رایانه‌های کوانتومی و تحول آینده
نقطه‌ی شروع محاسبات کوانتومی آنجاست که مرز محاسبات کلاسیک شکسته می‌شود و خط‌شکنان این مرز، رایانه‌های کوانتومی هستند. ظهور محاسبات و رایانش کوانتومی، دنیای محاسبات را متحول کرده است و رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی به عنوان یک پلتفرم امیدوارکننده با پتانسیل فوق العاده در راه هستند. ما در مرکز تحقیقات فناوری‌های کوانتومی ایران با داشتن این امتیاز که در قلمرو محاسبات کوانتومی تحقیق می‌کنیم، خوشحالیم که بخشی از تجربیاتمان را با مخاطبین به اشتراک بگذاریم و مروری روشنگر از این فناوری پیشگامانه ارائه دهیم.
در قلمرو محاسبات کوانتومی، جایی که از مرزهای محاسبات سنتی فراتر رفته است، رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی به عنوان یک فناوری جذاب و بسیار امیدوارکننده ظاهر شده‌اند. این ماشین‌های پیشرفته با بهره‌گیری از اصول مکانیک کوانتومی و بهره‌گیری از خواص منحصربه‌فرد فوتون‌ها، پتانسیل ایجاد انقلابی در روش پردازش اطلاعات، حل مشکلات پیچیده و باز کردن مرزهای جدید در اکتشافات علمی را دارند.
چشم‌انداز فناوری رایانش کوانتومی و محاسبات، سریع‌تر از آن چیزی تغییر می‌کند که بتوان انتظارش را داشت. هر روز اختراعات، اکتشافات و نو‌آوری‌های جدیدی عرضه و معرفی می‌شوند. با ادغام یکپارچه اصول مکانیک کوانتومی و قدرت نهفته در فوتون‌ها، این ماشین‌ها پتانسیل‌ها و استعدادهای قابل توجهی را در گشایش افق‌های جدید از خود نشان داده‌اند که می‌توان به عبور از محدودیت‌های محاسبات کلاسیک، ایجاد ارتباطات ایمن، و تحول در طراحی کیوبیت‌ها و کدبندی آنها اشاره کرد.
رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی از خواص منحصر به فرد فوتون‌ها، همان ذرات یا کوانتای نور، برای دستکاری و پردازش اطلاعات در سطح کوانتومی استفاده می‌کنند. با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی، رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی این پتانسیل را دارند که صنایع را متحول کنند، مشکلات حل‌ناپذیر قبلی را حل کنند و بینش‌های عمیقی را در مورد اسرار جهان کشف کنند.
کیوبیت‌های فوتونی، حامل اطلاعات بیشتری نسبت به بیت‌ها
کلید رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی در توانایی آنها برای دستکاری و کنترل رفتار فوتون‌های منفرد نهفته است. در قلمرو محاسبات سنتی، اطلاعات با استفاده از ارقام یا بیت‌های دودویی رمزگذاری می‌شوند که می‌توانند 0 یا 1 را نشان دهند. این در حالی است که رایانه‌های کوانتومی با استفاده از بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند. این کیوبیت‌ها از ویژگی‌های برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی کوانتومی بهره می‌گیرند تا از محدودیت دوتایی فراتر روند. این توانایی ذاتی برای وجود همزمان در چندین حالت، این ماشین‌ها را قادر می‌سازد تا محاسبات موازی را انجام دهند و قدرت محاسباتی را به صورت تصاعدی افزایش دهند.
شکل 1) نمایشی از درهم‌تنیدگی و برهم‌نهی حالت‌های کوانتومی در مقایسه با حالت‌های کلاسیکی. در حالت‌های کلاسیک امکان مشاهده‌ی همزمان هر دو حالت را نداریم. ولی در کوانتوم، اگر اطلاعات یک حالت را داشته باشیم، از وضعیت حالت دیگر نیز مطلع خواهیم شد و همچنین هر دو حالت را به صورت همزمان می‌توانیم داشته باشیم.
شکل 2) تصویری از فوتون‌های فروتبدیل (downconversion) که با استفاده از فیلترهای تداخلی گرفته شده است. عکس از Michael Reck and Paul Kwiat
فوتون‌ها دارای ثبات و همدوسی باورنکردنی هستند که آنها را به یک حامل ایده‌آل برای اطلاعات کوانتومی می‌کند. از طریق دستکاری دقیق این فوتون‌ها، محققان و مهندسان می‌توانند عملیات‌هایی مانند درهم تنیدگی، برهم نهی و دروازه‌های کوانتومی را انجام دهند و محاسبات پیچیده‌ای را که زمانی غیرممکن می‌دانستند، ممکن می‌سازند.
یکی از جذاب ترین جنبه‌های رایانه‌های کوانتومی فوتونیک مقیاس‌پذیری آنهاست. فوتون‌ها را می‌توان به راحتی تولید، منتقل و شناسایی کرد که امکان ساخت سیستم‌های کوانتومی را در مقیاس بزرگ فراهم می کند. علاوه بر این، استفاده از مدارهای فوتونیکی یکپارچه (Integrated Photonic Circuites) امکان دستکاری و مسیریابی کارآمد اطلاعات کوانتومی را فراهم می‌کند و راه را برای پردازشگرهای کوانتومی کاربردی و مقیاس‌پذیر هموار می‌کند. البته باید تاکید کرد که کنترل کردن فوتون‌ها راحت نیست و پیچیدگی‌های زیادی را دارد.
در حالی که هنوز رایانه‌های کوانتومی فوتونیکی در مراحل اولیه توسعه هستند، پیش از این قابلیت‌های خود را در کاربردهای مختلف نشان داده‌اند. از حل مسائل بهینه‌سازی و شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی تا تقویت پروتکل‌های رمزنگاری و ایجاد انقلابی در الگوریتم‌های یادگیری ماشین، تأثیر بالقوه این ماشین‌ها در رشته‌های مختلف گسترده است.
وقتی به دنیای رایانه‌های کوانتومی فوتونیک می‌رویم، خود را در مسیری هیجان‌انگیزی از اکتشافات مختلف می‌یابیم. با هر پیشرفتی، محققان و پیشگامان مرزهای ممکن را پیش می‌برند و ما را به آینده‌ای نزدیک می‌کنند که در آن چیزهای غیرقابل تصور به واقعیت تبدیل می‌شوند. پس کمربندهای ایمنی خود را ببندید و برای سفر به قلمروی جذاب رایانه‌های کوانتومی فوتونیک آماده شوید، جایی که فوتون‌ها کلید باز کردن قفل قدرت خارق‌العاده دنیای کوانتومی را در دست دارند.
