تشریح محاسبات کوانتومی در ۱۰ دقیقه
متن سخنرانی :
بیایید یک بازی بکنیم. تصور کنید در لاس‌وگاس هستید، در یک کازینو، و تصمیم می‌گیرید با یکیاز کامپیوترهای کازینو بازی کنید، مثلا ورق یا شطرنج بازی می‌کنید. کامپیوتر می‌تواند مثل یک انساندر بازی حرکت انجام دهد. این یک بازی سکه‌ای است. با یک سکه شروع می‌شود که روی آن شیر است، و اول کامپیوتر بازی می‌کند. می‌تواند انتخاب کند سکه را بیندازد یا نه، اما شما نمی‌توانید نتیجه را ببینید. بعد، نوبت شماست. شما هم می‌توانید انتخاب کنیدسکه را بیندازید یا نه، و حرکت شما هم به حریف،یعنی به کامپیوتر نشان داده نخواهد شد. در آخر، کامپیوتر دوباره بازی می‌کند،و می‌تواند سکه را بیندازد یا نه، و بعد از این سه دور، سکه نشان داده می‌شود، و اگر شیر باشد کامپیوتر می‌برد، اگر خط باشد شما.پس بازی ساده‌ای است، و اگر همه صادقانه بازی کنند،و سکه هم سالم باشد، آن موقع ۵۰ درصد احتمال دارد بازی را ببرید. و برای تایید آن، از دانشجوهایم خواستم تا این بازی رابا کامپیوترهایمان انجام دهند، و بعد از تلاش‌های بسیار، بسیار زیاد، نرخ برنده شدن آنهابه ۵۰ درصد یا نزدیک به آن ختم شد، همان طور که انتظار داشتیم. بازی خسته کننده‌ای به نظر می‌رسد، نه؟
اما اگر می‌توانستید این بازی را با یککامپیوتر کوانتومی انجام دهید چطور؟ حالا، کازینوهای لاس‌وگاسکامپیوتر کوانتومی ندارند، تا جایی که من می‌دانم، اما شرکت IBM یک کامپیوترکوانتومی ساخته که کار می‌کند. این است.
اما کامپیوتر کوانتومی چیست؟ خوب، فیزیک کوانتوم رفتار اتم‌ها و ذرات بنیادی را توصیف می‌کند، مثل الکترون‌ها و فوتون‌ها. پس یک کامپیوتر کوانتومی با کنترل کردن رفتار این ذرات کار می‌کند، اما به صورتی که کاملاًبا کامپیوترهای معمولی ما متفاوت است. پس یک کامپیوتر کوانتومیفقط یک نمونه قدرتمندتر از کامپیوترهای فعلی ما نیست، همان طور که لامپ رشته‌ای،یک شمع قدرتمندتر نیست. نمی‌توانید با بهتر و بهتر ساختن شمعلامپ رشته‌ای بسازید. لامپ رشته‌ای یک فناوری متفاوت است، که بر اساس درک عمیق‌تر علمی ساخته شده. به همین صورت، یک کامپیوتر کوانتومییک گونه جدید از ابزار است، که اساس آن دانش فیزیک کوانتومی است، و همان طور که لامپ رشته‌ایجامعه را متحول کرد، کامپیوترهای کوانتومی همپتانسیل آن را دارند که بر بسیاری از جنبه‌هایزندگی ما اثر بگذارند، از جمله، نیازهای جامعه ما،مراقبت‌های بهداشتی ما و حتی اینترنت.
پس تمام شرکت‌های سراسر جهاندر حال تلاش برای ساخت این دستگاه‌ها هستند، و برای درک اینکه این همه هیجان برای چیست، بیایید بازی‌مان را روی یککامپیوتر کوانتومی انجام دهیم. خوب من می‌توانم از همین جاوارد کامپیوتر کوانتومی IBM شوم، که یعنی دارم بازی رااز راه دور انجام می‌دهم، و شما هم می‌توانید. برای این کار، شاید یادتان باشدکمی پیش‌تر ایمیلی از TED گرفتید، که می‌پرسید سکه را می‌اندازید یا نه، اگر بازی را انجام بدهید. خوب، در واقع ما از شما خواستیمکه بین یک دایره و یک مربع انتخاب کنید. شما نمی‌دانستید، اما انتخاب دایرهیعنی «سکه را بینداز،» و انتخاب مربع یعنی، «سکه را نینداز.» ۳۷۲ پاسخ دریافت کردیم. متشکرم. این یعنی می‌توانیمبا استفاده از انتخاب‌های شما ۳۷۲ بار با کامپیوتر کوانتومی بازی کنیم. و این بازی بسیار سریع است، پس می‌توانم نتایج را اینجا نشان‌تان دهم.
