رایانه کوانتومی چیست و چگونه قرار است دنیا را تغییر دهد؟

در حال حاظر آی بی ام و گوگل در حال رقابت برای ساخت یک رایانه کوانتومی واقعاً کارامد هستند. در این مقاله قصد داریم به شما توضیح دهیم که چه چیزهایی باعث می‌شوند رایانه‌های کوانتومی متفاوت از رایانه‌های عادی باشند و چگونه می‌توان با استفاده از آن‌ها جهان را تغییر داد. در حقیقت محاسبات کوانتومی می‌توانند جهان را تغییر دهند، این محاسبات می‌توانند داروها را متحول کنند، حل راز و رمز‌ها را آسان و ارتباطات و هوش مصنوعی را گسترش دهند.

شرکت‌هایی مانند آی بی ام، مایکروسافت و گوگل در رقابتی سخت برای ساخت رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد هستند. چین نیز در این زمینه میلیاردها دلار سرمایه گذاری کرده است. به تازگی، گوگل ادعا کرده که به برتری کوانتومی دست یافته است و این اولین باری است که یک کامپیوتر کوانتومی از نوع سنتی خود پیشی گرفته است. اما محاسبات کوانتومی چیست و چطور کار می‌کند؟

محاسبات کوانتومی چیست؟

بیایید با اصول اولیه شروع کنیم. یک تراشه رایانه معمولی از بیت‌ها استفاده می‌کند. این بیت‌ها مانند کلیدهای کوچکی هستند که می‌توانند در حالت خاموش که با صفر نشان داده شده است یا در حالت روشن که با یک نمایش داده می‌شود، قرار گیرند. هر برنامه‌ای که استفاده می‌کنید، وب سایتی که از آن بازدید می‌کنید و عکسی که می‌گیرید در نهایت از میلیون‌ها بیت که ترکیبی از صفر و یک هستند، ساخته شده است.

این روش برای اکثر کارها بسیار کارامد است، اما در واقع بازتاب دهنده‌ نحوه عملکرد جهان نیست. در طبیعت همه چیز فقط روشن یا خاموش نیست و در واقع نامشخص هستند. حتی بهترین ابر رایانه‌های ما نیز در برخورد با عدم قطعیت خوب نیستند و این یک مشکل اساسی است. طی یک قرن گذشته، فیزیک‌دانان کشف کرده‌اند که وقتی به مقیاس بسیار ریز وارد می‌شویم، اتفاقات عجیب و غریب آغاز می‌شوند. از همین رو آن‌ها یک حوزه علمی کاملاً جدید را برای تلاش و توضیح این اتفاقات پایه‌گذاری کرده‌اند که مکانیک کوانتوم نامیده می‌شود. مکانیک کوانتوم پایه و اساس فیزیک است که زیربنای علم شیمی است، شیمی نیز پایه و اساس زیست شناسی است. بنابراین برای اینکه دانشمندان بتوانند هر یک از این موارد را به طور دقیق شبیه‌سازی کنند به روش بهتری برای محاسبات نیاز دارند که بتواند با اصل عدم قطعیت سازگار باشد و اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی وارد می‌شوند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟

کامپیوترهای کوانتومی به جای بیت از کوبیت استفاده می‌کنند و به جای اینکه فقط روشن یا خاموش باشند، کوبیت‌ها می‌توانند علاوه بر خاموش و روشن در حالتی به نام “برهم نهی” نیز قرار بگیرند؛ جایی که در آن هم خاموش و هم روشن هستند یا جایی در طیف بین این دو قرار دارند.

یک سکه در دست بگیرید. اگر به آن را تلنگری بزنید می‌تواند در یک لحظه به یک سمت بیفتد اما اگر آن را بچرخانید امکان قرارگیری روی هر سمت سکه وجود دارد، تا زمانی که با متوقف کردن سکه آن حالت را بیابید. حالت برهم نهی مانند یک سکه در حال چرخش است و این یکی از مواردی است که کامپیوترهای کوانتومی را بسیار قدرتمند می کند. در واقع یک کوبیت امکان عدم قطعیت را فراهم می‌کند. اگر از یک رایانه عادی بخواهید که راه خود را درون پیچ و خم‌ها پیدا کند، هر شاخه را در نوبت خود امتحان کرده سپس همه آن‌ها را بصورت جداگانه بررسی می‌کند تا اینکه راه مناسب را پیدا کند. اما یک رایانه کوانتومی می‌تواند به یکباره در هر مسیر پیچ و خم حرکت کند و عدم قطعیت را در راس امور خود نگه دارد. این راهکار مانند نگه داشتن انگشت در بین صفحات کتاب ماجراجویی خودتان است. اگر شخصیت شما از بین برود، می‌توانید به جای اینکه مجدداً به آغاز کتاب برگردید، بی درنگ مسیر متفاوتی را در پیش بگیرید.

