مجله اینترنتی واوک

رایانه‌های کوانتومی

«رایانه‌های کوانتومی» زندگی ما را دگرگون می‌کنند

رایانه‌هایی که از رایانش کوانتومی استفاده می‌کنند، با عنوان «رایانه کوانتومی» شناخته می‌شوند. این رایانه‌ها با رایانه‌های فعلی که با ترانزیستور کار می‌کنند، تفاوت عمده‌ای دارند. رایانه کوانتومی با بهره‌گیری از قوانین فیزیک کوانتوم عملیات پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها را انجام می‌دهد. مشابه با رایانش فعلی که در آن از اصطلاح بیت به‌عنوان یکای اندازه‌گیری داده استفاده می‌شود، در رایانش کوانتومی هم اصطلاحی با نام Qubit یا Quantum Bit وجود دارد. هر کیوبیت در واقع یک نقطه کوانتومی محسوب می‌شود. در بیانی ساده یک نقطه کوانتومی یک ذره مادی بسیار کوچک است که افزایش یا کاهش یک الکترون، خواص آن را به‌طور ارزشمندی تغییر می‌دهد.

در رایانه‌های کوانتومی مفاهیمی چون برهم­نهی کوانتومی (Superposition of Quantum)، تونل‌زنی کوانتومی (Quantum Tunneling)  و در هم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum Entanglement) اهمیت بسیاری دارند. برخلاف منطق دودویی که بنیان رایانه­های کنونی را تشکیل می‌دهد (یعنی هر بیت می‌تواند یا صفر یا یک باشد)، برهم­نهی کوانتومی به این معنا است که یک کیوبیت در آن واحد می‌تواند دو مقدار صفر و یک را هم داشته باشد. برهم­نهی کوانتومی موضوع بسیار جالب و در عین حال عجیبی است که از مکانیک کوانتوم الهام گرفته شده­است. طبق این مفهوم، به نظر می‌رسد که ذرات در آن واحد در چند جای مختلف وجود دارند. یکی از راه‌های ممکن برای اینکه درک کنیم یک کیوبیت چگونه می‌تواند در آن واحد در چند مکان مختلف وجود داشته باشد این است که تصور کنیم هر کیوبیت دارای دو یا بیش از دو بعد است که هر کدام از آن‌ها می‌توانند پایین (منطق ۰) و بالا (منطق ۱) باشند.

از این‌رو یک کیوبیت دو بعدی می‌تواند در آن واحد دارای چهار حالت مستقل (۱۱-۱۰-۰۱-۰۰) باشد و حال اگر کیوبیت مثلأ دارای ۵ بعد باشد ۳۲ حالت ممکن مستقل بین ۰۰۰۰۰ و ۱۱۱۱۱ وجود خواهد داشت. این وضعیت توان ذخیره‌سازی داده را به شکل شگرفی افزایش می‌دهد. انتقال اطلاعات در رایانه­های کوانتومی مستلزم تونل­زنی کوانتومی است. در تعریف ساده‌ای از تونل‌زنی کوانتومی می‌توان گفت تونل‌زنی کوانتومی به انتقال اطلاعات از یک کیوبیت به کیوبیت دیگر (بدون اینکه این داده در حین انتقال درفضایی قرار بگیرد) اشاره دارد. مفهوم تونل‌زنی کوانتومی معمولاً با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ تبیین می‌شود و با استفاده از آن می‌توان خاصیت موج-ذره در جسم را تعریف کرد. درهم‌تنیدگی کوانتومی هم به این حقیقت اشاره دارد که دو کیوبیت حتی اگر در جاهای مختلف باشند، می‌توانند روی هم تاثیر بگذارند. افزون بر این قابلیت‌های خاص، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند همه داده‌های گوناگون را هم در یک زمان پردازش کنند چون دیگر خبری از تنها دو حالت صفر و یک نیست.