متاسفانه، خیلی خوب عمل نکردید.
(خنده)
کامپیوتر کوانتومیتقریباً تمام بازی‌ها را برد. چندتایی که باخته هم به خاطرخطاهای عملیاتی کامپیوتر هستند.
(خنده)
خوب چطور به این آمار جالب برد رسید؟ انگار جادو است یا تقلب، اما در واقع، عمل کردن فیزیک کوانتوم است. این طوری کار می‌کند. یک کامپیوتر معمولی شیریا خط یک سکه را به عنوان یک بیت، یک صفر یا یک، یا یک جریان که درون قطعه کامپیوتر شماقطع و وصل می‌شود شبیه‌سازی می‌کند. یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً متفاوت است. یک بیت کوانتومی هویتی سیال‌ترو غیر دودویی دارد. می‌تواند به صورت یک برهم‌نهی یا ترکیبی از صفر و یک وجود داشته باشد، با مقداری احتمال صفر شدنو مقداری احتمال یک شدن. به بیان دیگر، هویت آن یک طیف است. به طور مثال، می‌تواند۷۰ درصد احتمال صفر شدن و ۳۰ درصد احتمال یک شدن داشته باشد یا ۸۰-۲۰ یا ۶۰-۴۰. احتمالات بی‌پایان هستند. ایده کلیدی اینجا این است که باید از مقادیردقیق صفر و یک بگذریم و اجازه دهیم مقداریعدم قطعیت وجود داشته باشد. پس در طول بازی، کامپیوتر کوانتومی این ترکیب سیالشیرها و خط‌ها را ایجاد می‌کند، صفر و یک، تا فارغ از اینکه بازیکن چه کار بکند، سکه را بیندازد یا نه، برهم‌نهی دست نخورده باقی بماند. شبیه هم زدن مخلوطی از دو سیال است. هم بزنید یا نه، دو سیالدر مخلوط باقی می‌مانند، اما کامپیوتر کوانتومی در حرکت آخرش، می‌تواند صفر و یک را از هم تفکیک کند، و شیرها را کاملاً بازیابی کندتا شما هر بار ببازید.
(خنده)
اگر فکر می‌کنید همه این‌ها کمیعجیب است، کاملاً حق با شماست. سکه‌های معمولی در ترکیباتشیرها و خط‌ها وجود ندارند. ما این واقعیت سیال کوانتومی را در زندگی روزمره‌مان تجربه نمی‌کنیم. پس اگر با کوانتوم گیج شده‌اید، نگران نباشید، دارید متوجه می‌شوید.
(خنده)
اما با وجود اینکه مابیگانگی کوانتومی را تجربه نمی‌کنیم، می‌توانیم تاثیرات بسیارواقعی آن را در عمل ببینیم. داده‌ها را خودتان دیدید. کامپیوتر کوانتومی برنده شد زیرا برهم‌نهی و عدم قطعیت راتحت کنترل داشت، و این ویژگی‌های کوانتومی قدرتمند، نه تنها بازی شیر یا خط را می‌برند، بلکه برای ساختن فناوری‌هایکوانتومی آینده نیز به کار می‌آیند. خب اجازه بدهید سه نمونهاز کاربردهای بالقوه آن را به شما ارائه کنم که ممکن است زندگی ما را متحول کنند.