کار دیگری که کوبیت‌ها می توانند انجام دهند، در هم تنیدگی نامیده می‌شود. به طور معمول، اگر شما به دو سکه تلنگری بزنید، نتیجه هر سکه هیچ تاثیری در نتیجه دیگری ندارد و آنها مستقل از هم هستند. در بحث در هم تنیدگی، دو ذره با هم پیوند دارند حتی اگر از نظر فیزیکی از هم دیگر جدا باشند. در این حالت اگر یک نمونه موفق شود، دیگری سر نیز سربلند خواهد بود. این نکات به نظر سحر و جادو می‌رسند و فیزیک‌دانان نیز هنوز نمی‌فهمند که چگونه یا چرا این مکانیزم‌ها کار می‌کنند. اما در حوزه محاسبات کوانتومی، این بدین معنی است که می‌توانید اطلاعات را به اطراف و جهات گوناگون حرکت داده و جا به جا کنید حتی اگر حاوی عدم قطعیت باشند. اگر بتوانید چندین کوبیت را با هم جمع کنید، می‌توانید مسائلی را حل کنید که برای بهترین کامپیوترهای حال حاضر میلیون ها سال طول می‌کشد.

رایانه‌های کوانتومی چه کارهایی می‌توانند انجام دهند؟

رایانه‌های کوانتومی تنها برای انجام سریع‌ و بهینه‌تر کارها ساخته نشده‌اند. آن‌ها به ما اجازه می‌دهند کارهایی را انجام دهیم که حتی در خواب نیز ندیده‌ایم، کارهایی که حتی بهترین ابر رایانه‌های امروزی نیز قادر به انجام آن نیستند.

این رایانه‌ها این پتانسیل را دارند تا توسعه هوش مصنوعی را تسریع کنند، هوش مصنوعی‌ای که گوگل از آن برای بهبود نرم افزارهای رانندگی خودکار استفاده می‌کند. این علم همچنین برای مدل سازی واکنش‌های شیمیایی نیز بسیار حیاتی است. در حال حاضر، ابر رایانه‌ها می‌توانند ابتدایی‌ترین مولکول‎ها را تجزیه و تحلیل کنند. اما رایانه‌های کوانتومی با استفاده از همان خصوصیات کوانتومی مولکولی که سعی در شبیه‌سازی آن دارند، کار می‌کنند. رایانه‌های کوانتومی حتی نباید با پیچیده ترین واکنش‌ها نیز مشکلی داشته باشند. این می‌تواند به معنای محصولات کارآمدتری باشد؛ برای مثال می‌توان به مواد جدید در باتری اتومبیل‌های برقی، داروهای بهتر و ارزان‌تر یا پنل‌های خورشیدی بسیار پیشرفته‌تر اشاره کرد. دانشمندان امیدوارند که شبیه سازی‌های کوانتومی حتی بتوانند به یافتن درمانی برای آلزایمر نیز کمک کنند.

