اطلاعات کوانتومی چیست؟

اطلاعات کوانتومی قواعد اطلاعات کلاسیک را به گونه‌ای زیر پا می‌گذارد که ما را قادر می‌سازد تا به سؤالاتی پاسخ دهیم که یک رایانهٔ کلاسیک نمی‌تواند.

در نظر بگیرید که نامه‌ای ارسال می‌کنید. شما به عنوان فرستندهٔ نامه می‌دانید که محتوای نامه چیست؛ اما اوضاع برای گیرندهٔ نامه فرق می‌کند. تا وقتی که خوانده نشده، مشخص نیست که نامه چه می‌گوید.

دانشمندان اینگونه اطلاعات را می‌بینند. حداقل اینطور در مورد اطلاعات کلاسیک فکر می‌کنند. یک کامپیوتر در خودش اطلاعات ذخیره می‌کند، ارسال و دریافت می‌کند، و اطلاعات را پردازش می‌کند. در یک کامپیوتر کلاسیک، اطلاعات به شکل رشته‌ای از بیت‌ها یا الگوهایی از ۰ها و ۱ها جابه‌جا می‌شود. با ورود هر بیت، گیرنده نمی‌داند که بیت چه مقداری دارد؛ از منظر گیرنده، بیت همان‌قدر که ممکن است ۰ باشد، می‌تواند ۱ هم باشد. قطعاً یا این خواهد بود یا دیگری؛ اما این که کدامشان است، پس از رسیدن بیت آشکار خواهد شد.

به این معنی که هر بیت پس از ورودش مقدار معینی عدم قطعیت را برطرف می‌کند.

«طبیعت خیلی هم پیش‌بینی‌پذیر نیست!»

اکنون با دانستن ابتدای یک پیام می‌توانیم در مورد بقیهٔ آن حدس‌هایی بزنیم. اگر پیام با «آه! رومئو رومئو» شروع شود؛ می‌توان شرط بست که با «چرا تو چنینی رومئو؟» ادامه می‌یابد.

با این حال، دانستن قسمت اول پیام، ما را از قسمت بعدی آن مطمئن نمی‌کند. در این مثال، شاید اصلاً تأثیری نداشته باشد. ممکن است بقیهٔ پیام این باشد که «ممکنه یک ساندویچ به من بدهی؟»

همهٔ این‌ها به این دلیل منطقی است که اطلاعات کلاسیک از مجموعه‌ای از قواعد پیروی می‌کند.

اطلاعات کوانتومی این قوانین را زیر پا می‌گذارد و برای ما تبدیل به یک پایهٔ قدرتمند برای محاسبات و نیز یک هیولای بسیار شکننده می‌شود.

فرق کوانتوم

قواعد اطلاعات کلاسیک به اندازه‌ای با شهود ما سازگار است که به راحتی می‌توانیم آن را بدیهی بپنداریم.

اول این‌که اطلاعات کلاسیک، گسسته است: یک بیت یا مقدار صفر دارد یا یک و هیچ وقت مقداری مابین این دو را نمی‌گیرد. دوم این‌که بیت‌ها حالت تعینی دارند. اگر عدم قطعیتی در یک بیت وجود دارد، این عدم قطعیت در ذهن گیرنده‌ای است که هنوز پیام را دریافت نکرده (یا به خاطر وجود خطای احتمالی در بیت) است.

از سوی دیگر، اطلاعات کوانتومی، گسسته نیست. یک بیت کلاسیک قطعاً یا صفر است یا یک؛ اما یک بیت کوانتومی که به آن کیوبیت 1Qubit می‌گوییم، می‌تواند هم صفر و هم یک باشد.

این ویژگی به کیوبیت این امکان را می‌دهد که حامل نوع متفاوتی از اطلاعات باشد: اطلاعات پیوسته در خصوص تعادل نسبی ۰ و ۱ در کیوبیت. با استفاده از این واقعیت، گاهی اوقات الگوریتم‌های کوانتومی می‌تواند بسیار کارآمدتر از همتایان کلاسیک خود عمل کنند.

همچین اطلاعات تعینی 2deterministic نیستند. وقتی کسی یک بیت کلاسیک را در نظر می‌گیرد، صرفاً یا یک ۰ می‌بیند یا یک ۱، و جدا از احتمال خطا، این همان‌طور است که قبلاً بود یا بعداً خواهد بود. در مورد کیوبیت‌ها که تحت تأثیر اندازه‌گیری قرار می‌گیرند، این‌طور نیست.

اگرچه کیوبیت می‌تواند هر ترکیبی از ۰ و ۱ باشد؛ اندازه‌گیری (به این دلیل که پیام باید توسط کسی خوانده شود.) آن را مجبور می‌کند که ۰ یا ۱ باشد. به طور کلی مقداری احتمال وجود دارد که پاسخ ۰ و بقیهٔ آن احتمال هم مقدار ۱ باشد. این نه خطا است و نه شباهتی با این دارد که گیرندهٔ پیام مقدار بیت را نمی‌داند؛ بلکه این یکی از ویژگی‌های بنیادی فیزیک کوانتومی است.

نکتهٔ مهم این است که این ویژگی همچنین به این معناست که خواندن خروجی یک کامپیوتر کوانتومی (نوعی از اندازه‌گیری) بیشتر اطلاعاتی که در آن ذخیره شده است را از بین می‌برد. زمانی که یک برهم‌نهی در کار باشد، اندازه‌گیری با آن کاری می‌کند که از آن تنها ۰ و ۱ باقی بماند.

