کامپیوترها در آینده قادر به انجام چه کارهای عجیبی خواهند بود؟، عکس - تور آسیایی ارزان

غزال زیاری: کوانتوم به مقیاس اتم ها و مولکول ها برمی گردد؛ جایی که در آن قوانین فیزیکی که آنها را تجربه نموده ایم، شکسته شده و مجموعه ای متفاوت از قوانین غیرمعمول اعمال می شوند. کامپیوترهای کوانتومی از همین رفتارهای عجیب برای حل مسائل بهره می برند.

بعضی از انواع مسائل هستند که حل آنها برای کامپیوترهای کلاسیک عملی نیست؛ مسائلی مثل شکستن الگوریتم های رمزگذاری پیشرفته. اما تحقیقات اجرا شده در دهه های اخیر نشان داده اند که کامپیوترهای کوانتومی قادرند تا بعضی از این مسائل را حل نمایند.

در صورتی که یک کامپیوتر کوانتومی ساخته گردد که در واقع یکی از این مسائل را حل نماید، در آنجاست که مزایای کوانتوم را مشاهده خواهیم کرد.

من یک فیزیکدان هستم که درباره پردازش اطلاعات کوانتومی و کنترل سیستم های کوانتومی تحقیق و مطالعه می کنم و معتقدم که این مرز نوآوری علمی و فناوری، نه تنها نویدبخش پیشرفت های پیشگامانه در انجام محاسبات است، بلکه افزایش گسترده تر فناوری کوانتومی مثل پیشرفت های 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 بیت های کلاسیک که تنها در حالت صفر یا یک هستند، یک کیوبیت می تواند در هر حالتی از ترکیب صفر و یک باشد؛ یعنی نه فقط 1 و نه فقط صفر که تحت عنوان برهم نهی کوانتومی شناخته می گردد. با هر کیوبیت اضافی، تعداد حالت هایی که می توان با کیوبیت ها نشان داد، دوبرابر می گردد. این ویژگی معمولا با منبع قدرت محاسبات کوانتومی اشتباه گرفته می گردد و در عوض به یک فعل و انفعال پیچیده از برهم نهی، تداخل و درهم تنیدگی ختم می گردد.

این تداخل در حقیقت شامل دستکاری کیوبیت ها به نحوی است که حالت های آنها در طول محاسبات به شکل سازنده ای با هم ترکیب شوند تا راه چاره های صحیح تقویت شده و تداخل مخرب پاسخ های اشتباه سرکوب گردند. تداخل سازنده زمانی اتفاق می افتد که قله های دو موج (مثل امواج صوتی یا امواج اقیانوس) برای ایجاد یک قله بلندتر با هم ترکیب می شوند و تداخل مخرب هنگامی رخ می دهد که یک اوج و یک فرورفتگی موج با هم ترکیب شده و یکدیگر را خنثی نمایند.

الگوریتم های کوانتومی که ابداع شان کم و سخت است، دنباله ای از الگوهای تداخلی را تنظیم می نماید که پاسخ های صحیح برای حل مشکل را ارائه می دهند.

درهم تنیدگی یک همبستگی کوانتومی منحصر به فرد بین کیوبیت ها ایجاد می نماید که شرایط یکی را نمی توان مستقل از بقیه توصیف کرد، بدون آنکه بخواهیم درنظر داشته باشیم که کیوبیت ها چقدر از یکدیگر فاصله دارند. این دقیقا همان چیزی است که آلبرت اینشتین آن را تحت عنوان اقدام شبح آور از راه دور رد کرد.

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

کاربردهای محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی، طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه را در بر می گیرند که باعث می شوند تا عملکردی به مراتب بهتر از کامپیوترهای کلاسیک داشته باشند. از نظر رمزنگاری، کامپیوترهای کوانتومی به منزله یک فرصت و یک چالش هستند که معروف ترین آن توانایی این محاسبات دررمزگشایی الگوریتم های رمزگذاری فعلی مثل طرح RSA است.

یکی از پیامدهای این امر این است که پروتکل های رمزگذاری امروزی، به مهندسی مجدد احتیاج دارند تا در برابر حملات کوانتومی آینده مقاوم باشند و این شناخت منجر به حوزه رو به رشد رمزنگاری پس کوانتومی می گردد.

اخیرا موسسه ملی استاندارد و فناوری، بعد از یک فرآیند طولانی، چهار الگوریتم مقاوم در برابر کوانتومی را انتخاب و فرآیند آماده سازی آنها را شروع نموده تا سازمان هایی از سراسر جهان بتوانند در فناوری رمزگذاری از آنها بهره ببرند.

