وجود داشته باشد. تفاوت دیگر در اینجاست که هرگاه بخواهیم می‌توانیم مقدار یک بیت را تعیین کنیم اما اینکار را در مورد یک کیوبیت نمی‌توان انجام داد. به زبان کوانتومی، یک کیوبیت را با عبارت نشان می‌دهیم. حاصل اندازه‌گیری روی یک کیوبیت حالت |o> را با احتمال C۱۲ و حالت |۱>| را با احتمال C۲۲ به‌دست می‌دهد. البته اندازه‌گیری یک کیوبیت حتماً یکی از دو نتیجه ممکن را به‌دست می‌دهد. از سوی دیگر اندازه‌گیری روی سیستم‌های کوانتومی حالت اصلی آن‌ها را تغییر می‌دهد. کیوبیت در حالت کلی در یک حالت برهم‌نهاده از دوپایه ممکن قرار دارد. اما در اثر اندازه‌گیری حتماً به یکی از پایه‌ها برگشت می‌کند. به این ترتیب هر کیوبیت، پیش از اندازه‌گیری‌شدن می‌تواند اطلاعات زیادی را در خود داشته باشد.