کامپیوترها در آینده قادر به انجام چه کارهای عجیبی خواهند بود؟/ عکس

غزال زیاری: کوانتوم به مقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها برمی‌گردد؛ جایی که در آن قوانین فیزیکی که آنها را تجربه کرده‌ایم، شکسته شده و مجموعه‌ای متفاوت از قوانین غیرمعمول اعمال می‌شوند. کامپیوترهای کوانتومی از همین رفتارهای عجیب برای حل مشکلات بهره می برند.

برخی از انواع مشکلات هستند که حل آنها برای کامپیوترهای کلاسیک عملی نیست؛ مشکلاتی مثل شکستن الگوریتم‌های رمزگذاری پیشرفته. اما تحقیقات انجام شده در دهه‌های اخیر نشان داده‌اند که کامپیوترهای کوانتومی قادرند تا برخی از این مشکلات را حل کنند.

در صورتی که یک کامپیوتر کوانتومی ساخته شود که در واقع یکی از این مشکلات را حل کند، در آنجاست که مزایای کوانتوم را مشاهده خواهیم کرد.

من یک فیزیکدان هستم که درباره پردازش اطلاعات کوانتومی و کنترل سیستم‌های کوانتومی تحقیق و مطالعه می‌کنم و معتقدم که این مرز نوآوری علمی و فناوری، نه تنها نویدبخش پیشرفت‌های پیشگامانه در انجام محاسبات است، بلکه افزایش گسترده‌تر فناوری کوانتومی مثل پیشرفت‌های قابل توجه در رمزنگاری کوانتومی و سنجش کوانتومی را نشان خواهد داد.

منبع قدرت محاسبات کوانتومی

مرکز محاسبات کوانتومی، بیت کوانتوم یا کیوبیت است. برخلاف بیت‌های کلاسیک که تنها در حالت صفر یا یک هستند، یک کیوبیت می‌تواند در هر حالتی از ترکیب صفر و یک باشد؛ یعنی نه فقط ۱ و نه فقط صفر که تحت عنوان برهم نهی کوانتومی شناخته می‌شود. با هر کیوبیت اضافی، تعداد حالت‌هایی که می‌توان با کیوبیت‌ها نشان داد، دوبرابر می‌شود. این ویژگی معمولا با منبع قدرت محاسبات کوانتومی اشتباه گرفته می‌شود و در عوض به یک فعل و انفعال پیچیده از برهم نهی، تداخل و درهم تنیدگی ختم می‌شود.

این تداخل در حقیقت شامل دستکاری کیوبیت‌ها به نحوی است که حالت‌های آنها در طول محاسبات به شکل سازنده‌ای با هم ترکیب شوند تا راه‌حل‌های صحیح تقویت شده و تداخل مخرب پاسخ‌های اشتباه سرکوب گردند. تداخل سازنده زمانی اتفاق می‌افتد که قله‌های دو موج (مثل امواج صوتی یا امواج اقیانوس) برای ایجاد یک قله بلندتر با هم ترکیب می‌شوند و تداخل مخرب هنگامی رخ می‌دهد که یک اوج و یک فرورفتگی موج با هم ترکیب شده و یکدیگر را خنثی کنند.

الگوریتم‌های کوانتومی که ابداع‌شان کم و دشوار است، دنباله‌ای از الگوهای تداخلی را تنظیم می‌کند که پاسخ‌های صحیح برای حل مشکل را ارائه می‌دهند.

درهم تنیدگی یک همبستگی کوانتومی منحصر به فرد بین کیوبیت‌ها ایجاد می‌کند که وضعیت یکی را نمی‌توان مستقل از بقیه توصیف کرد، بدون آنکه بخواهیم درنظر داشته باشیم که کیوبیت‌ها چقدر از یکدیگر فاصله دارند. این دقیقا همان چیزی است که آلبرت اینشتین آن را تحت‌عنوان "اقدام شبح‌آور از راه دور" رد کرد.

رفتار جمعی درهم تنیدگی که از طریق یک کامپیوتر کوانتومی تنظیم شده، سرعت محاسباتی را به نحوی افزایش می‌دهد که این امکان برای کامپیوترهای کلاسیک مقدور نیست.

کاربردهای محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی، طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه را در بر می‌گیرند که باعث می‌شوند تا عملکردی به مراتب بهتر از کامپیوترهای کلاسیک داشته باشند. از نظر رمزنگاری، کامپیوترهای کوانتومی به منزله یک فرصت و یک چالش هستند که معروف‌ترین آن توانایی این محاسبات دررمزگشایی الگوریتم‌های رمزگذاری فعلی مثل طرح RSA است.

یکی از پیامدهای این امر این است که پروتکل‌های رمزگذاری امروزی، به مهندسی مجدد نیاز دارند تا در برابر حملات کوانتومی آینده مقاوم باشند و این شناخت منجر به حوزه رو به رشد رمزنگاری پس کوانتومی می‌شود.

اخیرا موسسه ملی استاندارد و فناوری، بعد از یک فرآیند طولانی، چهار الگوریتم مقاوم در برابر کوانتومی را انتخاب و فرآیند آماده‌سازی آنها را آغاز کرده تا سازمان‌هایی از سراسر جهان بتوانند در فناوری رمزگذاری از آنها بهره ببرند.