 

رایانه‌های کوانتومی

رایانه­‌های کوانتومی

با توجه به قابلیت‌های برجسته‌ای که دارند، می‌توانند کاربردهای وسیعی داشته باشند. اولین کاربرد این رایانه­ها می‌تواند به نقل قول معروفی از ریچارد فاینمن مربوط باشد که می‌گفت «در رایانه­های سنتی به سختی می‌توان سیستم‌های کوانتومی را مدل‌سازی کرد». بنابراین با داشتن یک رایانه کوانتومی امکان مدل‌سازی سیستم‌های کوانتومی وجود دارد (چیزی که از آن به‌نام شبیه‌سازی کوانتومی یاد می‌شود). برای نمونه ما می‌توانیم واکنش‌های شیمیایی را شبیه‌سازی کنیم؛ زیرا برهم‌کنش‌های بین اتمی در واکنش‌های شیمیایی اساساً یک فرآیند کوانتومی محسوب می‌شوند.

کاربرد دومی که می‌توان برای رایانه­های کوانتومی در نظر گرفت، به توان این فناوری در جست‌وجو و تحلیل حجم عظیمی از داده‌ها اشاره دارد. به مدد این رایانه­ها می‌توان حجم بسیار عظیمی از داده‌ها را تقریباً ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر از رایانه­های معمولی انجام داد. برای درک بهتر تفاوت توانایی محاسباتی بین یک لپ­تاپ و یک رایانه کوانتومی، به تفاوت‌های بین یک ارابه­ای که توسط اسب کشیده می­شود و فضاپیمای Dragon از شرکت Space-X فکر کنید. این قیاس می­تواند نشان دهد که چه میزان ماشین‌های کوانتومی نسبت به رایانه­های عهد دایناسور مزیت دارند. از دیگر کاربردهای عمده‌ رایانه­های کوانتومی می‌شود به رمزنگاری، تحلیل‌های آماری بسیار پیچیده، یافتن فاکتورهای اعداد بزرگ، تحلیل رفتار سیستم‌های وفقی پیچیده‌ بزرگ و حل مسائل بهینه‌سازی بسیار بزرگ اشاره کرد.

 

رایانه‌های کوانتومی

آیا رایانه­‌های کوانتومی ساخته شده­‌اند؟

شرکتی به نام D-Wave ادعا دارد که اولین رایانه کوانتومی را ساخته ­است. این شرکت تنها از ۱۴۰ نفر تشکیل شده ­است. این افراد همگی از نوابغ و متخصصان برجسته حوزه کاری خود هستند. رایانه ساخت آن‌ها در یخچالی استوانه‌ای نگهداری می‌شود. یخچالی که دمای آن به منفی ۲۷۳ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، یعنی نزدیک به صفر مطلق. نگهداری رایانه در این دما برای برقرار بودن اصول برهم‌­نهی و درهم­‌تنیدگی ضروری است. در این حالت ذرات به صورت اسرارآمیزی با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند و کیوبیت‌های کوانتومی بدون توجه به مکانشان از طریق مکانیک کوانتوم با هم مرتبط می‌شوند. هر گونه گرما و نوری می‌تواند فعالیت رایانه را با مشکل روبرو کند.

قیمت رایانه شرکت D-Wave پانزده میلیون دلار است و تنها چند شرکت همانند گوگل، ناسا و لوک هید مارتین یکی از آن را خریده‌اند. سرمایه‌گذاران این شرکت افرادی مانند جف بزوس، مدیر‌عامل آمازون و شرکت فناوری وابسته به سیا، In-Q-Tel هستند.

اولین تست رایانه کوانتوم D-wave در سال ۲۰۰۷ برای حل یک سودوکو انجام شد. این رایانه تنها ۱۶ کیوبیت کوانتوم داشت. نتیجه چندان رضایت‌بخش نبود. تا جایی که Umesh Vazirani، مؤلف مقاله‌ی نظریه پیچیدگی کوانتومی (Quantum Complexity Theory) رایانه ساخت D-wave را رد کرد و گفت که :«اگر این واقعاً یک رایانه کوانتوم است و اگر واقعاً می‌تواند هزاران کیوبیت را در خود بگنجاند، نتیجه آن با یک گوشی همراه تفاوت چندانی ندارد.»

