JM Free Ebooks - шаблон joomla Форекс
Панҷшанбе, 15 Феврали 2018 07:40

Компютерҳои квантӣ

Муаллиф:

  Рушди бесобиқаи сатҳи техникаи рақамӣ ва дастовардҳои назаррас махсусан дар технологияи татбиқи амалии натиҷаҳои назариявии физикаи квантӣ дар интиҳои асри XX ва ибтидои асри XXI бевосита имконпазир будани яке аз лоиҳаҳои бемисли маҳсули тафаккури инсони – таҳияи компютерҳои квантиро исбот намуд. Ҳоло намунаҳои шартии компютерҳои квантӣ аллакай истеҳсол шуда, мавриди истифода қарор доранд. Вале, дар назар аст, ки ояндаи наздик кор карда баромадани намунаи мукаммали он – ба ҷаҳиши бузурги глобалӣ ва илмиву технологии тамаддуни инсонӣ оварда мерасонад.

Барои таҳлили мавзуи мазкур, дар ибтидо ба таври мухтасар оид ба рушди соҳаи компютерҳои анъанавӣ ёдрас мешавем.

  Технологияи компютерҳои анъанавӣ

 Барои ҳосил намудани маълумоти умумӣ оид ба рушди технологияи компютерҳои анъанавӣ, ҳамчун намуна, фаъолияти ширкати асосии истеҳсолкунандаи простессорҳои ҳисоббарор – Intel-ро дида баромадан мумкин аст.

Соли 1965 яке аз асосгузорони ширкати мазкур Гордон Мур дар асоси мушоҳидаҳо собит намуд, ки миқдори транзисторҳо дар протсессорҳои ҳисоббарор дар як сол 2 маротиба зиёд мешавад. Таносуби мазкур (1:2) дар оянда ҳамчун «Қонуни Г.Мур» шинохта шуд. 10 сол пас ӯ қонуни худро тағйир медиҳад: 2:2, яъне мувофиқи он миқдори транзисторҳои протсессор дар 24 моҳ 2 маротиба меафзояд (баъдан таносуб боз тағйир меёбад – 18-24:2). Вале, афзоиши экспоненсиалии бузургиҳои физикӣ ҳадду канор дорад ва оғоз аз ибтидои асри ҷорӣ ширкати Intel барои таъмини иҷроиши қонуни мазкур муаммоҳои мураккаби технологиро ҳал карда истодааст. Масалан, навъҳои охирини протсессорҳои силсилаи Core i7 насли 6 (SkyLake, 2015) ва 7 (Kaby Lake, 2016), ки дар асоси технологияи 14 нанометрӣ (андозаи транзистор) истеҳсол шудаанд ва насли 8 (Cannonlake, 2017), ки дар асоси технологияи 10 нанометрӣ истеҳсол шудааст ба таносуби қонуни Г.Мур бо кӯшишҳои зиёд мувофиқ омаданд. Ибтидои соли ҷорӣ бошад, ширкати Intel барои ба роҳ мондани технологияи 7 нанометрӣ ба мукаммал намудани коргоҳҳои худ оғоз намуд, ки бояд ояндаи наздик ба анҷом расад.

Ёдрас мешавем, ки аз ибтидо электроникаи рақамии протсессорҳои марказии компютерҳои анъанавӣ дар асоси (ё платформаи) кремний (Si) кор карда баромада мешавад. Дар 35 соли охир миқдори транзисторҳои дохили чунин микропротсессорҳо зиёда аз 5 дараҷа афзуд ва ҳоло беш аз 161010">  адад мебошад. Дар ин муддат зуддии тактии микропротсессорҳо (миқдори амалиёт дар сония) низ (аз 5-10 МГц) ба якчанд дараҷа афзуда, солҳои 2003-2004 то ба 4ГГц расид (ҳадди назариявӣ 10ГГц). Вале пас аз он дигар мо афзоиши зудди тактии микропротсессорҳо мушоҳида накардем. Сабаби асосӣ – ин баланд шудани ҳарорат дар дохили микропротсессор мебошад. Масалан, микропротсессорҳое, ки 40 сол қабл истеҳсол мешуданд ба радиаторҳо мӯҳтоҷ набуданд, зеро дар дохили онҳо ҳамагӣ то 25-30 ҳазор транзистор фаъол буда, ҳарорати назаррас ба вуҷуд намеомад. Вале солҳои 2003-2004 миқдори транзисторҳо мутаносиб ба тартиби 16107">  адад шуд, ки ин теъдод ҳадди ниҳоӣ барои таҷҳизотҳои хунуккунии ҳавогӣ мебошад. Бинобар он, дар солҳои оянда (пас аз 2004) истеҳсолкунандагон на дар самти зиёд намудани миқдори транзисторҳои ядрои микропротсессор, балки дар самти зиёд намудани ядроҳо фаъолият бурданд (рушди горизонталӣ).