رایانه‌های کوانتومی در هر مکانی با سیستمی پیچیده، بزرگ و نامشخص که نیاز به شبیه‌سازی داشته باشد، کاربرد دارند. کارهای قابل انجام می‌توانند از پیش‌بینی بازارهای مالی گرفته تا مدل‌سازی رفتار الکترون‌ها را شامل شوند. در حقیقت می‌توانیم از محاسبات کوانتومی برای درک فیزیک کوانتومی نیز استفاده کنیم. رمزنگاری یکی دیگر از کاربردهای اصلی این رایانه‌ها خواهد بود. در حال حاضر، بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری متکی بر سختی و مشکل شکستن تعداد زیادی کاراکتر برای رسیدن به کاراکترهای اصلی هستند. این کار فاکتور‌سازی نامیده می‌شود و برای رایانه‌های کلاسیک، کند، گران و غیر عملی می‌باشد. اما کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند این کار را به راحتی انجام دهند و این کار اطلاعات ما را درمعرض خطر قرار می‌دهد. شایعاتی وجود دارد مبنی بر اینکه آژانس‌های اطلاعاتی در سراسر جهان در حال جمع آوری طیف گسترده‌ای از داده‌های رمزگذاری شده هستند، به این امید که بتوانند به زودی با دستیابی به یک رایانه کوانتومی رمزها را بشکنند. تنها راه مقابله با این عمل، رمزگذاری کوانتومی است که این رمزگذاری به اصل عدم قطعیت متکی است. کلیدهای رمزگذاری کوانتومی قابل کپی یا هک کردن نیستند و باید گفت این کلیدها کاملاً غیرقابل هک خواهند بود.

چه زمانی به یک رایانه‌ کوانتومی دست خواهیم یافت؟

احتمالاً هرگز در لپ تاپ یا تلفن هوشمند خود شاهد تراشه کوانتومی نخواهیم بود و قرار نیست که یک آیفون با نام آیفون کیو (iPhone Q) وجود داشته باشد!. رایانه‌های کوانتومی در حدود ده‌ها سال است که نظریه‌پردازی شده‌اند، اما دلیل طولانی شدن زمان برای رسیدن به آن‌ها، حساسیت شدید این رایانه‌ها به هرگونه مشکل و تداخل می‌باشد.

تقریباً هر چیزی می‌تواند یک کوبیت را از حالت حساس برهم نهی خارج کند. در نتیجه، کامپیوترهای کوانتومی باید از تمام تداخل‌های الکتریکی جدا شده و تا نزدیک به صفر مطلق سرد شوند و این بسیار سردتر از سرمای محیط‌های خارجی است. این رایانه‌ها بیشتر توسط دانشگاهیان و مشاغل خاص مورد استفاده قرار خواهند گرفت که احتمالاً از راه دور به این رایانه‌ها دسترسی پیدا می‌کنند. استفاده از رایانه کوانتومی آی بی ام از طریق وب سایت آن امکان‌پذیر است و حتی می‌توانید با آن کارت بازی کنید. اما ما همچنان نیازمند زمان هستیم تا به روزی برسیم که این رایانه‌ها هر آنچه را که وعده داده‌اند عملی کنند. هم اکنون بهترین رایانه‌های کوانتومی حدود 50 کوبیت دارند و این مقدار کافی است تا آن‌ها را فوق العاده قدرتمند بدانیم و باید دانست با اضافه کردن هر کوبیت شاهد افزایشی نمایی در ظرفیت پردازش این رایانه‌ها هستیم. البته اکنون این رایانه‌ها به دلیل مشکلات تداخلی که وجود دارد، دارای نرخ خطای بسیار بالایی هستند.

در حال حاضر این رایانه‌ها قدرتمند هستند اما قابل اعتماد نیستند. این بدان معنی است که ادعاهای برتری کوانتومی فعلاً واقعی نیستند و همچنان راه برای ادامه دادن دارند. در اکتبر سال 2019، گوگل مقاله‌ای منتشر کرد که نشان می‌داد به برتری کوانتومی دست پیدا کرده است اما رقبای گوگل همچون آی بی ام این ادعا را به چالش کشیدند. بسیاری از پیشرفت‌های بزرگی که تاکنون حاصل شده، برای حل کردن مسائلی بوده است که ما پیش از این جواب آن‌ها را می‌دانستیم. در هر صورت، رسیدن به برتری کوانتومی به این معنی نیست که رایانه‌های کوانتومی در واقع آماده انجام هر کاری هستند. محققان پیشرفت زیادی در توسعه الگوریتم‌هایی که رایانه‌های کوانتومی استفاده خواهند کرد، داشته‌اند اما خود رایانه‌ها همچنان به توسعه و تکامل بیشتری نیاز دارند.

در انتها باید گفت که محاسبات کوانتومی می‌توانند جهان را تغییر دهد اما در حال حاضر، آینده این رایانه‌ها نامشخص است.