در سال ۲۰۱۳، رایانه D-wave 2 تست شد. در این تست مشخص شد که این رایانه ۳۶۰۰ برابر سریع­تر از رایانه­های معمولی عمل می‌کند. ولی باز هم مخالفانی نتایج را زیر سؤال بردند. یکی از مخالفان سرسخت رایانه­های کوانتومی D-Wave فردی است به نام Scott Aaronson. وی استاد دانشگاه MIT است. به عقیده وی ممکن است اثرات کوانتومی در رایانه D-Wave رخ دهند ولی دلیلی بر سریع­تر بودن این رایانه نسبت به رایانه‌های قدیمی وجود ندارد.

سال قبل گوگل این رایانه را آزمود و نتیجه نشان داد که این رایانه صد برابر سریع­تر از رایانه­های سنتی است. موافقان می‌گویند اگر این سرعت بیشتر به دلیل کوانتوم نیست، پس به چه دلیل است؟ حتی Aaronson هم که خود را سردمدار مخالفان رایانه­های D-wave می‌داند، نتیجه تست گوکل را تحسین کرد.

البته رایانه کوانتوم D-Wave تنها می‌تواند مسائل بهینه‌سازی را حل کند. مسائل بهینه‌سازی دسته‌ای از مسائل هستند که در آن‌ها به دنبال بهترین جواب هستیم. این بهترین جواب می‌تواند کمینه‌ کردن هزینه یا بیشینیه کردن سود باشد. این مسائل در گستره وسیعی از علوم همانند هوش مصنوعی، زیست‌شناسی، اقتصاد، مدیریت و پزشکی ظاهر می‌شوند.

در میان تمام این مخالفت‌ها و موافقت‌ها در مورد رایانه D-Wave، چیزی که همه بر آن توافق دارند این است که تلاش برای ساخت رایانه کوانتوم حتی اگر با شکست هم روبرو شود، درک ما را از فیزیک کوانتوم بالا خواهد برد. فیزیک کوانتوم به شدت پیچیده و اسرارآمیز است که درک آن موجب تحول در نگاه بشر به جهان هستی می‌شود و رایانه­های کوانتوم تلاشی برای افزایش درک بشر از گیتی هستند.

گزارش­ها نشان می دهد که در ژانویه ۲۰۱۴، آژانس امنیت ملی آمریکا مبلغی بالغ بر ۷۹.۷ میلیون دلار بر روی برنامه­ای به نام «رسیدن به اهداف سخت» سرمایه­گذاری کرده­است. بخشی از این برنامه، ساخت یک رایانه­ی کوانتومی است که قابلیت رمزنگاری داشته باشد. در حال حاضر، در درجه اول محققان شرکت­های مختلف در حال سرمایه­گذاری بر روی تحقیقات در زمینه­ محاسبات کوانتومی هستند. اینتل مبلغ ۵۰ میلیون دلار به دانشگاه صنعتی دلفت و سازمان تحقیقات کاربردی هلند پرداخت کرده­است، و هم­چنین پشتیبانی مهندسی لازم را تامین کرده­است. آی‌بی‌ام، گوگل و مایکروسافت نیز، در حال تلاش در این زمینه هستند.

آی‌بی‌ام در آوریل ۲۰۱۵ راهکاری برای تشخیص همزمان خطاهای بیتی و فازی ارایه کرده­است، که گام مهمی در تصحیح خطا در محاسبات کوانتومی است. هم­چنین در سال ۲۰۱۶، این شرکت دسترسی عمومی به اولین رایانه کوانتومی موجود در ابر –معروف به تجربه IBM Q- را عمومی کرد که رابط گرافیکی آن برای برنامه‌نویسی استفاده می‌شود و حالا بر پایه‌ زبان برنامه‌نویسی محبوب پایتون قرار گرفته­است. گشودن درهای این سیستم به روی جهان باعث شد خلاقیتی جرقه بزند که برای پیشبرد تکنولوژی ضروری است و تا به امروز، بیش از ۲۰ مقاله‌ علمی با استفاده از همین ابزار منتشر شده ­است. این حوزه به سرعت در حال رشد است. گروه‌های تحقیقاتی و بیش از ۵۰ استارت‌آپ و شرکت مختلف در سراسر جهان عزم خود را جزم کرده‌اند تا رایانه­های کوانتومی را تبدیل به واقعیت کنند.