Ин буд, маълумоти мухтасар оид ба дастовардҳо, муаммоҳо ва ҳолати ҳозираи технологияи истеҳсоли микропротсессорҳои ҳисоббарори компютерҳои анаъанавӣ дар мисоли протсессорҳои ширкати Intel. Қайд менамоем, ки ширкати мазкур ба таври анъанавӣ тақрибан аз чор се ҳиссаи сектори бозори микропротсессорҳои компютериро дар ҷаҳон ишғол менамояд. Боқимонда (амалан то 22-23%) ба ширкати AMD тааллуқ дорад.

Ҳоло, як қатор роҳҳои ҳалли муаммои ҳарорати баланд мавриди таҳқиқ қарор дорад, ба монанди – хомӯш намудани исми ғайрифаъоли микропротсессор (dark silicon), истеҳсоли микропротсессорҳои алоҳида барои масъалаҳои ҷудогона, татбиқи технологияҳои нави паст намудани ҳарорат, мантиқи реверсивии адиабатӣ (adiabatic computing) бо истифода аз принсипи Р.Ландауэр, архитектураи катакчаҳои квантӣ (QCA-технология) ва ғ.

Дар ин радиф, ба таври алоҳида муҳокима намудани технологияи ба таври куллӣ фарқкунанда, ки идеяи он ҳанӯз дар асри гузашта баён шуда, 15-20 соли охир олимон барои амалӣ шудани он ҷидду ҷаҳд менамоянд, бамаврид мебошад.

 Технологияи компютерҳои квантӣ

 Қабл аз ҳама бояд қайд намоем, ки мувофиқи маълумотҳо ҳоло компютери квантӣ ба маънои аслиаш кор карда баромада нашудааст. Умуман гирем, кор карда баромадани компютери квантии мукаммал – яке аз масъалаҳои амалӣ ва муҳими физика ва техникаи асри 21 мебошад. Дар назар аст, ки чунин компютерҳо асосан суперпозитсияи квантӣ, параллелияти квантӣ, ҳолати омехтаи квантӣ, телепортатсияи квантӣ, хосияти нақбӣ ва боз як қатор хусусиятҳои назарияи квантиро барои интиқол ва коркарди иттилоот истифода мебаранд. Ҳамин тавр, протсессорҳои квантӣ таҷҳизотҳое мебошанд, ки асосан дар бурриши илмҳои компютерӣ, физика ва химияи квантӣ таҳия мешаванд.

Расман идея ва роҳҳои амалигардонии ҳисобкуниҳои квантӣ ва компютерҳои квантӣ шурӯъ аз ибтидои солҳои 80-уми асри гузашта аз ҷониби як қатор олимони соҳаи физика ва математика, аз ҷумла Ю.И.Манин (Узви вобастаи АИ ИҶШС ва АИ Россия, ҳоло профессори донишгоҳ дар штати Иллинойси ИМА), Р.Ф.Фейнман (ҷоизадори мукофоти Нобелӣ дар соҳаи физика, яке аз асосгузорони электродинамикаи квантӣ), П.Бенев, П.Шор, Л.Гровер (ИМА), Д.Дойч (Британияи Кабир) ва дигар мутахассисони соҳа пешниҳод шудааст.

