دانلود تحقیق چرا کامپیوتر کوانتومی مطالعه می‌شود؟

در جامع رایج، کامپیوترها،‌ در همه جا، روز و شب به کار می‌روند.

کامپیوترها در زندگی معمولی ما و حرفه‌ ما نقش اصلی را دارند.

اخیراً‌ هنگام به کارگیری کامپیوترهای کنونی، در موقعیتهای مختلف با مشکلاتی مواجه شده‌ایم.

یکی از این مشکلات اطمینان به ارتباط بین کامپیوترها در شبکه می‌باشد.

این مشکل جدی است.

هنگامی که یک مدرک سری بین دو کامپیوتر مبادله می‌شود می‌تواند توسط دسته ‌سومی از کامپیوترها هم خوانده شود.

برای پیشگیری از چنین مشکلاتی سیستم های رمزی مورد توجه قرار گرفت و به صورت وسیع بر روی آن تحقیق شد.

از میان انواع مختلف سیستمهای رمزی، سیستمهای رمزی کلید عمومی RSA بیشتر استفاده شد.

این سیستمها بر اساس عامل مشترک یک عدد صحیح بزرگ عمل می‌کنند که به سختی انجام می‌شود و یا ممکن است حتی با ابرکامپیوترهای رایج هم سالها طول بکشد،‌ تا حل شود.

طرح رمزی کنونی به وسیله ‌ تمرکز بر یک نقطه کم توان کامپیوتر انجام می‌شود.

از آنجایی که ساختن این سیستمها ساده است به صورت معمول در ارتباط بین کامپیوترها به کار می‌روند.

هر چند در سال 1994، p-shor در آزمایشگاه «AT, T » کشف کرد که چنین عامل مشترکی ممکن است با یک نمونه کامپیوتر که ماشینی ترینگ کوانتومی خوانده می‌شود و اساس یک کامپیوتر کوانتومی است،‌ بسیار سریع تر محاسبه می‌شود.

این کشف به نوعی به کامپیوتر کوانتومی برجستگی داده است که ممکن است به رمز گشاینده‌ های کامپیوتر فرصت دهد تا با موفقیت،‌ حتی به نفوذ ناپذیرترین سیستمهای طرح رمزی عملاً‌ در زمانی کوتاه یورش برند.

بر خلاف اطلاعات عددی 0 و 1 پردازش کامپیوترهای رایج، کامپیوتر های کوانتومی موقعیت بالای 0 و 1 را پردازش می‌کنند.

(به عنوان مثال 0 در بعضی از درصدها و نیز 1 در بعضی درصدها) بنابراین مورد اخیر با مورد قبلی تفاوت دارد.

دلیل دیگری برای اینکه چرا پیدایش کامپیوترهای کوانتومی پیش بینی شده است وجود دارد و آن این است که حل عامل مشترک اعداد بزرگ با کامپیوترهای کلاسیک بسیار مشکل است.

پس آیا کامپیوترهای سریع می‌توانستند چنین عامل مشترکی را به راحتی حل کنند؟

سرعت بالای کامپیوترها بستگی به سرعت بالای cpu ها دارند و ساختن cpu ها سریعتر هم احتیاج به ترکیب مقیاس بزرگتری از cpu ها دارد که می‌تواند در تراکم بالاتر ترانزیستورهای cpuهای مشابه در نظر گرفته شود.

با این حال، آن ترانزیستورها،‌ هنگام نزدیک نمودن به اندازه اتمها یعنی جایی که با علم مکانیک کوانتومی عمل کردند به محدودیتهای فیزیکی اساسی رسیدند.

Cpu ها برای کامپیوترهای کوانتومی شامل المانهای اصلی مثل الکترونها و فوتونها خواهد بود.

بنابراین الکترونها و فوتونها می‌توانستند بسیار کوچکتر از ترانزیستورهایی باشند که در کامپیوترهای کلاسیک به کار می‌روند.