 

رایانه‌های کوانتومی

رایانه­‌های کوانتومی؛ ابزارهایی مخرب یا تاثیرگذار؟

رایانه­های کوانتومی، گام بعدی سیر تکامل پردازش اطلاعات شناخته می‌شوند. آینده‌ این فناوری به ما وعده‌ غلبه بر تمام سیستم‌های رایج امروزی و پردازش اطلاعات با سرعتی بیشتر از قوی‌ترین سوپررایانه­ها را داده­ است. با این حال اکثر مباحث علمی مرتبط با این موضوع هم­چنان بر استفاده‌های نهایی رایانه­های کوانتومی متمرکز بوده­ است. ما می‌دانیم که رایانه­های کوانتومی توانایی مدیریت اطلاعات با سرعت قابل‌توجهی را دارند؛ اما این رایانه­ها دقیقاً در چه نوعی از پردازش اطلاعات، مناسب خواهند بود؟ این عدم قطعیت موجب افزایش ابهامات در مورد تأثیرات بالقوه‌ چنین ابزار تئوریک و قدرتمند شده است.

در آگوست ۲۰۱۷ تعدادی از نامداران فناوری‌های کوانتومی در کنفرانسی که هر ۶ ماه با موضوع فناوری‌های کوانتومی در مسکو برگزار می‌شود، گرد هم آمدند. یکی از جذاب‌ترین موضوعات این کنفرانس توسط الکساندر لوُوسکی، مدیر گروه کوانتوم اُپتیک در مرکز کوانتوم روسیه و استاد فیزیک دانشگاه کال‌گاری کانادا، مطرح شد. لوُوسکی معتقد است که رایانه­های کوانتومی ابزارهایی مخرب هستند. چه پتانسیلی در رایانه­های کوانتومی وجود دارد که لوُوسکی چنین ادعایی را مطرح می‌کند؟ در پاسخ به این سوال او به یکی از کاربردهای این فناوری یعنی شکستن رمزنگاری مدرن، می‌پردازد.

امروزه تمام اطلاعات حساس دیجیتالی که از طریق اینترنت ارسال می‌شوند، برای حفاظت از حریم خصوصی طرفین، رمزگذاری شده‌اند؛ در گذشته ما شاهد نمونه‌هایی بوده‌ایم که هکرها توانستند این اطلاعات را با شکستن رمزگذاری آن‌ها، تصاحب کنند. لوُوسکی معتقد است که رایانه­های کوانتومی در آینده، روند شکستن رمزگذاری را راحت‌تر و سریع‌تر خواهند کرد.

در واقع او ادعا می‌کند که هیچ‌کدام از رمزگذاری‌های امروزی نخواهند توانست از قدرت پردازشی رایانه­های کوانتومی، مخفی بمانند. پرونده‌های پزشکی و اطلاعات اقتصادی، حتی اطلاعات محرمانه‌ دولتی و سازمان‌های نظامی به‌راحتی در دسترس خواهند گرفت و این به معنای آن است که تمام دنیا در معرض تهدید این فناوری قرار دارند. متخصصان این حوزه نیز درستی صحبت‌های لوُوسکی را تایید می‌کنند .

برای شکستن رمزگذاری‌ها، تنها دو الگوریتم کوانتومی وجود دارد که یکی از آن‌ها به این رایانه­ها اجازه‌ی جستجو در پایگاه داده را می‌دهد و از دیگری که الگوریتم شُور نام دارد، می‌توان برای شکستن رمزگذاری استفاده کرد. در طی این کنفرانس، میخایل لاکین، یکی از بنیان‌گذاران مرکز کوانتومی روسیه و مدیر گروه لاکین در آزمایشگاه کوانتوم اپتیک دانشگاه هاروارد، خبر از ساخت و آزمایش موفقیت‌آمیز یک رایانه کوانتومی ۵۱ کیوبیتی داد؛ او قرار است از این رایانه برای اجرای الگوریتم شُور استفاده کند.

