نوآوری در نرم افزارها و معماری های سطح بالاتر، به عنوان مثال، در قالب یادگیری ماشین و محاسبات توزیع شده/موازی، ابزارهایی را برای غلبه بر برخی از محدودیت های محاسباتی برای حل مسائل سخت تر فراهم کرده است. اما برخلاف این راه‌حل‌ها، کامپیوتر کوانتومی دستاوردهای محاسباتی را از پایه فراهم می‌کند. این پتانسیل را دارد که موج بعدی نوآوری در محاسبات را برای حل مشکلات حل نشدنی به وجود آورد. سود محاسباتی از محاسبات کوانتومی، مرتبه‌ای سریعتر از آنچه توسط قانون مور پیش‌بینی می‌شود، خواهد بود. از آنجایی که افزایش سرعت در لایه پایه اتفاق می‌افتد، می‌توان آن را با نوآوری‌های سطح بالاتر مانند یادگیری ماشین به عنوان یادگیری ماشین کوانتومی (به عنوان مثال Google Quantum AI) ترکیب کرد و به‌عنوان سرویس ابری مدیریت‌شده (مانند Amazon Braket Quantum Computers) کالایی کرد و ارائه کرد.
خواص کوانتومی
دو ویژگی اساسی برای محاسبات کوانتومی عبارتند از:
برهم نهی
در هم تنیدگی
قبل از اینکه به آنها بپردازیم، درک مفهوم کیوبیت مهم است.
واحد اطلاعات در محاسبات کلاسیک، ذخیره سازی و ارتباطات یک بیت است که به صورت اعداد باینری 0 یا 1 نشان داده می شود. آنها نمایش عددی بارهای کم و زیاد (ولتاژ) در
سطح سخت افزار (ترانزیستورهای سیلیکونی). وضعیت واحد سخت افزار همیشه یا 0 (ولتاژ پایین) یا 1 (ولتاژ بالا) است. چیزها در سطح کوانتومی چندان گسسته نیستند. تا زمانی که یک ذره زیر اتمی مشاهده شود (اندازه گیری شود)، در حالت 0 و 1 است، یعنی یک الکترون می تواند به سمت بالا یا پایین بچرخد. این واحد اطلاعات یا حالت در سیستم های کوانتومی به عنوان کیوبیت شناخته می شود.
الف) برهم نهی
این پدیده 0 و 1 بودن همزمان در سیستم های کوانتومی برهم نهی نامیده می شود. برهم نهی تمام حالت های ممکن بیت های کوانتومی (کیوبیت) را نشان می دهد. برهم نهی حالت های مختلف در حین اندازه گیری به حالت خاصی فرو می ریزد. این در آزمایش فکری گربه شرودینگر نشان داده شد، جایی که یک گربه در داخل یک جعبه مهر و موم شده همراه با یک منبع رادیواکتیو هم زنده و هم مرده در نظر گرفته می شود تا زمانی که فرد داخل جعبه را مشاهده کند.
ب) درهم تنیدگی
این پدیده ای است که در آن 2 یا چند ذره زیر اتمی با وجود فاصله بین آنها، ویژگی های حالت یکسانی دارند (مثلاً 0 یا 1). هیچ کس نمی تواند توضیح دهد که چرا و چگونه این اتفاق می افتد. اگر ارتباطی بین ذرات زیر اتمی وجود داشت تا این اتفاق بیفتد، سیگنال باید سریعتر از سرعت نور حرکت کند، که طبق نظریه نسبیت اینشتین امکان پذیر نیست. انیشتین از درهم تنیدگی به عنوان “عمل شبح آور در فاصله” یاد کرد.
کوانتومی در مقابل کامپیوترهای کلاسیک
کامپیوترهای کوانتومی دارای کیوبیت‌های متعدد در حالت‌های درهم تنیده هستند و همه ترکیب‌های ممکن کیوبیت‌ها را همزمان انجام می‌دهند. آنها برای حل مشکلات خاص به حالت مطلوب فرو می روند. از آنجایی که یک کیوبیت می تواند همزمان در حالت 0 یا 1 باشد، یک کامپیوتر کوانتومی n-qubit می تواند 2ⁿ حالت را همزمان پردازش کند. کامپیوترهای کلاسیک نیاز به دو برابر کردن تعداد بیت ها (حافظه) یا سرعت پردازش دارند تا سرعت آنها دو برابر شود. در کامپیوتر کوانتومی، فقط با افزودن یک بیت کوانتومی دیگر (یعنی کیوبیت) سرعت را دو برابر می کنیم. بنابراین، می‌تواند نسبت به رایانه‌های کلاسیک که یک حالت را در یک زمان پردازش می‌کنند، سرعت تصاعدی به دست آورد. از نظر تئوری، همانطور که در جدول 2 نشان داده شده است، یک کامپیوتر کوانتومی 28 کیوبیتی معادل بیش از 268 میلیون بیت (228) کامپیوتر کلاسیک مبتنی بر سیلیکون خواهد بود.
برتری کوانتومی هدف اعلام شده زمانی است که کامپیوترهای کوانتومی بتوانند مشکلی را حل کنند که هیچ کامپیوتر کلاسیکی قادر به حل آن در مدت زمان معقول نیست. در اکتبر 2019، گوگل ادعا کرد که با 54 کیوبیت به برتری کوانتومی دست یافته اند.
جدول 2: مقایسه کامپیوترهای کلاسیک با کامپیوترهای کوانتومی بر اساس اندازه بیت/کیوبیت