Шояд саволҳое пайдо шаванд, ки кор карда баромадани компютерҳои квантӣ барои инсоният аз кадом ҷиҳат муфид аст ва барои чӣ то ҳоло чунин компютерҳо истеҳсол нашудаанд, кадом монеаҳо ва муаммоҳо мавҷуданд.

Барои равшанӣ ворид намудан ба саволҳои мазкур, дар ибтидо, мухтасар оид ба самтҳои татбиқи технологияи ҳисобкуниҳои квантӣ маълумот меорем.

Криптография. Дар назар аст, ки компютерҳои квантӣ аз ҳисоби иқтидори бемисли худ дар масъалаи санҷиши яквақтаи миқдори зиёди маълумоти ададӣ беҳамто мебошанд. Яъне агар кодгузории ягон маълумот ба таври криптографияи анъанавӣ иҷро шуда бошад, компютери квантӣ онро ҳатман мекушояд. Зеро масалан, ба таври назариявӣ ҳисоб шудааст, ки агар барои ҳалли ягон масъалаи криптографӣ ба компютери муосири анъанавӣ миллиардҳо сол лозим бошад, барои компютери квантии тавоноиаш 1000 кубит танҳо якчанд дақиқа (ё сония) кифоя мебошад. Аз ин намуна, то кадом андоза нотавон будани шифргузории анъанавӣ дар назди иқтидори компютерҳои квантӣ равшан аён мегардад. Ҳоло муассисаҳои муайянкунандаи стандартҳо руйхати методҳои криптографии устувор ба ҳисобкуниҳои квантиро таҳия намуда истодаанд. Масалан, ҳоло муасисаҳои молиявӣ ба таври фаъол имкониятҳои криптографияи квантиро таҳқиқ намуда истодаанд, ки он бояд мунтазам ҷойи криптографияи анъанавиро ишғол намояд. Криптографияи квантӣ аз ҷумла имконият медиҳад, ки дар ҳолати кӯшиши рахнакунии система дарҳол онро ба қайд гирифта чораҳои мувофиқи бехатарӣ ба роҳ монда шавад.

Моделсозии молекулавӣ. Яке аз масъалаҳои марказии соҳаи мазкур ин ба таври дақиқ таҳия намудани модели компютерии таъсироти байниҳамдигарии молекулаҳо дар реаксияҳои химиявӣ мебошад. Ҳанӯз солҳои 80-уми асри гузашта Р.Фейнман низ қайд карда буд, ки агар рӯзе компютерҳои квантӣ кор карда баромада шаванд табиӣ аст, агар онҳоро дар навбати аввал дар ҳисобкуниҳои химияи квантӣ истифода намоем. Реаксияҳои химиявӣ табиатан ҳолатҳо ва натиҷаҳои имконпазири бениҳоят зиёдро дар бар мегиранд ва ҳолатҳои омехтаи суперпозитсияи квантиро ба вуҷуд меоранд. Идора намудан ва гузаронидани таҳқиқу ҳисобкуниҳои дақиқ дар ин ҳолат бо иқтидори компютерҳои анъанавӣ имкон надорад. Дар назар аст, ки компютерҳои квантӣ барои ҳалли масалаҳои ин соҳа хизмати нотакрор менамоянд.

Моделсозии молиявӣ. Дар ин соҳа яке аз системаҳои мураккабтарин ин бозорҳои муосир мебошанд. Гарчанде маҷмӯи услубҳо ва воситаҳои илмӣ кор карда баромада шудаанд, вале то ҳоло унсурҳои эҳтимолӣ дар ин майдон ғолиб меоянд. Ҳоло сармоягузорон ва таҳлилгарони ин соҳа барои ҳалли муаммоҳои касбиашон ба ҳисобкуниҳои квантӣ муроҷиат намуда истодаанд. Зеро муваффақияти амалиёти молиявӣ аз миқдори бениҳоят калони ҳолатҳо вобаста мебошад ва барои ба назар гирифтану идора кардани онҳо қудрати компютерҳои анаъанавӣ кифоя нест.