اندازه ‌ کنترل کننده‌هایی که این المانهای کوچک را کنترل می‌کنند به میزان پیشرفت علم و تکنولوژی بستگی خواهد داشت.

با این حال اکثر دانشمندان و محققان در آزمایشگاههای دانشگاه و مؤ‌سسه‌ها تصدیق نمودند که کارهای عقب مانده بسیاری برای ساختن کامپیوترهای کوانتومی مفید عملی یا تجاری وجود دارد.

کامپیوتر کوانتوم: کامپیوتر کوانتوم طرحی است که کاربرد «ماوراء‌موقعیتهای»‌ کیفیتهای کوانتوم را بررسی می‌کند.

کامپیوترهای کوانتوم کوچک اخیراً‌ ساخته شده و در حال پیشرفت می‌باشند.

پیش بینی می‌شود که با ساخت کامپیوترهای کوانتوم در مقیاس بزرگتر بتوان مسائل معین و ویژه‌ای را سریعتر از کامپیوترهای کلاسیک حل کرد.

کامپیوترهای کوانتوم با کامپیوترهای کلاسیک نظیر برخی «کامپیوترهای کوانتوم نقطه‌ای» , «کامپیوترهایDNA» و «کامپیوترهای ترانزیستوری» تفاوت دارند با وجود آن همه ‌ آنها از عوامل مکانیکی کوانتوم متفاوت با کیفیت ماوراء‌ موقعیتها استفاده می‌کنند.

ساختار کامپیوترهای کوانتوم: در مکانیک کوانتوم،‌ قرار گرفتن یک ذره در دو مکان یا موقعیت در یک زمان معین امکان‌پذیر می‌باشد.

این کاملاً‌ مشابه schrodinger;s cat می‌باشد که در یک زمان هم زنده و هم مرده است.

توانایی قرار داشتن در چند موقعیت مختلف در یک زمان معین را «ماوراء موقعیت» می‌نامند.

یک کامپیوتر کلاسیک دارای حافظه‌ای است که متشکل از «بیتها»‌ می‌باشد.

هر بیت در برگیرنده 1 و 0 است.

طرح توسط کنترل این بیتها محاسبه می‌شود.

یک کامپیوتر کوانتوم شامل یک سری «کیوبیتها» می‌باشد.

هر کیوبیت می‌تواند تنها در برگیرنده یک و یا صفر و یا یک و صفر باشد.

به عبارت دیگر قادر به در برگرفتن یک و صفر بطور همزمان می‌باشد.

محاسبه در کامپیوترهای کوانتوم توسط کیوبیتها انجام می‌شود.

یک کامپیوتر کوانتوم با بکارگیری ذره کوچکی که دارای دو موقعیت هستند عمل می‌کند.

کامپیوترهای کوانتوم ممکن است از اتمهایی ساخته شده باشند که در یک زمان هم تحریک شده و هم تحریک نشده باشند و یا امکان دارد از «فوتون‌های»‌نوری ساخته شده باشند که همزمان در دو مکان مختلف قرار داشته باشند.

ممکن است از پروتونها و نوترونهایی تولید شده باشند که همزمان دارای اسپین «بالا» و «پایین» باشند.

یک مولکول میکروسکوپی قادر به در برگرفتن چندین هزار پروتون و نوترون می‌باشد.

و ممکن است به عنوان کامپیوتر کوانتوم که دارای هزاران کیوبایت می‌باشد به کار رود.

کامپیوترهای کوانتوم کاربردی: David Divincenzo از IBM به نیازهای زیر برای یک کامپیوتر کوانتوم کاربردی توجه کرده است: قابلیت درجه بندی از لحاظ فیزیکی به منظور افزایش تعداد کیوبیتها برای مقادیر اختیاری کیوبیتها را می‌توان در ابتدا قرار داد گیتهای کوانتومی از decoherence سریعتر اند کیوبیتها به سهولت قابل خواندن هستند.

