معرفی و دانلود کتاب پردازنده‌های کوانتومی (QPU)

معرفی کتاب پردازنده‌های کوانتومی (QPU)

کتاب پردازنده‌های کوانتومی (QPU) نوشته فاطمه صالح احمدی و فاطمه حاجی علی عسگری، به بررسی مفاهیم پایه CPU، کوانتوم و پردازنده‌های کوانتومی QPU می‌پردازد.

رایانه یکی از دو چیز برجسته‌ای است که بشر در سده بیستم اختراع کرد. دستگاهی که بلز پاسکال در سال ۱۶۴۲ ساخت، اولین تلاش در راه ساخت دستگاه‌های محاسبه خودکار بود. تاکنون پنج نسل از رایانه‌ها ساخته و عرضه شدند. کامپیوترهای الکترونیکی و کامپیوترهای مکانیکی اولیه به این خاطر نام گرفتند که کارهایی را که قبلا انسان‌های کامپیوتر اختصاص داشت انجام می‌دادند کامپیوتر اصالتا یک عنوان شغلی بود و به کسانی گفته می‌شد که کارشان این بود که محاسبات برای چیزهایی مانند فهرست‌های کشتیرانی و جداول جزر و مد و موقعیت‌های نجومی نیاز بودند. تصور کنید که شما ساعتی پس از ساعتی و روزی پس از روزی هیچ کاری جز محاسبه کردن‌های بی‌شمار را انجام نمی‌دادید؛ و حتی در بهترین روزهایتان شما نمی‌توانستید جواب‌ها را خیلی تند ارائه دهید. بنابراین مخترعین صدها سال به جستجو پرداختند تا راهی برای مکانیزه شدن پیدا کنند. به این معنی که دستگاهی اختراع کنند تا این کار را انجام دهد. به دنبال انسان‌های کامپیوتر نوعی کامپیوتر عملگر آمد.

طی پنجاه سال گذشته اجزای داخلی کامپیوترها به طور متوسط هر دو سال یکبار دو برابر کوچک‌تر شده‌اند و این در حالی است که به موازات کوچکی اندازه، از نظر سرعت، دو برابر شده‌اند. مدارهای امروزی از ترانزیستورها و سیم‌هایی درست شده‌اند که قطر آن‌ها به یک صدم قطر موی انسان می‌رسد و به علت همین پیشرفت‌های اعجاب آور است که ماشین‌های امروزی میلیون‌ها برابر قو‌ی‌تر از پیشینیان خود هستند. اما این پیشرفت‌ها سرانجام روزی متوقف می‌شوند و تکنولوژی مدارهای مجتمع (IC) به حد نهایی خود می‌رسند. چند دهه قبل، پیشروانی نظیر لندر و چارلز از مرکز پژوهش توماس ج. واتسون پژوهش درباره فیزیک مدارهای پردازشگر اطلاعات را آغاز کرده و پرسش‌هایی از این قبیل را در مورد کوچک‌تر شدن آن‌ها مطرح کردند: اجزای مدارها تا چه اندازه می‌توانند کوچک شوند؟ چه مقدار انرژی باید مصرف این کار شود.

از آن‌جا که کامپیوترها ابزاری فیزیکی هستند، لذا عملکردهای اصلی آن‌ها نیز به وسیله قوانین فیزیک توضیح داده می‌شود. مطابق با اصول فیزیکی، اگر اجزای مدارهای کامپیوتر خیلی کوچک شوند، باید عملکرد آن‌ها را با مکانیک کوانتوم تشریح کرد. در اوایل دهه 1980 پاول بنی اف نشان داد که کامپیوتر از نظر اصولی می‌تواند بر اساس مکانیک کوانتومی کار کند. اندکی بعد دیوید دویچ از دانشگاه آکسفورد و دیگر دانشمندان نمونه‌سازی از کامپیوترهای کوانتومی شروع کردند و نشان دادند چگونه ممکن است این کامپیوترها متفاوت از کامپیوترهای کلاسیک عمل کنند. آن‌ها به ویژه از این مسئله شگفت‌زده شده بودند که آیا ممکن است پدیده‌های مکانیک کوانتوم محاسبات را به صورت اعجاب آوری سریع‌تر کند؟ اغلب کامپیوترهای دیجیتال امروزی بر مبنای بیت‌ها یا بایت‌هایی کار می‌کنند که محدود به 0 و 1 هستند. کنند. اما رایانه کوانتومی وسیله‌ای محاسباتی است به جای بیت‌ها دارای کیوبیت‌ها است. کوبیت مخفف کوانتوم - بیت است و از ویژگی حرکت چرخشی یا اسپینی الکترون‌ها در آن استفاده می‌شود که هر زمان نمایانگر بیش از یک عدد است. یک کامپیوتر مبتنی بر بیت‌های کوانتومی تعداد حالات پایه بیشتری نسبت به کامپیوترهایی بر پایه بیت‌های معمولی دارد، به طور همزمان می‌تواند دستورات بیشتری اجرا کند.