Пешгӯии дақиқи обу ҳаво. Умуман, ба таври расмӣ, пешгӯии илмии обу ҳаво аз нимаи дуюми асри 19 оғоз шудааст. Вале, бо вуҷуди он то ҳоло саҳеҳияти ҳалли ин масъала яке аз муаммоҳои марказии илмӣ боқӣ мемонад. Ба ҳама маълум аст, ки аз пешгӯии дақиқи обу ҳаво кулли масълаҳои хоҷагии халқ, аз ҷумла корҳои саҳроӣ, истеҳсоли маводҳои озуқаворӣ, нақлиёт, пешгӯии боришоти зиёд, саривақт огоҳӣ ёфтан аз офатҳои табиӣ (сунами, заминларза, гирдбодҳои шадид, обхезӣ) ва ғ. вобаста мебошад. Гарчанде олимон дар ин масъала доимо таҳқиқот мебаранд, муодилаҳои ҳосилшуда миқдори зиёди тағйирёбандаҳоро дар бар мегиранд, ва моделсозии таҳаввулли обу ҳаво аз ҷиҳати техникӣ душвор мегардад. Барои дар компютерҳои анъанавӣ ҳал намудани ин муодилаҳо мутахасисони соҳа маҷбур мешаванд, ки миқдори тағйирёбандаҳоро ба таври сунъӣ ихтисор намоянд, ки бевосита ба комилан дақиқ будани натиҷаҳо таъсири манфӣ мерасонад.

Тафаккури сунъӣ. Принсипи асосии фаъолияти тафаккури сунъӣ ин худомӯзӣ дар асоси мустақилона ҳосил намудани таҷриба мебошад. Раванди мазкур аз рӯи ҳисобҳои назариявӣ мунтазам афзун гардида, бояд рӯзе аз миқдор ба сифат ҷаҳиш намояд, яъне ба таври сунъӣ тафаккур ҳосил гардад. Ҳоло баъзе намудҳои роботҳо кор карда баромада шудаанд, ки зоҳиран ба монанди мавҷудоти бошуур сӯҳбат менамоянд (масалан, робот бо номи София аз ширкати Hanson Robotics). Мутахассисони соҳа ақида доранд, ки шояд солҳои наздик онҳо мустақилона дар худ тафаккур ҳосил намоянд. Вале мувофиқи маълумотҳо тафаккури сунъӣ ҳоло ба маънои томаш кор карда баромада (ё ҳосил) нашудааст. Агар ба таври оддӣ баён намоем, барои ҳосил шудани тафаккур бояд дар навбати аввал маҷмӯи алоқаҳои мураккаби унсурҳои фикрӣ бунёд гардад. Ин амал аз ҳисобкуниҳои бениҳоят зиёди эҳтимолиятҳо ва натиҷаҳои имконпазир вобаста мебошад, ки компютерҳои анъанавӣ қудрати иҷроиши чунин ҳаҷми корро надоранд. Дар назар аст, ки бо пайдоиши компютерҳои квантӣ масъалаи мазкур ҳалли худро меёбад.

