اینترنت

الگوریتم کوانتومی چیست؟

تئوری محاسبات از گذشته تقریبا به طور مطلق به عنوان شاخه‌ای از ریاضیات محض مطالعه می شده است. اما این روندی اشتباه است. کامپیوترها (رایانه ها) اشیایی فیزیکی، و محاسبات فرآيندهایی فیزیکی هستند. آنچه که کامپیوترها توانایی محاسبه‌اش را دارند یا ندارند تنها به قوانین فیزیک مربوط می‌شود، نه به ریاضی محض.
علوم کامپیوتر متفاوت از دیگر دانش‌ها خواهد بود چرا که علوم کامپیوتر با قوانینی سر و کار دارد که می‌توان اثباتشان کرد، نه با قوانین طبیعی که هرگز نمی‌توان شناختی قطعی از آنها به دست آورد.
در این مقاله محاسبات کوانتومی را با جزئیات بررسی می‌کنیم و به توضیح اجزای‌ سازنده‌ی مدارات کوانتومی و ایجاد زبانی فراگیر برای توصیف محاسبات پیچیده‌ی کوانتومی می‌پردازیم. دو الگوریتم بنیادی کوانتومی که تا به حال شناخته شده‌اند از طریق این مدارات به دست می‌آید. 
دو ایده‌ی اصلی در این مقاله ارائه و آموزش داده می شود. نخست، با جزئیات مدل بنیادی محاسبات کوانتومی یعنی مدل مدار کوانتومی را بررسی می‌کنیم. دوم، نشان می‌دهیم که گروه کوچکی از گیت‌ها (درگاه‌ها) وجود دارند که عمومی‌اند، بدین معنا که تمامی کارهای انجام شده در زمینه‌ی محاسبات کوانتومی را می‌توان با استفاده از این گیت ها توضیح داد. در این بین همچنین فرصت داریم تا بسیاری از نتایج بنیادی دیگر در خصوص محاسبات کوانتومی را توصیف کنیم.
در این مقاله مروری بر الگوریتم کوانتومی با تمرکز بر الگوریتمهایی که می‌شناسیم و متحد کردن اسلوب‌هایی که ساختار آنها را تشکیل مي‌دهد، آغاز می‌کنیم.و در ادامه به مطالعه‌ای از عملگرهای تک-کیوبیت می پردازیم. برخلاف سادگی‌شان، عملگرهای تک-کیوبیت دامنه‌ای وسیع برای ساخت مثال‌ها و اسلوب‌ها ارائه می‌دهند،‌ و ضروری است که آنها را با جزئیات بشناسیم. و  نشان مي‌دهیم که چگونه عملگرهای یکانی کنترل‌شده‌ی چند-کیوبیت اجرا می‌شوند، توضیحاتی در خصوص اندازه‌گیری در مدل مدارات کوانتومی بحث می‌کنیم. 

الگوریتم‌ کوانتومی چیست؟

فایده‌ی یک کامپیوتر کوانتومی چیست؟ همه ما با این مسأله روبه‌رو شده‌ایم که کمبود منابع کامپیوتری در مواردی منجر به ناتوانی در حل یک مسأله‌ی محاسباتی شده است. وقتی از نظر عملی صحبت می‌کنیم، بسیاری از مسائل جذاب با یک کامپیوتر معمولی قابل حل نیستند، نه به این خاطر که آن مسائل حل ناشدنی‌اند بلکه به این دلیل که برای حل موارد واقع‌گرایانه‌ي موجود در این مسائل به منابعی نجومی و در تعدادهای بسیار زیاد نیازمندیم.
نوید پرشکوه محاسبات کوانتومی، فعال‌سازی الگوریتم‌هایی است که در مسائلی استفاده می‌شوند که قابل حل‌اند اما برای حل از طریق کامپیوترهای معمولی نیاز به منابع زیاد (و گاه ناموجود) دارند. در زمان نوشتن این مقاله، دو دسته‌ی (کلاس- طبقه) گسترده از الگوریتم‌های کوانتومی شناخته شده‌اند که برای تحقق بخشیدن به این نوید می‌توان از آنها استفاده کرد.
 
