اطلاعات کوانتومی/اصول گزیده‌ی کامپیوترهای کوانتومی/بخش پنجم
| بخش چهارم | بخش پنجم | بخش ششم |
کامپیوتر تنها بخشی از دنیایی است که ما آنرا دنیای دیجیتالی می‌نامیم. پردازش ماشینی اطلاعات، در هر شکلی، بر مبنای دیجیتال و محاسبات کلاسیک انجام می‌شود. اما کمتر از یک دهه است که روش بهتر و قدرتمندتر دیگری برای پردازش اطلاعات پیش رویمان قرار گرفته که بر اساس مکانیک کوانتومی می‌باشد. این روش جدید با ویژگیهایی همراه است که آنرا از محاسبات کلاسیک بسیار متمایز می‌سازد. گرچه محاسبات دانشی است که اساس تولد آن در ریاضیات بود، اما کامپیوترها سیستم‌هایی فیزیکی هستند و فیزیک در آینده این دانش نقش تعیین کننده‌ای خواهد داشت.
البته وجود تفاوت بین این دو به معنای حذف یکی و جایگزینی دیگری نیست. به قول «نیلس بور» گاهی ممکن است خلاف یک حقیقت انکار ناپذیر منجر به حقیقت انکار ناپذیر دیگری شود؛ بنابراین محاسبات کوانتومی را به عنوان یک زمینه و روش جدید و بسیار کارآمد مطرح می‌کنیم. وجود چند پدیده مهم که مختص فیزیک کوانتومی است، آنرا از دنیای کلاسیک جدا می‌سازد. این پدید ه‌ها عبارتند از: برهم نهی(superposition)، تداخل (interference)، Entanglement، عدم موجبیت (non determinism)، نا جایگزیدگی (non locality) و تکثیر ناپذیری (non clonability). برای بررسی اثرات این پدیده‌ها در این روش جدید، لازم است که ابتدا واحد اطلاعات کوانتومی را معرفی کنیم.
هر سیستم محاسباتی دارای یک پایه اطلاعاتی است که نماینده کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش، چه پردازش شده و چه خام است. در محاسبات کلاسیک این واحد ساختاری را بیت می‌نامیم که گزیده واژه «عدد دودویی» است زیرا می‌تواند تنها یکی از دو رقم مجاز صفر و یک را در خود نگه دارد. به عبارت دیگر هر یک از ارقام یاد شده در محاسبات کلاسیک، کوچکترین میزان اطلاعات قابل نمایش محسوب می‌شوند. پس سیستم‌هایی هم که برای این مدل وجود دارند باید بتوانند به نوعی این مفهوم را عرضه کنند. در محاسبات کوانتومی هم چنین پایه‌ای معرفی می‌شود که آنرا کیوبیت (qubit) یا بیت کوانتومی می‌نامیم. اما این تعریف کیوبیت نیست و باید آنرا همراه با مفهوم و نمونه‌های واقعی و فیزیکی درک کرد. در ضمن فراموش نمی‌کنیم که کیوبیت‌ها سیستم‌هایی فیزیکی هستند، نه مفاهیمی انتزاعی و اگر از ریاضیات هم برای توصیف آنها کمک می‌گیریم تنها بدلیل ماهیت کوانتومی آنها است.
در فیزیک کلاسیک برای نگه داری یک بیت از حالت یک سیستم فیزیکی استفاده می‌شود. در سیستم‌های کلاسیکی اولیه ( کامپیوترهای مکانیکی) از موقعیت مکانی دندانه‌های چند چرخ دنده برای نمایش اطلاعات استفاده می‌شد. از زمانیکه حساب دودویی برای محاسبات پیشنهاد شد، سیستم‌های دو حالتی انتخابهای ممکن برای محاسبات عملی شدند. به این معنی که تنها کافی بود تا سیستمی دو حالت یا دو پیکربندی مشخص، متمایز و بدون تغییر داشته باشد تا بتوان از آن برای این منظور استفاده کرد. به همین جهت، از بین تمام کاندیداها، سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی برای این کار انتخاب شدند. به این شکل، هر بیت، یک مدار الکتریکی است که یا در آن جریان وجود دارد یا ندارد.
بر اساس اصل برهم نهی، هر سیستم کوانتومی که بیش از یک حالت قابل دسترس دارد، می‌تواند به طور همزمان در یک ترکیب خاص از آن حالت‌ها هم قرار داشته باشد. در اصطلاح می گوئیم که سیستم کوانتومی علاوه بر حالت‌های ناب یک یا چند حالت آمیخته یا برهم نهیده (blend or superposed) نیز دارد. پس اگر یک ساختار حافظه‌ای n کیوبیتی داشته باشیم، طبق این اصل، این تعداد می‌توانند در پیکربندی متمایز وجود داشته باشند. به این ترتیب یک کامپیوتر کوانتومی این امکان را می‌یابد که مانند یک کامپیوتر موازی کلاسیک بسیار پر قدرت عمل کند که در یک لحظه روی چندین مسیر اطلاعاتی پردازش می‌کند. البته مشاهده و متمایز کردن تک تک این محاسبه گرهای کوانتومی غیر ممکن است. چون کامپیوتر کوانتومی با تعداد بسیار زیادی مسیر محاسباتی کار می‌کند، می‌توان کاری کرد که این محاسبات با هم تداخل یا برهم تأثیر هم داشته باشند. به عبارتی، محاسباتی که به طور موازی با هم انجام می‌شوند طبق اصل تداخل می‌توانند اثر هم را تقویت یا تضعیف کنند.
در نتیجه محاسبه‌ای شبکه‌ای بوجود می‌آید که نوعی خاصیت جمعی از تمام محاسبات را نشان می‌دهد. خاصیت بسیار شگفت انگیز در مکانیک کوانتومی خاصیت در هم تافتگی است. اگر دو یا چند کیوبیت را در برهم کنش با هم قرار دهیم، می‌توانند برای مدتی در یک حالت کوانتومی مشترک قرار بگیرند به طوریکه نتوان آن حالت را به شکل حاصلضربی از حالت‌های جدا از هم اولیه نشان داد. حالت این واحدهای اطلاعاتی را گنگ یا نادقیق (fuzzy) می‌نامیم. یک نتیجه مهم entanglement این است که یک جفت کیوبیت در هم پیچیده روی یکدیگر تأثیر همزمانی را می‌گذارند که به فاصله آنها از یکدیگر و ماده‌ای که این فاصله را پر می‌کند بستگی ندارد. یک جفت در هم تافته با هم مخلوط نمی‌شوند بلکه تنها به طور کوانتومی با هم برهم کنش می‌کنند.