Физикаи зарраҳои элементарӣ (физикаи энергияҳои фавқулбаланд). Моделҳои физикаи зарраҳои элементарӣ, ки дар асоси қонуниятҳои назарияи квантии майдон таҳия мешаванд, дар аксарияти ҳолатҳо бениҳоят мураккаб мебошанд. Дар ин маврид, бевосита оид ба фаъолияти худ дар ин масъала ёдрас шуда метавонам. Мо як гурӯҳи илмии сектори физикаи назариявии Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илмҳои Ҷумҳурии Тоҷикистон, таҳти роҳбарии академик Ҳ.Ҳ.Муминов зиёда аз 15 сол мешавад, ки бо моделсозии квазизарраҳо машғул ҳастем. Масалан, барои ҳосил намудани модели 15-20 сониягии сеченаи фазову вақт, ки дар куби иборат аз миллиардҳо нуқта таҳаввулоту динамикаи зарраҳои субядроиро инъикос менамояд компютерҳои 8 ядроӣ (сатҳи Intel Core i7) ин маҷмӯъро зиёда 100 соат ҳисоб менамоянд. Чунин суръати ҳосилшавии модели микроолам бо назардошти то ҳадди имкон ихтисор намудани тағйирёбандаҳо ба даст оварда мешавад. Албатта бо як таҷриба модели дақиқ ҳосил намешавад ва барои ҳосил намудани модели саҳеҳ, садҳо чунин таҷрибаҳоро гузаронидан лозим аст. Муаммои асосӣ дар ин ҷо кифоя набудани суръати микропротсессор, хотираи фаврӣ ва доимии компютери анъанавӣ мебошад, ки муддати таҳқиқотро зиёд менамоянд. Бо вуҷуди ин, ҳоло маҷмуи моделҳои динамикии квазизарраҳоро ба даст оварда шудаанд. Бо дастрасӣ ба компютерҳои квантии одитарин мо имконият пайдо менамоем дар як муддати кӯтоҳ таҷрибаҳое гузаронем, ки бо компютерҳои анъанавӣ барои ин на кам аз даҳсолаҳо ва садсолаҳо лозим мебошанд.

Ин буд намунаҳои хеле ҳам мухтасар аз маҷмӯи васеи соҳаҳои истифодабарии компютерҳои квантӣ. Дар ин қатор, инженерияи генӣ, соҳаи тиб ва дорусозӣ, соҳаҳои автоматика, робототехника ва мошинсозӣ, наномаводҳо ва технологияи рақамӣ, биотехнология ва биологияи квантӣ ва умуман тамоми соҳаҳои фаъолияти инсонро қайд намудан мумкин аст, ки компютерҳои квантӣ саҳми нотакрори худро дар рушди соҳаҳои мазкур гузошта метавонанд.

Акнун бармегардем ба саволе, ки – барои чӣ то ҳоло компютерҳои квантӣ кор карда баромада нашуданд.

Яке аз муаммоҳои марказӣ – ислоҳ намудани хатогиҳо мебошад. Воҳидҳои анъанавии иттилоот дар компютерҳои квантӣ кубитҳо (бити квантӣ) мебошанд, ки табиати квантӣ дошта ба муҳити атроф хеле ҳассос мебошанд. Яъне камтарин таъсироти табиӣ кифоя аст, ки раванди декогеренсия ҷорӣ шуда алоқаҳои дохилии системаи квантӣ вайрон шаванд. Барои ҳалли ин масъала микропротсессори квантиро аз таъсироти муҳити атроф ба пуррагӣ ҳифз намудан лозим аст, ки худ як масъалаи мураккаби технологӣ ба ҳисоб меравад.

Инчунин ба қатори муаммоҳои соҳа ба ҳолати муайяни ибтидоӣ овардани кубитҳо, муттаҳид намудани онҳо ба системаи омехта, сабту хониши натиҷаи ҳисобкунии квантӣ дохил мешаванд. Ғайр аз ин, масъалаи интихоби базаи элементӣ барои кор карда баромадани кубитҳо мавҷуд аст ва ҳоло бо якчанд вариантҳо таҷрибаҳо гузаронида шуда истодаанд.

Вобаста ба ин, дар Институти физикаю техника гурӯҳи кории мо, инчунин оид ба муаммои амалӣ намудани ҳисобкуниҳои квантӣ дар асоси унсурҳои бисёрсатҳии квантӣ бо истифодабарии назарияи ҳолатҳои когерентии умумишуда таҳқиқотҳо рафта истодаанд. Мақсад аз он кор карда баромадани назарияи компютерҳои квантии идеалӣ мебошад, ки бо муҳити атроф мубодила намекунанд ва аз равандҳои декогерентизатсияи квантӣ озод мебошад. Дар раванди таҳқиқот кор карда баромадани калидҳои асосии ҳисобкуниҳои квантӣ ва криптографияи квантӣ пешбинӣ шудааст, ки на дар асоси кубитҳо, балки дар асоси кутритҳо (трити квантӣ дар фазои 16H3"> ) амал менамоянд. Қайд менамоем, ки амалигардонии системаҳои мазкур дар асоси истифодабарии резонанси магнитии квадруполии ядроӣ имконпазир мебошад.

