محاسبه کوانتومی نوعی محاسبه است که ویژگیهای جمعی حالتهای کوانتومی مانند برهم نهی، تداخل و درهم تنیدگی را برای انجام محاسبات به کار می گیرد. دستگاههایی که محاسبات کوانتومی را انجام می دهند به عنوان رایانه های کوانتومی شناخته می شوند.
رایانه کوانتومی به انگلیسی: (Quantum computer) ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای رایانش استفاده می‌کند.
رایانه‌های کوانتومی با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس رایانه‌های کوانتومی نهفته است این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد.
همان‌طور که می‌دانید یک بیت کلاسیک در هر لحظه تنها می‌تواند یکی از دو مقدار ۰ و ۱ را داشته باشد؛ اما یک کیوبیت در هر لحظه هم می‌تواند ۰ باشد و هم ۱ یا حتی هر چیزی دیگری بین ۰ و ۱ ! در واقع یک کیوبیت در حالت ( برهمنهی( (Superposition) از حالتهای پایه ۰ و ۱ است. برای مشخص شدن حالت کیوبیت باید آن را اندازه‌گیری کرد، در این صورت حالت برهمنهی فرو ریخته و کیوبیت با یک احتمالی در 0 و یا ۱ ظاهر می‌شود.
اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی برتری خود را نسبت به کامپیوترهای کلاسیک بیشتر می کنند. در شرایطی که تعداد زیادی ترکیب احتمالی وجود دارد، کامپیوترهای کوانتومی می توانند آنها را همزمان در نظر بگیرند.
کامپیوترهای معمولی با ترانزیستور کار می کنند، حال فرض کنید که ما همچنان بتوانیم ابعاد ترانزیستورها را کوچک و کوچکتر کنیم تا قانون مور پابرجا بماند. این ترانزیستورهای کوچک دیگر همانند ترانزیستورهای قدیمی مطابق قوانین فیزیک کلاسیک کار نکرده و از قوانین پیچیده‌تر فیزیک کوانتومی پیروی می‌کند. سوال مهمی که در اینجا پیش می‌آید، این است که آیا تراشه‌های ساخته شده با این ترانزیستورهای به اصطلاح کوانتومی می‌توانند کارهای رایج مارا انجام دهند؟! محاسبات ریاضی روی کاغذ به این سوال پاسخ مثبت می‌دهد.
در حال حاضر، کامپیوترهای کوانتومی بسیار حساس هستند: گرما، میدانهای الکترومغناطیسی و برخورد با مولکولهای هوا می تواند باعث شود کیوبیت خواص کوانتومی خود را از دست بدهد. این فرایند، که به انعطاف پذیری کوانتومی معروف است، باعث خرابی سیستم می شود و هرچه ذرات بیشتری درگیر شوند، سریعتر اتفاق می افتد.
انواع مختلفی از رایانه های کوانتومی (همچنین به عنوان سیستم های محاسبه کوانتومی شناخته می شوند) وجود دارد، از جمله مدل مدار کوانتومی، ماشین کوانتومی تورینگ، کامپیوتر کوانتومی آدیاباتیک، کامپیوتر کوانتومی یک طرفه و اتومات های سلولی کوانتومی مختلف. پرکاربردترین مدل، مدار کوانتومی است که بر اساس بیت کوانتومی یا “کیوبیت” ساخته شده است که در محاسبات کلاسیک تا حدودی مشابه بیت است. کیوبیت می تواند در حالت کوانتومی 1 یا 0 یا در روی هم قرار دادن حالتهای 1 و 0 باشد. با این حال، هنگامی که اندازه گیری می شود، همیشه 0 یا 1 است. احتمال هر یک از نتایج بستگی به حالت کوانتومی کیوبیت بلافاصله قبل از اندازه گیری دارد.
همچنین شرکت ها می توانند بدون نیاز به ساخت کامپیوتر کوانتومی به فناوری کوانتومی دسترسی پیدا کنند. IBM در نظر دارد تا سال 2023 یک کامپیوتر کوانتومی با ظرفیت 1000 quib داشته باشد. در حال حاضر، IBM اجازه دسترسی به ماشین های خود را در صورتی که بخشی از شبکه کوانتومی آن باشند، می دهد. آنهایی که بخشی از شبکه هستند شامل سازمانهای تحقیقاتی، دانشگاهها و آزمایشگاهها می شوند.
یک کامپیوتر کوانتومی چندین برابر سریعتر از یک کامپیوتر کلاسیک و حتی یک ابر رایانه است. گفته می شود رایانه کوانتومی گوگل، Sycamore، محاسبه ای را در 200 ثانیه انجام داده است که حل یکی از سریعترین رایانه های جهان، IBM’s Summit ، 10 هزار سال طول می کشد.
رایانه های کوانتومی چشم انداز امنیت داده ها را تغییر خواهند داد. با وجود اینکه رایانه های کوانتومی قادر خواهند بود بسیاری از تکنیک های رمزنگاری امروزی را خراب کنند، پیش بینی ها این است که آنها جایگزینی ضد هک ایجاد می کنند.
رایانه های کلاسیک در برخی از کارها از رایانه های کوانتومی (ایمیل، صفحات گسترده و نشر رومیزی) بهتر عمل می کنند. هدف رایانه های کوانتومی این است که یک ابزار متفاوت برای حل مشکلات مختلف باشد، نه جایگزین رایانه های کلاسیک.
به جای استفاده بیشتر از برق، رایانه های کوانتومی مصرف برق را از 100 تا 1000 بار کاهش می دهند زیرا رایانه های کوانتومی از تونل زنی کوانتومی استفاده می کنند. علاوه براین کامپیوترهای کوانتومی بسیار شکننده هستند. هر نوع ارتعاشی بر اتم ها تأثیر می گذارد و باعث ایجاد انسداد می شود.
هنگامی که یک کامپیوتر کوانتومی پایدار توسعه می یابد، انتظار داشته باشید که یادگیری ماشین به طور تصاعدی تسریع شود و حتی زمان حل مسئله را از صدها هزار سال به ثانیه کاهش دهد. به یاد دارید زمانی که کامپیوتر Deep Blue IBM قهرمان شطرنج، گری کاسپاروف را در سال 1997 شکست داد؟ این تیم توانست به مزیت رقابتی دست پیدا کند زیرا در هر ثانیه 200 میلیون حرکت احتمالی را مورد بررسی قرار داد. یک ماشین کوانتومی قادر است 1 تریلیون حرکت در ثانیه را محاسبه کند.
در حال حاضر این رایانه‌ها قدرتمند هستند اما قابل اعتماد نیستند. این بدان معنی است که ادعاهای برتری کوانتومی فعلاً واقعی نیستند و همچنان راه برای ادامه دادن دارند. در اکتبر سال 2019، گوگل مقاله‌ای منتشر کرد که نشان می‌داد به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است اما رقبای گوگل همچون آی بی ام این ادعا را به چالش کشیدند. بسیاری از پیشرفت‌های بزرگی که تاکنون حاصل شده، برای حل کردن مسائلی بوده است که ما پیش از این جواب آنها را می‌دانستیم. در هر صورت، رسیدن به برتری کوانتومی به این معنی نیست که رایانه‌های کوانتومی در واقع آماده انجام هر کاری هستند. محققان پیشرفت زیادی در توسعه الگوریتم‌هایی که رایانه‌های کوانتومی استفاده خواهند کرد، داشته‌اند اما خود رایانه‌ها همچنان به توسعه و تکامل بیشتری نیاز دارند.