اولین دسته‌ی الگوریتم‌ ها براساس تبدیل فوریه‌کوانتومی هستند و شامل الگوریتم‌هایی قابل توجه برای حل مسائل فاکتورگیری (یافتن عامل اول) و مسائل لگاریتمی گسسته می‌شوند. این دسته در مقایسه با الگوریتم های کلاسیک، رشدی ناگهانی و تصاعدی را در سرعت‌دهی به حل چنین مسائلی به وجود آورده است. دومین دسته‌ی الگوریتم‌ها بر اساس الگوریتم گروور برای اجرای جستجوی کوانتومی است. این الگوریتم‌ها رشدی کمتر قابل توجه (نسبت به دسته‌ي اول) دارند اما با اینحال سرعت حل مسائل از طریق آنها در مقایسه با الگوریتمهای کلاسیک بسیار چشمگیر و برابر با توان دوم سرعت آنهاست.
 
الگوریتم جستجوگر کوانتومی اهمیت خود را از استفاده‌ی گسترده از روش‌های جستجومحور در الگوریتم‌های کلاسیک به دست می‌آورد که در بسیاری از موارد انطباقی مستقیم از الگوریتم‌های کلاسیک برای ایجاد الگوریتم کوانتومی سریع‌تری را ممکن می‌سازد.
تصویر زیر شمایی از دانش ما در مورد الگوریتم‌هایی کوانتومی و همچنین مثال‌هایی از کاربرد این الگوریتمها را تا لحظه‌ی نوشته‌ شدن این مطلب نشان می‌دهد. به طور طبیعی، در مرکز این نمودار تبدیل فوریه‌ی کوانتومی و الگوریتم جستجوگر کوانتومی است. توجه ویژه در این تصویر الگوریتم شمارش کوانتومی است. این الگوریتم ترکیبی هوشمندانه از جستجوگر کوانتومی و الگوریتم‌های تبدیل کوانتومی است، که از آن می‌توان در تخمین تعداد روش‌های یک مسأله‌ی جستجو شده در مدت زمانی بسیار کمتر در مقایسه با یک کامپیوتر کلاسیک، استفاده کرد. 
 
الگوریتم جستجوگر کوانتومی کاربردهای بالقوه‌ی فراوانی دارد، که فقط چندتای آنها نشان داده شده‌اند. از این الگوریتم می‌توان در پیدا کردن مقادیر آماری مورد نظر، مانند پیدا کردن کمترین عضو در یک گروه داده‌ای نامنظم، به روشی بسیار سریع تر از یک کامپیوتر کلاسیک، استفاده کرد. همچنین در سرعت‌دهی به الگوریتم‌هایی برای حل مسائل ان‌پی-کامل (به خصوص مسائلی که راه‌حل آنها جستجویی مستقیم برای یافتن راه‌حل در بهترین الگوریتم شناخته شده است) استفاده کرد. در نهایت، می‌توان در سرعت‌دهی جستجو برای کلیدهای سیستم‌های رمزنگاری مانند «استاندارد رمزنگاری داده‌ها» (DES) که بیشترین کاربرد را دارد، استفاده کرد.
 
تبدیل فوریه‌ی کوانتومی نیز کاربردهای فراوانی دارد. از آن می‌توان در حل کردن لگاریتم گسسته و فاکتورگیری مسائل استفاده کرد. این نتایج، به نوبه‌ی خود، باعث می‌شوند تا با استفاده از محاسبات کوانتومی رایج‌ترین سیستم‌های رمزنگاری، مانند سیستم رمزنگاری RSA شکسته شوند. تبدیل فوریه‌ی کوانتومی همچنین در رابطه‌ای پیوسته با یک مسأله‌ی مهم در ریاضیات است: پیدا کردن یک زیرگروه مخفی (تعمیم پیداکردن تناوب یک تابع تناوبی). تبدیل فوریه‌ی کوانتومی و کاربردهای بسیار آن شامل الگوریتم‌های کوانتومی برای فاکتورگیری و لگاریتم گسسته، می شود.
 