یکی از قابلیت‌های کامپیوترهای کوانتومی که موجب تفاوت آن‌ها با کامپیوترهای کلاسیک می‌شود بحث موازی بودن ذاتی پردازش در آن‌ها است. در کامپیوترهای کوانتومی بزرگ‌ترین مشکل تشخیص و تصحیح خطا است. کامپیوترهای کوانتومی مبتنی بر فوتون‌ها کمترین اثر پذیری از محیط را دارند پس دارای احتمال خطای بسیار کمی هستند. کامپیوتر کوانتومی به عنوان یک ماشین محاسبه‌گر از گیت‌های منطقی برای پردازش اطلاعات بهره می‌برد تفاوت عمده میان گیت‌های منطقی کلاسیک و کوانتومی آن است که ورودی و خروجی گیت‌های کوانتومی می‌تواند حالت بر هم نهاده یک کیوبیت هم باشد یکی از گیت‌های منطقی کوانتومی، گیت CNOT است. امروزه کامپیوترها به سرعت در حال نزدیک شدن به محدودیتی بنیادین هستند. شاید بزرگ‌ترین ضعف آن‌ها این است که متکی بر فیزیک کلاسیک هستند که بر ازدحام پربرخورد میلیاردها الکترون درون تقریبا همان تعداد ترانزیستور حکمرانی می‌کنند. تراشه‌های درون کامپیوترهای امروزی به قدری کوچک می‌شوند که تداوم حکم رانی فیزیک کلاسیک ممکن نیست.

این یک آغاز و شروع تحقیقات راجع به کامپیوتر‌های کوانتومی بود. دانشمندان بسیاری تحقیقات خود را درباره ساختار‌های کوانتمی مواد، احتمالات کوانتومی، بیت‌های کوانتومی و الگوریتم‌های کوانتمی برای حل مسائلی که توسط کامپیوتر‌های کلاسیک بسیار مشکل می‌نمود آغاز کردند. شایان ذکر است که این مبحث بسیار جوان است و چندین دهه بیشتر از عمر آن نمی‌گذرد. بسیاری از تحقیقات در رابطه با کامپیوتر‌های کوانتومی بسیار جوان و بیشتر به صورت نظری هستند و نظریه کامپیوتر‌های کوانتمی همچنان راهی طولانی در پیش دارد.

در بخشی از کتاب پردازنده‌های کوانتومی (Quantum Processing Unit) می‌خوانید:

معماری‌های RISC از چند اصل اساسی پیروی می‌کنند: بخش بخش کردن حافظه و عملیات محاسباتی که از تعداد اندکی از کارکردهای اصلی مانند عرض دستورالعمل‌هایی که دارای محدوده معین هستند، به حداکثر رساندن مزایای PIPLINING و به حداقل رساندن خطاهای PIPLINING پشتیبانی می‌کند.

این اصول مزیت استانداردسازی و کارایی انتقالی دستورالعمل را برای معماری‌های RISC ایجاد می‌کند اما آن‌ها نحوه بهینه‌سازی پردازش هر توالی خاص یا پیچیده‌ای از دستورالعمل را محدود می‌سازند. دستورالعمل‌هایی با عرض ثابت توانایی پایپلاین کردن دستورالعمل‌ها را برای معماری RISC ایجاد می‌کند. دستورالعمل‌های دارای عرض ثابت اندازه کلی رجیستر QPU قابل استفاده را محدود می‌سازد.

