چرا کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند دنیا را متحول کنند؟

دانشمندان معتقدند که پردازش کوانتومی و در صدر آن، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند جهان را تغییر دهند. این تکنولوژی می‌تواند داروها را دگرگون کند، رمزگذاری‌ها را بشکند و انقلابی در حوزه هوش مصنوعی و ارتباطات ایجاد کند. شرکت‌هایی مثل IBM، مایکروسافت و گوگل با هم در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی قابل اعتماد در حال رقابت هستند. چین نیز در این حوزه سرمایه گذاری میلیاردی کرده است.

به تازگی گوگل، ادعا کرده‌ است که به برتری کوانتومی دست یافته‌ است – به عبارت دیگر، نخستین باری که یک کامپیوتر کوانتومی از یک رایانه سنتی بهتر عمل می‌کند – اما پردازش کوانتومی چیست؟ و چگونه کار می‌کند؟

 پردازش کوانتومی چیست؟

پردازنده یک کامپیوتر معمولی از بیت‎ها استفاده می‌کند. بیت‌ها مانند سوییچ‌های بسیار کوچکی هستند که می‌توانند در موقعیتی خاموش باشند – که به عنوان صفر در نظر گرفته می‌شود – یا در موقعیت روشن باشند که به عنوان یک در نظر گرفته می‌شود. هر اپلیکیشنی که از آن استفاده می‌کنید، به هر وب‌سایتی که مراجعه می‌کنید و هر عکسی که ثبت می‌کنید، در نهایت از میلیون‌ها بیت در ترکیب‌های صفر و یک ساخته شده است.

سیستم کامپیوتر‌های کلاسیک برای بسیاری از حوزه‌ها کارآمد است اما چگونگی کار جهان را بازتاب نمی‌کند. در طبیعت، همه چیزها فقط دو حالت خاموش و روشن ندارند. آنها غیرقطعی هستند. حتی بهترین ابررایانه‌ها نیز در مواجه با این عدم قطعیت عملکرد خوبی ندارند. این مشکل عاملی برای پیدایش کامپیوترهای کوانتومی محسوب می‌شود.

طی صد سال گذشته، فیزیکدان‌ها با مطالعه مواد در مقیاس بسیار بسیار کوچک، به اطلاعات عجیبی دست یافته‌اند. آن‌ها یک حوزه کاملا جدید در علم توسعه داده‌اند تا توضیحی برای این دسته از اتفاقات پیدا کنند. به این حوزه کاملا جدید در علم  «مکانیک کوانتومی» گفته می‌شود.

مکانیک کوانتومی پایه علم فیزیک شناخته می‌شود و فیزیک، زمینه علم شیمی و به این ترتیب شیمی زمینه زیست‌شناسی محسوب می‌شود. تا به امروز دانشمندان برای شبیه‌سازی دقیق  مسائل به روش بهتری برای محاسبه نیاز داشتند تا بتوانند به مشکل عدم قطعیت این گونه مسائل رسیدگی کنند. به همین دلیل، پردازش کوانتومی برای حل این مسائل بسیار مهم تلقی می‌شود.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

به جای بیت‌ها، کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌ها (Qubit) استفاده می‌کنند. به جای اینکه هر بیت فقط بتواند دو حالت خاموش یا روشن را انتخاب کند، کیوبیت‌ها می‌توانند با توجه به شرایط، در حالت غیر قطعی  به نام Superposition نیز قرار بگیرند. کیوبیت‌ها در حالت  Superposition می‌توانند همزمان هم خاموش و هم روشن باشند؛ یا به عبارت دیگر، در حالتی قرار بگیرند که در طیفی بین طیف خاموش و  طیف روشن باشند.

اگر یک سکه را به هوا پرتاب کنید، روی شیر و یا خط فرود می‌آید. اما اگر آن را بچرخانید، می‌تواند روی شیر بیفتد و یا می‌تواند روی خط بیفتد؛ اما تا جایی که سکه از چرخیدن متوقف شود، می‌تواند هم شیر و هم خط باشد. حالت Superposition کیوبیت‌ها مانند چرخاندن سکه است. کیوبیت‌ها عدم قطعیت را در اختیار ما قرار می‌دهند و از این نظر باعث قدرتمند شدن کامپیوترهای کوانتومی شده‌اند.

اگر از یک رایانه معمولی بخواهید که راه خروج از یک هزارتو را پیدا کند، این کامپیوتر تمام راه‌های ممکن را امتحان می‌کند تا در نهایت جواب درست را پیدا کند. اما اگر همان هزارتو را به کامپیوتر کوانتومی بدهید، می‌تواند همه‌ راه‌های ممکن را همزمان طی کند تا به جواب درست برسد. این کامپیوترها می‌توانند عدم قطعیت را تا زمان رسیدن به جواب نهایی حفظ کنند.