چرا تعداد کمی الگوریتم کوانتومی وجود دارد در حالی که آنها از همتایان کلاسیک خود بسیار بهتر هستند؟

جواب این است که پیدا کردن یک الگوریتم کوانتومی خوب، مشکلی جدی است. دست کم دو دلیل برای این مسأله وجود دارد. نخست، طراحی الگوریتم، چه در شکل کلاسیک یا کوانتومی آن، حرفه‌ی آسانی نیست! تاریخچه‌ی الگوریتم به ما نشان می‌دهد که اغلب برای طراحی الگوریتمی که تقریبا بشود آن را قابل قبول دانست ذکاوتی قابل توجه نیاز است. این مسأله حتی برای الگوریتم‌های به ظاهر ساده همچون الگوریتم ضرب دو عدد نیز صادق است. پیدا کردن یک الگوریتم کوانتومی خوب مشکل را دو چندان می‌کند چرا که الگوریتم‌های کوانتومی‌ای که قرار است طراحی شوند باید از بهترین نمونه‌ّهای کلاسیک خود چندین برابر بهتر باشند.
 
دلیل دوم برای دشواری یافتن الگوریتم کوانتومی خوب این است که ما جهان را به میزان زیادی به صورت کلاسیک آن درک می‌کنیم نه به شکل کوانتومی آن. اگر بخواهیم با درک ذاتی خود به مشکلات نگاه کنیم، آنگاه الگوریتم‌هایی که طراحی می‌کنیم نیز کلاسیک خواهند بود. بینشی خاص و روش‌هایی خاص نیاز است تا بتوانیم الگوریتم‌های کوانتومی خوبی را به جهان ارائه کنیم.
بررسی‌های بیشتر الگوریتم کوانتومی را فعلا کنار می‌گذاریم و زبانی قدرتمند و مفید برای توصیف الگوریتم‌های کوانتومی ارائه می‌کنیم: زبان مدارات کوانتومی، اسمبل کردن (سر هم کردن) مجموعه‌های گسسته‌ای از اجزا که با عنوان فرآیند محاسباتی توصیف می‌شود. این ساختار ما را قادر می‌سازد تا هزینه‌ی یک الگوریتم را تسویر کنیم (شمارنمایی کنیم) به این معنا که چیزهایی مانند شماره‌ي کل درگاه‌های (گیت) مورد نیاز یا عمق یک مدار را به دست آوریم. زبان مدار با جعبه‌ابزاری از روش‌هایی همراه است که طراحی الگوریتم را ساده می‌کند و فهم انتزاعی ساده‌ای را به ما ارائه می‌کند.در ادامه مقاله در پست های آینده به مقوله عملگرهای تک کیوبیت می پردازیم.

- نظرات

برای ارسال نظر، لطفا وارد حساب خود شوید یا ثبت نام نمایید.


ﮔﻮﮔﻞ ﭼﮕﻮﻧﻪ ﮐﺎر ﻣﯽ ﮐﻨﺪ و ﻧﺘﯿﺠﻪ ﻓﻌﺎﻟﯿﺘﻬﺎي آن ﭼﯿﺴﺖ؟

مقاله کاربردی درباره سئو و موتور جستجو بخش اول

ﮔﻮﮔﻞ ﭼﮕﻮﻧﻪ ﮐﺎر ﻣﯽ ﮐﻨﺪ و ﻧﺘﯿﺠﻪ ﻓﻌﺎﻟﯿﺘﻬﺎي آن ﭼﯿﺴﺖ؟

 بهینه سازی طراحی هر سیستم می تواند به عنوان ترکیبی از طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم در نظر گرفته شود .

بهینه سازی طراحی سیستم

بهینه سازی طراحی هر سیستم می تواند به عنوان ترکیبی از طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم در نظر گرفته شود ...