اما اگر رایانه­های کوانتومی چنین پتانسیل‌های مخربی دارند، چرا به دنبال توسعه‌ی آن‌ها هستیم؟ همان‌طور که لاکین مطرح کرد، کاربردهای بالقوه‌ای ورای شکستن رمزگذاری‌ها وجود دارد؛ کاربردهایی که متخصصان بسیار درباره‌ی آن‌ها هیجان‌زده‌اند. به عنوان مثال، رایانه­های کوانتومی تاثیر بسیاری بر حسگرهای کوانتومی دارند. لاکین می‌گوید: «با توجه به قدرت پردازشی این رایانه­ها، رایانه­های کوانتومی پتانسیل تغییر تشخیص‌های پزشکی را دارند. تصور کنید که پیامدهای استفاده از این رایانه­ها در کشورهای جهان سوم نظیر آفریقا، چه مقدار می‌تواند باشد؛ این فناوری می‌تواند به شناسایی و درمان بیماران کمک کند. به عقیده‌ی من این فناوری می‌تواند بر جامعه نیز تاثیر بسیاری داشته باشد.»

هم­چنین قدرت پردازشی رایانه­های کوانتومی می‌تواند تحقیقات حوزه‌ی هوش مصنوعی را نیز پیش ببرد. در پایان لاکین بیان می‌کند: «من کاملاً متقاعد شده‌ام که پیش از آن­که از رایانه­های کوانتومی برای شکستن رمزگذاری‌ها استفاده شود، ما الگوی رمزگذاری جدیدی نظیر رمزنگاری کوانتومی، خواهیم داشت.»

 

کامپیوتر کوانتومی

ساخت نمونه‌ی اولیه‌ رایانه کوانتومی در ژاپن

ژاپن نمونه اولیه رایانه کوانتومی خود را راه‌اندازی کرد. این رایانه به‌صورت مشترک توسط شرکت مخابراتی NTT، دانشگاه توکیو و مؤسسه ملی انفورماتیک ژاپن ساخته شده‌است. رهبر این پروژه، سوشیهیسا و یاماموتو از دانشگاه استنفورد است.

این رایانه کوانتومی جدید به‌گونه‌ای طراحی شده‌است که می‌تواند ۱۰۰ برابر سریع‌تر از ابررایانه­ها کار کند. این رایانه تنها یک کیلووات انرژی مصرف می‌کند که این مقدار برابر با مصرف یک دستگاه ماکروویو است. این در حالی است که یک ابررایانه برای انجام محاسباتی مشابه با این رایانه کوانتومی، ۱۰ هزار کیلووات انرژی نیاز دارد. براساس اطلاعات منتشر شده، این سامانه کوانتومی قرار است میزبان شبکه نرونی مصنوعی شود و برای انجام تحقیقات در زمینه هوش مصنوعی به کار رود.

لازم به ذکر است که این رایانه برای استفاده‌ سازمان‌ها و مؤسسات از طریق خدمات ابری QNNCloud  در دسترس قرار خواهد گرفت. آنچه که در این پروژه اهمیت زیادی دارد آن است که برای تولید این رایانه کوانتومی از اصول کاملاً متفاوتی نسبت به سامانه‌های کوانتومی رایج استفاده شده‌است. در این رایانه کوانتومی از کیوبیت‌های مبتنی بر اسپین نقاط کوانتومی استفاده شده ‌است. این کیوبیت‌ها، پلاریتون‌های به‌دام افتاده در چاه کوانتومی اگزایتون هستند. ساختار این رایانه کوانتومی بسیار عجیب است. فیبر نوری ویژه‌ای به‌طول یک کیلومتر در این رایانه استفاده شده‌ که در آن نقاط کوانتومی، کیوبیت و دروازه‌های منطقی قرار دارند. این فیبرنوری با فوتون‌های نور پر شده‌است که اطلاعات کوانتومی را منتقل می‌کنند. براساس اطلاعاتی که محققان ژاپنی منتشر کرده‌اند، این رایانه کوانتومی که به‌صورت نمونه اولیه ساخته شده، تا ماه مارس سال ۲۰۲۰ به‌صورت تجاری قابل استفاده خواهد بود. بعد از این تاریخ، از این رایانه برای پردازش داده‌های بزرگ، بهینه‌سازی مدیریت ترافیک، زیرساخت‌های شهری، تحقیقات پزشکی، مواد شیمیایی و علم مواد استفاده خواهد شد.