قدرت کامپیوترهای کوانتومی: بدست آوردن و یافتن شمار زیادی از فاکتور پریم بسیار مشکل می‌باشد.

مسأله فاکتورگیری عدد صحیح برای یک کامپیوتر معمولی مشکل به نظر می‌رسد.

یک کامپیوترکوانتوم قادر به حل سریع این مسأله می باشد.

اگر یک عدد شامل n بیت باشد (ارقام n زمانیکه روی سیستم باینری نوشته شوند بسیار طولانی هستند).

بنابراین یک کامپیوتر کوانتوم تنها با 2n کیوبیت قادر به یافتن عامل مشترک می‌باشد.

همچنین می‌تواند به حل مسأله مرتبط به آن که لگاریتم مطلق discretelog نامیده می‌شوند بپردازد.

این توانایی به کامپیوترهای کوانتوم اجازه می‌دهد که بسیاری از سیستمهای رمزی مورد استعمال امروزی را نقض کنند.

بسیاری از کلیدهای نوشته‌های رمزی که شامل اشکال El Gammal,RSA و Diffie- Helman می‌باشند به سرعت باز می‌شوند.

اینها امنیت صفحات web و e-mail و سری و انواع گوناگون اطلاعات را تأمین می‌کنند.

در نتیجه نقض اینها حائز اهمیت است.

تنها راه برای ساختن الگوریتمی شبیه به RSA ،‌ تهیه ‌ کلیدی بزرگتر از بزرگترین کامپیوتر کوانتوم قابل تولید می‌باشد.

به نظر می رسد که ساخت کامپیوترهای قدیمی که با بیتهای بیشتری نسبت به کیوبیتهای موجود در بزرگترین کامپیوتر کوانتوم دارند همیشه امکان پذیر است اگر این حقیقت داشته باشد.

بنابراین الگوریتم های مشابه RSA قابل اعتماد ،‌ ساخته می‌شوند.

اگر یک کامپیوتر کوانتوم بر اساس مولکولهای پروتون و نوترون بود شاید بسیار کوچک می‌نمود، اما قادر به فاکتورگیری اعداد صحیح بود.

یک کامپیوتر کلاسیک که الگوریتمهای معینی را بکار می‌گیرند نیز می‌توانست آن اعداد صحیح را فاکتورگیری کند اما به انجام رسانیدن آن قبل از افول خورشید باید بزرگتر از جهان شناخته شده باشد و ساخت آن مشکل است.

شگفت انگیز نیست،‌ کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برای شبیه سازی مکانیک کوانتومی استفاده شوند.

عمل فاکتورگیری قابل تسریع بود و می‌توانست برای بسیاری از فیزیکدانان کاربردی محسوب شود.

مزیت کامپیوترهای کوانتومی به دلیل وجود سه مسأله شناخته شده‌اند: فاکتورگیری – لگاریتم مطلق و شبیه سازی فیزیکهای کوانتومی و مسأله دیگر این است که کامپیوترهای کوانتوم دارای مزیت ویژه دیگری هستند و آن جستجوی اطلاعات کوانتوم می‌باشد که توسط الگوریتم گراور قابل حل است.

فرض کنید مسأله‌ای نظیر پیدا کردن اسم رمزی که بتوان یک فایل را باز کرد وجود دارد.

این مسأله دارای این چهار ویژگی است: تنها راه حل آن حدس زدن پاسخها بطور مکرر و ثبت کردن آنهاست.

n جواب قابل چک کردن وجود دارد ثبت کردن تمامی پاسخهای قابل چک کردن به مدت زمان مشابه‌ای نیازمند است.

راهنمایی وجود ندارد که پاسخ صحیح را نشان دهد.

ایجاد پاسخهای قابل قبول در بعضی دستوارت ویژه به مشکل چک کردن آنها می‌باشد.