بیماری های قلبی عامل اول مرگ و میر در سطح جهان است.

شبکه ی عصبی ژنتیکی بر اساس داده کاوی در پیش بینی بیماری های قلبی بوسیله ی عوامل خطر

بیماری های قلبی عامل اول مرگ و میر در سطح جهان است.

الگوریتم ژنتیک (GA) یک تکنیک بهینه‌سازی مبتنی بر جستجو است

الگوریتم‌ ژنتیک چیست؟

الگوریتم ژنتیک (GA) یک تکنیک بهینه‌سازی مبتنی بر جستجو است

برای کسی که قصد هک اکانت شما را دارد دستیابی به PII چگونه آسان می شود؟

100 حدس، برای شکستن پسوردتان کافی است

برای کسی که قصد هک اکانت شما را دارد دستیابی به PII چگونه آسان می شود؟

تلگرام به عنوان تنها برنامه ای که می تواند با واتس اپ، این سالار جهانی در پیام رسانی در گوشی های هوشمند، رقابت کند شناخته شده است.

بهترین نکات کاربردی تلگرام

تلگرام به عنوان تنها برنامه ای که می تواند با واتس اپ، این سالار جهانی در پیام رسانی در گوشی های هوش...

در این مقاله آموزش نرم افزار به بررسی، توضیح وکاربرد سربرگ Layout  پرداخته ...

آموزش نرم افزار ورد صفحه آرایی بخش اول

در این مقاله آموزش نرم افزار به بررسی، توضیح وکاربرد سربرگ Layout پرداخته ...

اپلیکیشن اسنپ فعلا روی برنامه های iOS و اندروید نصب و اجرا می شود

آموزش استفاده از اپلیکیشن اسنپ

اپلیکیشن اسنپ فعلا روی برنامه های iOS و اندروید نصب و اجرا می شود

نرم افزار ورد در زمینه نوشتن و ویرایش متن یکی از بهترین و پرطرفدارترین ....

آموزش نرم افزار ورد (Word) معرفی ابزار های سربرگ Design

نرم افزار ورد در زمینه نوشتن و ویرایش متن یکی از بهترین و پرطرفدارترین ....

آموزش نرم افزار ورد ، ابزار های سربرگ INSERT

آموزش نرم افزار ورد Word ، ابزار های سربرگ INSERT

آموزش نرم افزار ورد ، ابزار های سربرگ INSERT

آموزش ابزار های سربرگ HOME در نرم افزار ورد Word  و کاربرد هر یک از آنها

آموزش نرم افزار ورد Word معرفی ابزار های سربرگ HOME

آموزش ابزار های سربرگ HOME در نرم افزار ورد Word  و کاربرد هر یک از آنها

 میانبر (shortcut) ها در فتوشاپ باعث سرعت  بالا در کار شما می شود

آموزش میانبر (shortcut) در فتوشاپ

 میانبر (shortcut) ها در فتوشاپ باعث سرعت  بالا در کار شما می شود

میانبر (shortcut) ها در فتوشاپ سرعت کار را بالابرده و زمان را برای شما ذخیره

آموزش میانبر (shortcut) در فتوشاپ بخش دوم

میانبر (shortcut) ها در فتوشاپ سرعت کار را بالابرده و زمان را برای شما ذخیره

گیمیفیکیشن روند جالب دیگری ناشی از استفاده فراگیر از اینترنت، رسانه های اجتماعی

تحول آموزش و پرورش در عصر دیجیتال

گیمیفیکیشن روند جالب دیگری ناشی از استفاده فراگیر از اینترنت، رسانه های اجتماعی

انجمن British Council (برگزارکننده آزمون های آیلتس در دنیا)

اپلیکیشن LearnEnglish Kids یک برنامه آموزش زبان فوق العاده برای کودکان 6 تا 11 سال

انجمن British Council (برگزارکننده آزمون های آیلتس در دنیا)