تقسیم‌بندی حافظه و محاسبات در یک QPU مدل گیتی آنالوژی شفافی ندارد. در مدل گیتی بارگذاری یا کپی کردن مقادیر در درون رجیسترها بین شروع و پایان الگوریتم وجود ندارد. رجیسترهای کوانتومی یا کیوبیت‌ها به راحتی در وضعیت آغازین قرار گرفته آن گاه گیت‌ها در رجیسترهای کوانتومی به کار گرفته می‌شود. هیچگونه عملیات مربوط به حافظه غیر از مقدار دهی آغازین و خواندن مقدار کلاسیک نهایی درهم شکسته / به هم‌ریخته شده وجود ندارد. معماری‌های CISC از اصول زیر تبعیت می‌کنند: رجیسترهای حافظه محدود، تاکید بر بهبود کارایی از طریق ایجاد و اصلاح یا تغییر دستورالعمل، راحتی برنامه نویس و عرض‌های غیراستاندارد دستورالعمل معماری‌های CISC در بخش پردازش دامین – محور دقیق مانند کنترلرهای پردازش و پردازنده‌های برداری مورد توجه قرار می‌گیرند. از آن جا که محاسبات یک پروسه‌ای است که در رجیسترهای حافظه اتفاق می‌افتد جایی که مقادیر نمی‌توانند کپی شوند مانند آن چیزی که در الگوریتم‌های درون حافظه‌ای یا IN-PLACE دیده می‌شود. در یک معماری کوانتومی خط بین حافظه و محاسبات به طور ذاتی محو می‌شود. به هر حال مفهوم CISC از بهینه سازی از طریق منابع سخت افزاری تخصیص داده شده است که ممکن است به خوبی با معماری QPU هماهنگ باشد از آن‌جا که استفاده از QPU مبتنی بر دانش قبلی است که منابع CPU به طور نظری قبل از QPU در قالب زمان پردازش یا بهره‌وری منابع می‌باشد.

فهرست مطالب کتاب

فصل اول: مفاهیم پایه CPU
مقدمه
تعریف کامپیوتر
اجزای اصلی کامپیوتر
عوامل موثر در کارآیی یک کامپیوتر
تاریخچه سخت افزار رایانه
اولین ماشین درست
چرتکه
خط کش محاسبه
ماشین محاسبه و دستگاه پاسکالین
محاسبه‌گر پله دزد در سال ۱۹۱۴‌
کارت‌های منگنه
رایانه‌های نسل اول
نسل اول لامپ خلاء
نسل دوم ترانزیستور
نسل سوم :IC
نسل چهارم: ریزپردازنده‌ها VLSI
نسل پنجم: کامپیوترهای هوشمند
نسل ششم: شبیه سازی و الگوبرداری از مغز انسان
تعریف پردازنده
شرکت‌های سازنده CPU
ساختار و اجزای سازنده پردازنده
تاریخچه مختصری از CPU
نسل پردازنده
مراحل کاری CPU
سرعت پردازنده و ClockPuls
ISA
انواع گذرگاه‌ها در کامپیوتر
ICیاChip
انواع ثبات‌های CPU در زبان اسمبلی
ثبات‌های پردازنده‌های ۱۶ بیتی
ثبات‌های عمومی پردازنده ۱۶ بیتی
ثبات‌های سگمنت
ثبات‌های اندیس
ثبات‌های وضعیتی و کنترلی
Pipelining
مخاطرات PIPLINING
CacheMemory
انواع پردازنده‌ها از نظر ساختار دستورالعمل
فناوری چند هسته‌ای
لیتوگرافی CPU
تاثیر لیتوگرافی در تراشه
Overclock
فصل دوم: مفاهیم پایه کوانتوم
مقدمه
اصل عدم قطعیت
قانون مور
نظریه کوانتومی
کوانتوم
دوگانگی موج و ذره
محاسبات کلاسیک
ضعف رایانه‌های فعلی غیر کوانتومی
پیش نیاز کوانتومی کردن یک سیستم فیزیکی
اطلاعات کوانتومی
نمادهای کوانتومی
محاسبات کوانتومی
اهمیت محاسبات کوانتومی
سیر تحول تاریخی کامپیوترهای کوانتمی
کامپیوتر کوانتومی
جهش کوانتومی
منطق کوانتومی
پردازش کوانتومی، پردازشی ذاتا موازی
فضای برداری
فضای هیلبرت
شبیه سازی کوانتومی
تفاوت بیت و کیوبیت
فصل سوم: پردازنده‌های کوانتومی QPU
مقدمه
واحد پردازش کوانتومی (QPU)
انواع مدل‌های محاسباتی کوانتومی
1. مدل گیتی کوانتومی
2. مدل محاسبات کوانتومی غیر دولابی یا adiabetic
RISC و CISC
ملاحظات پیام QPU ISA
استراتژی‌های یکپارچه سازی QPU
محاسبات با کارآیی بالا
متریک‌های کارآیی
نتیجه گیری
منابع