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

به علاوه محاسبات کوانتومی می توانند به طرز چشمگیری سرعت شبیه سازی کوانتومی را افزایش دهند: توانایی پیش بینی نتیجه آزمایش هایی که در قلمرو کوانتومی عمل می نمایند. ریچارد فاینمن، فیزیکدان مشهور، بیش از چهل سال پیش این شرایط را تصور نموده بود.

شبیه سازی های کوانتومی، پتانسیل پیشرفت های قابل توجهی را در علومی مثل شیمی و مواد ارائه داده و در حوزه هایی مثل مدل سازی پیچیده ساختارهای مولکولی در راستای کشف دارو و یا امکان کشف و فراوری مواد با خواص نو یاری حال خواهند بود. دیگر کاربرد فناوری اطلاعات کوانتومی، در زمینه سنجش کوانتومی است: تشخیص و مقدار گیری خواص فیزیکی ای از جمله انرژی الکترومغناطیس، گرانش، فشار و دما با حساسیت و دقتی به مراتب بالاتر از ابزارهای غیرکوانتومی.

سنجش کوانتومی کاربردهای فراوانی در زمینه های مختلفی مثل پایش محیطی، اکتشافات زمین شناسی، تصویربرداری پزشکی و نظارت دارد. ابتکاراتی مثل توسعه اینترنت کوانتومی که کامپیوترهای کوانتومی را به یکدیگر متصل می نماید، گام های بزرگی را در راستای ایجاد پلی ارتباطی بین جهانی محاسبات کوانتومی و کلاسیک برمی دارد.

این شبکه را می توان با بهره گیری از پروتکل های رمزنگاری کوانتومی از جمله توزیع کلید کوانتومی ایمن کرد. توزیع کلید کوانتومی، برای کانال های ارتباطی امن این امکان را فراهم می نماید که در برابر حملات محاسباتی ایمن بمانند (مواردی که در آنها از رایانه های کوانتومی استفاده می گردد.)

به رغم مجموعه کاربردی روبه رشد برای محاسبات کوانتومی، توسعه الگوریتم های نوی که از مزیت کوانتومی به شکل کامل بهره می برند (به ویژه در یادگیری ماشینی)، همچنان یک حوزه حیاتی از تحقیقات در جریان به شمار می رود.

منسجم ماندن و غلبه بر اشتباهات

حوزه محاسبات کوانتومی با موانع قابل توجهی در رشد و توسعه سخت افزاری و نرم افزاری روبرو 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 کیوبیت ها به سرعت به حالت صفر یا یک و حالت بیت های کلاسیک تنزل پیدا می نمایند.

ساخت سیستم های محاسباتی کوانتومی در مقیاس بزرگ که قادر به تحقق وعده های افزایش سرعت کوانتومی باشند، احتیاجمند غلبه بر عدم پیوستگی است و کلید کار در توسعه روش های موثر در راستای سرکوب و تصحیح خطاهای کوانتومی خواهد بود. این دقیقا همان حوزه ای است که تحقیقات من برروی آن متمرکز است.

در جریان این چالش ها، استارت آپ های نرم افزاری و سخت افزاری کوانتومی متعددی در کنار برندهای قدیمی و تثبیت شده در صنعت تکنولوژی مثل گوگل وIBM وارد عمل شده اند.

تمایل به این صنعت همراه با سرمایه گذاری قابل توجه از سوی دولت ها درسراسر جهان، بر شناخت جمعی از پتانسیل تحول آفرین فناوری کوانتومی تاکید دارد که این ابتکارات یک زیست بوم غنی را تقویت خواهد نمود که در آن دانشگاه و صنعت با یکدیگر همکاری نموده و پیشرفت در این زمینه را سرعت می بخشند.

مشاهده مزایای کوانتومی

محاسبات کوانتومی شاید روزی به مقدار معرفی هوش مصنوعی تبدیل به یک مولد مخرب گردد ولی در حال حاضر توسعه فناوری محاسبات کوانتومی در مقطعی حیاتی واقع شده است. از یک سو، این رشته قبلا نشانه های 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 فراوری لیستی از اعداد تصادفی با ویژگی های 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 نگردد، خطر ملموسی برای ورود به زمستان کوانتومی وجود خواهد داشت که دوره ای از کاهش سرمایه گذاری خواهد بود.

در حالی که صنعت فناوری در کوشش برای ارائه مزیت های کوانتومی در محصولات و خدمات در مدت زمان کوتاه است، تحقیقات آکادمیک همچنان تمرکزش را برروی آنالیز اصول اساسی زیربنای این علم و فناوری نو قرار داده است.

این تحقیقات بنیادی مستمر که به وسیله دانشجویان نو، مشتاق و باهوش انجام می گردد، تضمین می نماید که سیر پیشرفت در این مسیر در جریان خواهد بود.

منبع: sciencealert

227227