Ҳамчунин, бояд зикр намоям, ки соли 2005 роҳбари гурӯҳи кории мо академик Ҳ.Ҳ.Муминов ба Институти технологии Массачусетси ИМА барои гузаронидани таҳқиқот дар соҳаи компютерҳои квантии бисёрсавиягӣ даъват шуданд. Онҷо дар гурӯҳи кории профессорон Дэвид Кори ва Тим Хэвел давоми ним сол дар ҳамҷоягӣ фаъолият намуда, оид ба системаҳои квантии бисёрсатҳӣ маҷмӯи масъалаҳои соҳаро таҳқиқу баррасӣ намуданд. Аз рӯйи натиҷаҳои фаъолияти чунин гурӯҳи байналмилалӣ силсилаи лексияҳо омода гардида, барои мутахассисон ва донишҷӯёну унвонҷӯёни хориҷиву ватанӣ пешниҳод гардид.

Дар интиҳо шиносоӣ бо баъзе намунаҳои ибтидоии компютерҳои квантӣ муфид мебошад.

 Намунаҳои ибтидоии компютерҳои квантӣ

Компютери адиабатии ширкати D-Wave Systems (Канада)

Дар даҳсолаи охир ширкати мазкур пайдарпай навъҳои гуногуни маҳсулоти худро таҳти унвони «компютери квантӣ» пешниҳод намуда истодааст. Аслан компютерҳои ширкати мазкур дар асоси принсипи релаксатсияи квантӣ фаъолият намуда, барои ҳалли гурӯҳи хеле хурди масъалаҳо мувофиқ мебошанд. Бо вуҷуди он, ки компютерҳои D-Wave ба маънои томаш ҳоло компютери квантӣ нестанд, вале дар онҳо баъзе хосиятҳои квантӣ истифода шуда, ширкати мазкур тиҷорати худро бомуваффақият ба роҳ мондааст. Масалан, ибтидои соли ҷорӣ D-Wave фурӯши компютери 2000-кубитии худро (D-Wave 2000Q) бо арзиши 15 миллион доллар оғоз намудааст.

Вале, бояд қайд намоем, ки гарчанде компютери мазкур ҳамчун 2000-кубитӣ муаррифӣ мешавад, он албатта ба маънои дигар омадааст. Яъне на ба маънои регистри ягонаи квантии иборат аз 2000 кубит (мазмуни аслии компютери квантӣ), балки маҷмӯи регистрҳои квантии зиёде, ки ҳар кадоме иборат аз якчанд кубит мебошанд.

Компютери 50-кубитии ширкати Google. Солҳои охир ба раванди таҳқиқу истеҳсоли компютерҳои квантӣ ширкати машҳури Google низ шомил гардид ва аллакай намунаи кории компютери 6-кубитии худро кор карда баромадааст. Ҳоло бошад мутахассисони ширкат дар асоси компютери 6-кубитии худ технологияи микропротсессори 50-кубитиро таҳия намуда истодаанд, ки дар айни замон пуриқтидортарин компютер ҳисоб рафта метавонад. Агар ин нақшаи онҳо амалӣ гардад, ширкати мазкур аввалин шуда аз «монеаи афзалияти квантӣ» гузашта метавонад. Бо ин мафҳум сатҳи технологияи компютерҳои квантиро ишора мекунанд, ки пас аз он маҳсулнокии микропротсессори квантӣ аз иқтидори супперкомпютерҳои анъанавии мавҷудбуда якчанд дараҷа боло меравад.

Бояд қайд намоем, ки мувофиқи ҳисобҳои қаблӣ, бо дастрасӣ ба компютерҳои квантии сатҳи 300-кубитӣ зарурият ба суперкомпютерҳои анаъанавӣ ба пуррагӣ аз байн меравад.

Фарҳод ШОКИРОВ

 номзади илмҳои физикаю математика

Маҷаллаи академии илмию оммавӣ (Илм ва Ҷомеа)-№1 (9), 2018 

Хондан 814 маротиба