برای مسألی با این 4 ویژگی ،‌ بطور میانگین n/2 حدس برای یافتن پاسخ در یک کامپیوتر کلاسیک نیاز است.

مدت زمان لازم برای یک کامپیوتر کوانتومی برای حل این مسأله با جذر متناسب است.

که موجب افزایش سرعت و کاهش زمان حل بعضی مسائل از چندین سال به چندین ثانیه می‌شود.

که برای رمزگشایی رمزهای قرینه‌دار نظیر AES , 3DES قابل استفاده می‌باشد.

اما دفاع در مقابل آن نیز آسان است.

می‌توانید اندازه ‌ کلیدهای رمز را دو برابر کنید.

روشهای پیچیده بسیاری برای ارتباط مطمئن نظیر استفاده از نوشته ‌ رمزی کوانتوم وجود دارند.

زمانیکه کامپیوترهای کوانتوم سرعت بیشتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند هیچ مشکلی عملاً‌ وجود ندارد.

تحقیق ادامه داشته و شاید مسائل دیگری یافت شوند.

کامپیوتر کوانتوم مقدمه ای توسط جاکوب وستا 28 آوریل سال 2000 کامپیوتر کوانتوم چیست؟

کامپیوتر خود را در نظر بگیرید.

کامپیوتر شما اوج پیشرفت تکنولوژی را نشان می‌دهد،‌ که از ایده ‌ اولیه ‌ چارلز (1871-1791) و اختراع اولین کامپیوتر با موتور آلمانی در سال 1941 نشأت می‌گیرد.

هر چند جای تعجب دارد که سرعت بالای کامپیوتر مدرن شما با انواع قدیمی آن که 30 تن وزن داشت و مجهز به 18000 لامپ خلاء و 500 مایل کابل ارتباطی بود،‌تفاوت چشمگیری ندارد.

کامپیوتر شما اوج پیشرفت تکنولوژی را نشان می‌دهد،‌ که از ایده‌ اولیه‌ چارلز (1871-1791) و اختراع اولین کامپیوتر با موتور آلمانی در سال 1941 نشأت می‌گیرد.

کامپیوترها به تدریج فشرده (کوچکتر) می‌شوند و بطور قابل توجهی در اجرای وظایف سریعتر عمل می‌کنند،‌ اما وظایف یکسان است،‌ یعنی: کنترل و تفسیر بیت‌های کد گذاری شده برای کسب نتایج محاسباتی مناسب.

یک بیت واحد اصلی اطلاعات است که معرف صفر یا یک در کامپیوتر دیجیتال شماست.

هر کامپیوتر کلاسیک (قدیمی) از طریق سیستم فیزیکی مرئی آن قابل شناسایی است: مثل دیسک‌های سخت مغناطیس شده و باتری پشتیبان.

بعنوان مثال: یک سند ، ‌کاراکترهای ذخیره شده روی درایو هارد دیسک (دیسک سخت) در یک کامپیوتر کلاسیک می‌باشد.

(طبق آنچه که قبلاً‌ در باره‌ نحوه‌ ذخیره شدن بر اساس ارقام صفر و یک توضیح داده شد).

در اینجا تفاوت اساسی که بین یک کامپیوتر کلاسیک با کامپیوتر کوانتوم وجود دارد این است که : کامپیوتر کلاسیک قوانین فیزیکی معرفی شده را انجام می‌دهد.

اما کامپیوتر کوانتوم وسیله ای است که پدیده فیزیکی مجزایی را به منظوردرک اساس پردازش اطلاعات در وجهی جدید،‌ معرفی می‌کند (نشان می‌دهد).

در یک کامپیوتر کوانتوم واحد اساسی اطلاعات کیویا کیوبیت (q or qubit) است،‌ و ماهیت آن دودویی نیست بلکه چهارتایی است.