دست آخر، اطلاعات کوانتومی موضعی نیستند. در حالی که هر بیت کلاسیکی، از بقیهٔ بیت‌ها مستقل است؛ کیوبیت‌ها تحت تأثیر دیگر کیوبیت‌ها قرار می‌گیرند.

مثلاً مهندسان می‌توانند یک جفت کیوبیت را در حالتی قرار دهند که اگر اندازه‌گیری یکی از آن‌ها مقدار ۰ بود، دیگری حتماً باید ۱ باشد و بلعکس. از لحاظ نظری، مهندسان می‌توانند سیستم‌هایی از هر تعداد کیوبیت که می‌خواهند را بسازند که در آن، حالتِ هر کیوبیت، به حالت تعداد زیادی کیوبیت دیگر وابسته است و همهٔ آن‌ها جزئی از یک سیستم درهم‌تنیدهٔ پیچیده هستند.

این مشاهدات، نتیجهٔ شگفت‌انگیزی دارد: در حالی که بیت‌های کلاسیک، اطلاعات را موضعی و مستقل از یکدیگر ذخیره می‌کند، اطلاعات کوانتومی معمولاً در روابط بین تک‌تک کیوبیت‌ها ذخیره می‌شود.

برتری‌های اطلاعات کوانتومی

برهم‌نهی کوانتومی، اندازه‌گیری و درهم‌تنیدگی دشواری‌های خاصی ایجاد می‌کند. مثلاً خطاهای بیشتری به سامانه وارد می‌شود. اطلاعات کوانتومی باید به دقت دربرابر محیطش محافظت شود؛ مبادا که درهم‌تنیدگی‌اش با محیط باعث از بین رفتنش شود. از آن‌جایی که مشکلی در یک کیوبیت باعث اختلال در کل سامانه می‌شود؛ تصحیح خطای کوانتومی بسیار چالش‌برانگیزتر است.

اما اطلاعات کوانتومی مزایای قابل توجهی هم دارند و این مزایا آن قدر ارزشمندند که ارزش حل چالش‌های پیش آمده را دارند.

یک استدلال دم دستی برای رایانش کوانتومی این‌گونه است: رایانه‌های کلاسیک تعینی هستند؛ یعنی زمانی که محاسبه می‌کنند، فقط یک پاسخ به ما می‌دهند. از سوی دیگر، طبیعت کاملاً قابل پیش‌بینی نیست. از آن جا که برخی از جنبه‌های طبیعت، بر اساس مکانیک کوانتومی است، می‌تواند به ما بیش از یک جواب بدهد. این یعنی یک رایانهٔ کلاسیک برای شبیه‌سازی کوانتومی به مشکل برخواهد خورد.

فرض کنید که می‌خواهیم یک کیوبیت را با کامپیوتر کلاسیک شبیه‌سازی کنیم. در وهلهٔ اول، رایانهٔ کلاسیک برای توصیف وضعیت کیوبیت به تعداد زیادی بیت نیاز دارد؛ چرا که کیوبیت می‌تواند هر ترکیبی از حالت‌های ۰ و ۱ را داشته باشد. حتی رایانهٔ کلاسیک برای رمزگذاری چگونگی درهم‌تنیدگی کیوبیت‌ها با یکدیگر، به تعداد بیشتری بیت نیاز دارد و حتی برای شبیه‌سازی یک الگوریتم کوانتومی و اندازه‌گیری خروجی آن، بیت‌های بیشتری هم لازم است.

به عبارت دیگر، برای شبیه‌سازی ده کیوبیت به خیلی بیشتر از ده بیت نیازمندیم که این نشان می‌دهد که با ده کیوبیت می‌توان کارهای بسیار بیشتری نسبت به ده بیت انجام داد.

اما حتی این آزمایش فکری هم نمی‌تواند این تمایز را به خوبی نشان دهد. به سادگی اطلاعات بیشتری در بیت کوانتومی وجود ندارد. همچنین اندازه‌گیری، درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی کوانتومی به این معنی است که نحوهٔ پردازش و تعامل ما با اطلاعات کوانتومی از اساس متفاوت است.

یکی از این نتایج این است که رایانه‌های کوانتومی حتی در زمان حل مسائل تعینی، می‌تواند بهتر باشد. یک نمونه از مسائل فعلاً کلاسیک، فاکتورگیری یا یافتن اعداد اولی است که ضربشان عدد دیگری می‌سازد است. از آن جا که تنها یک راه برای فاکتورگیری اعداد وجود دارد، فاکتورگیری از اعداد بزرگ، مشکل بسیار سختی در کامپیوترهای کلاسیک است. این کار در کامپیوتر کوانتومی نسبتاً آسان است.

این تفاوت‌ها به این معنی نیست که رایانه‌های کوانتومی در همهٔ زمینه‌ها بهتر از همتای کلاسیک خود هستند. نکتهٔ اصلی این است که آن‌ها متفاوتند پس برای حل مسائل متفاوتی هم مناسبند و در واقع محققان سخت می‌کوشند تا دریابند که کامپیوترهای کوانتومی برای چه نوع مسائل محاسباتی مناسب‌تر هستند. آن‌چه که واضح است این است که الاعات کوانتومی فرصت‌های تازه‌ای ایجاد می‌کند و آینده هنوز نانوشته است.


این نوشته ابتدا با عنوان What is quantum information? در Symmety Magazine منتشر شد و توسط میلاد جمالی در این‌جا ترجمه شد. راحت باشید و برای گپ و گفت، نظر بدهید.

پاورقی

  • 1
    Qubit
  • 2
    deterministic

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.