بیشتر بخوانید:

• اقدام ناسا برای نابودی رویایی که در فضا برپا کرد!
• یک ثانیه واقعا چقدر طول می‌کشد؟

به علاوه محاسبات کوانتومی می‌توانند به طرز چشمگیری سرعت شبیه‌سازی کوانتومی را افزایش دهند: توانایی پیش‌بینی نتیجه آزمایش‌هایی که در قلمرو کوانتومی عمل می‌کنند. ریچارد فاینمن، فیزیکدان مشهور، بیش از چهل سال پیش این شرایط را تصور کرده بود.

شبیه‌سازی‌های کوانتومی، پتانسیل پیشرفت‌های قابل توجهی را در علومی مثل شیمی و مواد ارائه داده و در حوزه‌هایی مثل مدل‌سازی پیچیده ساختارهای مولکولی در راستای کشف دارو و یا امکان کشف و تولید مواد با خواص جدید کمک حال خواهند بود. دیگر کاربرد فناوری اطلاعات کوانتومی، در زمینه سنجش کوانتومی است: تشخیص و اندازه‌گیری خواص فیزیکی‌ای از جمله انرژی الکترومغناطیس، گرانش، فشار و دما با حساسیت و دقتی به مراتب بالاتر از ابزارهای غیرکوانتومی.

سنجش کوانتومی کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلفی مثل پایش محیطی، اکتشافات زمین‌شناسی، تصویربرداری پزشکی و نظارت دارد. ابتکاراتی مثل توسعه اینترنت کوانتومی که کامپیوترهای کوانتومی را به یکدیگر متصل می‌کند، گام‌های بزرگی را در راستای ایجاد پلی ارتباطی بین دنیای محاسبات کوانتومی و کلاسیک برمی‌دارد.

این شبکه را می‌توان با بهره‌گیری از پروتکل‌های رمزنگاری کوانتومی از جمله توزیع کلید کوانتومی ایمن کرد. توزیع کلید کوانتومی، برای کانال‌های ارتباطی امن این امکان را فراهم می‌کند که در برابر حملات محاسباتی ایمن بمانند (مواردی که در آنها از رایانه‌های کوانتومی استفاده می‌شود.)

به رغم مجموعه کاربردی روبه رشد برای محاسبات کوانتومی، توسعه الگوریتم‌های جدیدی که از مزیت کوانتومی به شکل کامل بهره می‌برند (به ویژه در یادگیری ماشینی)، همچنان یک حوزه حیاتی از تحقیقات در جریان به شمار می‌رود.

منسجم ماندن و غلبه بر اشتباهات

حوزه محاسبات کوانتومی با موانع قابل توجهی در رشد و توسعه سخت‌افزاری و نرم‌افزاری مواجه است. کامپیوترهای کوانتومی به شدت در برابر هر نوع تعامل ناخواسته با محیطشان حساس هستند و این منجر به پدیده ناپیوستگی و عدم انسجام خواهد شد. جایی که در آن کیوبیت‌ها به سرعت به حالت صفر یا یک و حالت بیت‌های کلاسیک تنزل پیدا می‌کنند.

ساخت سیستم‌های محاسباتی کوانتومی در مقیاس بزرگ که قادر به تحقق وعده‌های افزایش سرعت کوانتومی باشند، نیازمند غلبه بر عدم پیوستگی است و کلید کار در توسعه روش‌های موثر در راستای سرکوب و تصحیح خطاهای کوانتومی خواهد بود. این دقیقا همان حوزه‌ای است که تحقیقات من برروی آن متمرکز است.

در جریان این چالش‌ها، استارت‌آپ‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری کوانتومی متعددی در کنار برندهای قدیمی و تثبیت شده در صنعت تکنولوژی مثل گوگل وIBM وارد عمل شده‌اند.

تمایل به این صنعت همراه با سرمایه‌گذاری قابل توجه از سوی دولت‌ها درسراسر دنیا، بر شناخت جمعی از پتانسیل تحول آفرین فناوری کوانتومی تاکید دارد که این ابتکارات یک اکوسیستم غنی را تقویت خواهد کرد که در آن دانشگاه و صنعت با یکدیگر همکاری کرده و پیشرفت در این زمینه را سرعت می‌بخشند.

مشاهده مزایای کوانتومی

محاسبات کوانتومی شاید روزی به اندازه معرفی هوش مصنوعی تبدیل به یک مولد مخرب شود ولی در حال حاضر توسعه فناوری محاسبات کوانتومی در مقطعی حیاتی قرار دارد. از یک سو، این رشته قبلا نشانه‌های ابتدایی دستیابی به یک مزیت کوانتومی تخصصی را نشان داده. محققین در گوگل و بعد از آن تیمی از محققان در چین، مزایای کوانتومی در تولید لیستی از اعداد تصادفی با ویژگی‌های خاص را به نمایش گذاشتند. تیم تحقیقاتی من هم سرعت کوانتومی را برای یک بازی حدس اعداد تصادفی به نمایش گذاشت.

از سوی دیگر، در صورتی که نتایج علمی در کوتاه مدت محقق نشود، خطر ملموسی برای ورود به "زمستان کوانتومی" وجود خواهد داشت که دوره ای از کاهش سرمایه‌گذاری خواهد بود.

در حالی که صنعت فناوری در تلاش برای ارائه مزیت‌های کوانتومی در محصولات و خدمات در مدت زمان کوتاه است، تحقیقات آکادمیک همچنان تمرکزش را برروی بررسی اصول اساسی زیربنای این علم و فناوری جدید قرار داده است.

این تحقیقات بنیادی مستمر که توسط دانشجویان جدید، مشتاق و باهوش انجام می‌شود، تضمین می‌کند که سیر پیشرفت در این مسیر در جریان خواهد بود.

منبع: sciencealert

227227