این نوع کامپیوتر با این واحد بر اساس قوانین کوانتومی (ذره‌ای،‌کمیتی) کار می‌کند که اساساً‌ با قوانین فیزیک کلاسیک تفاوت دارد.

یک کیوبیت مثل یک بیت در کامپیوتر کلاسیک می‌تواند حالتی از صفر و یک باشد و یا ترکیبی از صفر و یک باشد.

بعبارتی دیگر در یک حالت سوپر یک کیوبیت می‌تواند بصورت صفر،‌ یک یا هر دو (صفر و یک) بعنوان یک ضریب برای تشکیل جمله یا کلمه نشان داده شود.

از آنجا که پدیده‌ها بر اساس قوانین فیزیک کلاسیک و نه مکانیک کوآنتومی ،‌قانون بندی شده‌اند،‌ این نوع کامپیوتر ها (کامپیوترهای کوآنتوم) بیشتر در سطح اتمی مطرح می‌شوند.

این مفهوم نسبی احتمالاً‌از طریق یک آزمایش بهتر توضیح داده می‌شود.

تصویر a را در نظر بگیرید،‌ در این تصویر یک فوتون از یک منبع نور به یک آینه‌نیم نقره تابیده می‌شود.

شکل (a) این آینه نیمی از نور را بطور عمودی به دریافت کننده‌ ردیاب A و نیمی دیگر را بطور افقی به B می‌تاباند در واقع ،‌ یک فوتون یک دسته‌ مجزای نور است که به تنهایی دیده نمی‌شود و باید از طریق A و B بطور مساوی رؤیت شود.

تصور کلی بر این است که فوتون به طور تصادفی بر سطح آینه افقی و عمودی منعکس می‌شود.

در صورتیکه علم مکانیک پیش بینی می‌کند که فوتون در واقع هر دو مسیر عمودی و افقی را بطور همزمان می‌پیماید.

این موضوع در شکل b بیشتر روشن می‌گردد.

شکل (b) در آزمایش‌هایی مشابه آزمایش انجام شده در تصویر a وقتی یک فوتون به آینه تابیده می‌شود،‌ می‌توان نشان داد که یک فوتون واقعاً‌ در جهات مختلف منتشر نمی‌شود و حتی اگر دریافت کننده علامتی ثبت کند (نشان دهد).

و هیچ دریافت کننده‌ دیگری هم قادر نیست این عمل را انجام دهد،‌ با توجه به این اطلاعات محدود،‌ ممکن است کسی اینگونه تصور کند که هر فوتون که عمودی یا افقی منتشر می‌شود یکی از این دو مسیر را بطور تصادفی انتخاب می‌کند اما علم مکانیک کوآنتوم می‌گوید: فوتون در دو جهت بطور همزمان منعکس می‌شود.

این موضوع بنام «دخالت ذره» معروف شده است که در تصویر b بیشتر توضیح داده می‌شود.

در این آزمایش فوتون ابتدا به یک آینه نیم نقره،‌ سپس به یک آینه‌ تمام نقره و در نهایت به یک آینه نیم نقره‌ دیگر ،‌تابیده می‌شود،‌بیش از اینکه به دریافت کنندهA برسد.

می‌دانیم که هر آینه‌نیم نقره فوتون را در دو جهت منعکس می‌کند.

وقتی فوتون به اولین آینه میرسد مانند آنچه در تصویر a مشاهده نمودید یعنی طبق فرضیه ممکن است به دریافت کننده‌ A یا Bبرسد.

اما تجربه نشان می‌دهدکه دریافت کننده‌A کاملاً‌ نور را ثبت می‌کند در حالیکه در دریافت کننده B هرگز چنین اتفاقی نمی‌افتد این امر چگونه امکان پذیر خواهد بود؟

شکل b نمایانگر آزمایش جالبی است که پدیده «دخالت ذره مجزا» را نشان می‌دهد.

در این