مطالب مرتبط:

• تقارن پنهان می‌تواند کلید رایانه های کوانتومی قدرتمند باشد

• مایکروسافت و فورد برای حل مشکل ترافیک در شهر سیاتل از کامپیوترهای کوانتومی استفاده می‌کنند

این ویژگی کامپیوترهای کوانتومی بیشتر شبیه این است که انگشت خود را میان صفحات کتاب «ماجراجویی خود را انتخاب کنید» نگه دارید. اگر در میان راه، کاراکتر انتخابی شما از بین رفت، می‌توانید به جای اینکه دوباره به ابتدای کتاب برگردید و مسیر جدیدی را در پیش بگیرید، مستقیما مسیر دیگری را برای ماجراجویی انتخاب کنید.

یکی از قابلیت‌های دیگر کیوبیت‌ها، در هم‌تنیدگی نامیده می‌شود. معمولا، اگر دو سکه را به هوا پرتاب کنید، نتیجه یک سکه اثری روی نتیجه سکه دیگر ندارد و هر دو مستقل هستند. خاصیت در هم‌تنیدگی به معنای این است که هر دو ذره به هم متصل هستند؛ حتی اگر به صورت فیزیکی جدا باشند. اگر نتیجه یکی شیر باشد، نتیجه دیگری نیز شیر خواهد بود.

این خاصیت شاید برای شما بیشتر شبیه به جادو به نظر برسد، اما واقعیت این است که فیزیکدان‌ها هنوز توضیح قانع‌کننده‌ای برای این خاصیت پیدا نکرده‌اند. اما در حوزه محاسبه کوانتومی، به این معناست که می‌توان با استفاده از خاصیت در هم‌تنیدگی اطلاعات را منتشر کرد، حتی اگر این اطلاعات شامل عدم قطعیت باشد. می‌توانید از آن سکه چرخان برای محاسبات پیچیده استفاده کنید. اگر بتوانید چند کیوبیت را به صورت رشته متصل به هم تبدیل کنید، می‌توانید مسائلی را حل کنید که بهترین کامپیوترهای معمولی میلیون‌ها سال زمان برای حل آن نیاز دارند.

کار کامپیوترهای کوانتومی چیست؟

کامپیوترهای کوانتومی فقط برای سریع‌تر انجام دادن کارها یا افزایش کارآمدی استفاده نمی‌شوند. آن‌ها به ما امکان انجام کارهایی را ‌می‌دهند که پیش از این غیرممکن تلقی می‌شدند. کارهایی که حتی ابر رایانه‌های مدرن امروزی نیز قادر به انجام آن نیستند.

این کامپیوترها پتانسیل این را دارند که سرعت پیشرفت و توسعه هوش مصنوعی را افزایش دهند. گوگل پیش از این نیز از آن‌ها برای بهبود نرم‌افزارهای خودروهای بدون سرنشین استفاده کرده‌ است. این کامپیوترها همچنین برای مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی حیاتی هستند.

در حال حاضر، ابرکامپیوترها تنها می‌توانند مولکول‌های بسیار ساده را آنالیز کنند. اما کامپیوترهای کوانتومی از همان ویژگی‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که مولکول‌ها در حال شبیه‌سازی آن هستند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که در مواجهه با شبیه‌سازی پیچیده‌ترین واکنش‌ها، این کامپیوترها مشکلی نخواهند داشت.

از این نظر، محصولات با کارآمدی بیشتری تولید خواهد شد. به طور مثال می‌توان به کشف مواد جدید برای ساخت باتری خودروهای الکتریکی، تولید داروهای بهتر و ارزان‌تر، و یا ساخت پنل‌های خورشیدی بسیار پیشرفته اشاره کرد. همچنین دانشمندان امیدوار هستند که با استفاده از شبیه‌سازی کوانتومی بتوانند درمانی برای بیماری آلزایمر کشف کنند.

کامپیوترهای کوانتومی در هر جایی که به شبیه‌سازی یک سیستم بزرگ غیرقطعی پیچیده نیاز باشد، مورد استفاده قرار خواهند گرفت. برای مثال، می‌توان در پیش‌بینی بازارهای مالی، بهبود پیش‌بینی آب و هوا و مدل‌سازی رفتار تک‌تک الکترون ها (استفاده از محاسبات کوانتومی برای درک فیزیک کوانتومی) از کامپیوترهای کوانتومی استفاده کرد.

رمزنگاری یکی دیگر از کاربردهای کلیدی کامپیوترهای کوانتومی است. در حال حاضر، بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری بر مبنای دشواری تقسیم اعداد بزرگ توسط اعداد اول ساخته می‌شوند. این روش «فاکتورگیری» نامیده می‌شود، و برای کامپیوترهای کلاسیک بسیار کند، گران و غیرعملی است. اما کامپیوترهای کوانتومی به راحتی می‌توانند این تقسیم‌های بزرگ را انجام دهند. از این نظر داده‌های ما بعد از بهره‌برداری از کامپیوترهای کوانتومی در معرض خطر افشا قرار خواهند گرفت.