اول از همه، عدم قطعیت کوانتومی می‌تواندبرای ساخت کلیدهای محرمانه به کار برود که در ارسال پیام‌های رمزگذاری شدهاز جایی به جای دیگر به کار می‌روند تا به خاطر عدم قطعیت کوانتومیهکرها دیگر نتوانند کلید را مخفیانه به طور کامل کپی کنند. آنها باید قوانین فیزیک کوانتوم را بشکنند تا بتوانند کلید را هک کنند. خب این گونه رمزهای ناشکستنیهمین حالا هم توسط بانک‌ها و سایر موسسه‌هادر سطح جهانی امتحان می‌شوند. امروز، ما در جهان از بیش از۱۷ میلیارد دستگاه متصل استفاده می‌کنیم. فقط تاثیری که رمزگذاری کوانتومیبر آینده دارد را تصور کنید.
دوم، فناوری‌های کوانتومی می‌توانندمراقبت‌های بهداشتی و پزشکی را هم متحول کنند. برای مثال، طراحی و تحلیلمولکول‌ها در توسعه داروها امروزه مشکلی چالش‌برانگیز است، و علت این است که توصیف و محاسبه دقیق تمام خصوصیات کوانتومی تمام اتم‌های مولکول از نظر محاسباتی، حتی برایابررایانه‌های ما هم کاری دشوار است. اما یک کامپیوتر کوانتومیمی‌تواند بهتر عمل کند، زیرا با استفاده از همانویژگی‌های کوانتومی کار می‌کند که مولکولی که می‌خواهد شبیه‌سازی کند دارد. پس شبیه‌سازی‌های کوانتومیبا ابعاد بزرگ برای توسعه داروهای آینده ممکن است منجر به درمانبیماری‌هایی مانند آلزایمر شود، که هزاران نفر را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
و سوم، کاربرد کوانتومی مورد علاقه من دورنوردی اطلاعات از جایی به جای دیگر بدون انتقال فیزیکی اطلاعات است. انگار علمی تخیلی است، اما امکان دارد، زیرا این هویت‌های سیال ذرات کوانتومی می‌توانند از میان فضا و زمانطوری پیچیده شوند که وقتی چیزی را درباره یک ذره عوض می‌کنید، می‌تواند روی دیگری اثر بگذارد، و این راهی برای دورنوردی فراهم می‌کند. همین حالا هم در آزمایشگاه‌هایتحقیقاتی نشان داده شده است و می‌تواند بخشی ازاینترنت کوانتومی آینده باشد. هنوز چنین شبکه‌ای نداریم، اما گروه من روی این امکانات کار می‌کنند، و در حال شبیه‌سازی یک شبکه کوانتومیروی یک کامپیوتر کوانتومی هستند. خب ما پیش‌نویس‌های جالب و جدیدی راطراحی و پیاده‌سازی کرده‌ایم مثل دورنوردی میان کاربران مختلف در شبکه و انتقال داده با بازدهی بالا و حتی رای‌دهی محرمانه.
خب برای من فیزیکدان کوانتومی بودنخیلی سرگرم کننده است. به شدت توصیه می‌کنم.
(خنده)
ما می‌توانیم کاشفانسرزمین عجایب کوانتومی باشیم. که می‌داند کاربرد بعدیکه کشف می‌کنیم چه خواهد بود. باید در ساخت آینده کوانتومی‌مان با دقت و مسئولانه گام برداریم. و برای من، به شخصه، من فیزیک کوانتومی را فقط ابزاریبرای ساخت کامپیوترهای کوانتومی نمی‌بینم. من کامپیوترهای کوانتومی را راهی می‌بینمکه با آن می‌توانیم اسرار طبیعت را کاوش کنیم و چیزهای بیشتری را درباره این دنیایپنهان دور از دسترس تجربه‌مان آشکار کنیم. چقدر شگفت‌انگیز است که ما انسان‌ها، با دسترسی نسبتاً محدودمان به کائنات، تنها با استفاده از تخیل و نبوغ‌مان می‌توانیم خیلی دورتر از افق‌مان را ببینیم. و کائنات هم به ما پاداش می‌دهد و نشان‌مان می‌دهد چقدرجالب و شگفت‌انگیز است.
آینده از اساس ناپایدار است، و برای من، این اساساً هیجان‌انگیز است.
متشکرم.
(تشویق)