شایعه‌هایی وجود دارد مبنی بر اینکه بسیاری از سازمان‌های جاسوسی در سراسر دنیا، مقدار بسیار زیادی از داده‌های رمزگذاری شده را در سرورهای خود ذخیره کرده‌اند به این امید که در آینده‌ی نزدیک به کمک کامپیوتر‌های کوانتومی این داده‌ها را رمزگشایی کنند.

تنها راه مقابله با خطر رمزگشایی داده‌ها توسط سازمان‌های جاسوسی، رمزگذاری کوانتومی داده‌ها است. این رمزگذاری بر مبنای قاعده عدم قطعیت توسعه یافته است (این فرض که نمی‌توانید چیزی را بدون تاثیر روی نتیجه اندازه‌گیری کنید). کلیدهای رمزگذاری کوانتومی را نمی‌توان کپی یا هک کرد. به این ترتیب این رمزگذاری‌ها کاملا غیرقابل رمزگشایی خواهند بود.

کامپیوترهای کوانتومی چه زمانی در دسترس ما قرار می‌گیرند؟

احتمالا هیچ‌وقت یک پردازنده کوانتومی در لپ‌تاپ یا گوشی هوشمند خود نخواهید داشت. همچنین قرار نیست که سری Q آیفون با پردازنده‌های کوانتومی وارد بازار شود. کامپیوترهای کوانتومی برای چندین دهه، نظریه‌پردازی شده‌اند اما دلیل اصلی تاخیر در بهره‌برداری از این کامپیوترها حساسیت بسیار زیاد نسبت به دخالت انواع عوامل محیطی نظیر دما و امواج الکتریکی و … تلقی می‌شود.

تقریبا هر عاملی می‌تواند کیوبیت‌ها را از حالت حساس Superposition خارج کند. در نتیجه، کامپیوترهای کوانتومی باید از هرگونه دخالت الکتریکی ایزوله شده باشند و همچنین تا دمای نزدیک به صفر خنک شده باشند. این دمای پیشنهادی سردتر از دمای هوای خارج از جو زمین است.

این کامپیوترها بیشتر مورد استفاده دانشگاهیان و کسب‌وکارها قرار خواهد گرفت، که به احتمال زیاد از راه دور به آن دسترسی خواهند داشت. شما می‌توانید از طریق وب سایت IBM از کامپیوتر کوانتومی این شرکت استفاده کنید و حتی با آن کارت بازی کنید.

ما هنوز باید مدتی صبر کنیم تا موانع پیش روی کامپیوترهای کوانتومی رفع شود تا قادر به انجام تمام کارهای خارق‌العاده پیش‌بینی شده باشند. در حال حاضر، بهترین کامپیوتر کوانتومی ساخته شده دارای ۵۰ کیوبیت است. این مقدار کیوبیت برای کامپیوترهای کوانتومی کافی است تا قدرتمندتر از کامپیوترهای معمولی شمرده شود، از این نظر که به ازای هر کیوبیتی که به این سیستم‌ها اضافه می‌شود، شاهد افزایش ظاهری قدرت پردازش خواهید بود. اما متاسفانه این کامپیوترها به دلیل مشکلات ناشی از مداخلات الکتریکی نرخ خطای بسیار بالایی  دارند.

امروزه این کامپیوترها به اندازه کافی قدرتمند هستند اما متاسفانه هنوز قابل اطمینان شمرده نمی‌شوند. از این نظر، ادعای دستیابی به برتری کوانتومی بی‌ارزش شناخته  می‌شود. در اکتبر ۲۰۱۹، گوگل مقاله‌ای را منتشر کرد که در آن ادعا کرده بود به برتری کوانتومی دست یافته است – برتری کوانتومی به وضعیتی گفته می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند بهتر از یک کامپیوتر کلاسیک عمل کند. اما چندی نگذشت که رقیب گوگل در حوزه کامپیوترهای کوانتومی این ادعا را بی‌ارزش خواند. به گفته شرکت IBM، گوگل  از حداکثر ظرفیت ابرکامپیوترهای مدرن برای رسیدن به برتری کوانتومی بهره نبرده است.

بیشتر موفقیت‌های بزرگی که تا به امروز در حوزه کامپیوترهای کوانتومی کسب شده، در شرایط کنترل شده بدست آمده است؛ و یا از مسائلی که جواب آن‌ها را می‌دانیم استفاده شده است. در هر حالتی، دستیابی به برتری کوانتومی به این معنا نیست که کامپیوترهای کوانتومی واقعا قادر به انجام کار مفیدی باشند.

محققان به پیشرفت بزرگی در توسعه الگوریتم‌هایی که کامپیوترهای کوانتومی از آن‌ها استفاده خواهند کرد دست یافته‌اند. اما خود این کامپیوترها هنوز برای بهره‌برداری به زمان نیاز دارند. کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند دنیا را تغییر دهند، اما در حال حاضر آینده آن‌ها نامعلوم است.