کامپیوترهای کوانتومی (بخش ۱)
داستان کامپیوترهای کوانتومی
محققان شرکتهایی مانند گوگل، اینتل، آیبیام، مایکروسافت و دیگر غولهای فناوری در تلاش برای ساخت نسل جدید کامپیوترها هستند و چند سالی که در لابراتوارها به تحقیق و توسعه در این حوزه میپردازند و به نظر میرسد که تنها چند سالی بیشتر با تجاری شدن این فناوری فاصله نداشته باشیم و در آیندهای نه چندان دور چیزی را مشاهده کنیم که احتمال دارد ذهنیت بشر را نسبت به پردازش و کامپیوتر تغییر دهد.
نیاز به توضیح نیست که یک کامپیوتر معمولی، مانند گوشی یا لپتاپ ، یک سیستم باینری (دودویی) یا در اصل یک سیستم پردازشی Yes/No است اما برخلاف توضیحی که در بالا داده شد، داستان کامپیوترهای کوانتومی کاملاً فرق دارد و به این دلیل آن را کوانتومی مینامیم که از منطق باینری پیروی نمیکند!
در واقع، کامپیوتر کوانتومی نه تنها یک سیستم Yes/No است، بلکه در آنِ واحد هم میتواند Yes را شامل شود و هم No را و ماهیتی اینچنین طراحی سیستمهایی از این دست را پیچیده میسازد (در واقع، در کامپیوترهای کوانتومی وقتی که دولوپر بخواهد دست به انتخابی بر اساس منطق بزند، دیگر محدود به دستورهای شرطی نیست که در توسعهی سیستمهای نرمافزاری رایج امروزی میبینیم.)
در ارتباط با کامپیوترهای معمولی، مشکل اینجا است که کامپیوترهای باینری آن طوری که میخواهیم مسائل را حل نمیکنند و برای این مورد مثالهای زیادی را میتوان ذکر کرد. مثلاً وقتی از این نوع کامپیوترها خواسته میشود مسئلهای را حل کنند که هر جواب آن به یک اندازه احتمال داشته باشد، منطق کامپیوتری برای ارزیابی احتمال هر جواب زمان جداگانهای نیاز دارد در حالی که کامپیوترهای کوانتومی توسط مفهومی به نام Quantum Entanglement میتوانند در آنِ واحد چندین احتمال را بررسی کنند.
حال که با داستان کامپیوترهای کوانتومی آشنا شدیم بریم تا کمی دقیق تر موضوع رو بررسی کنیم.کامپیوترهای
آشنایی با مفهوم Quantum Entanglement
وقتی دو ذره درهم تنیده میشوند، پدیدهای به وجود میآید که در آن اگر هر اتفاقی برای یکی از این ذرات بیفتد، برای ذره دیگر هم همان اتفاق رخ خواهد داد که انیشتین این پدیده را Spooky Action At A Distance نامید. در همین راستا، بخش اصلی و بزرگ تحقیقات مربوط به موضوع فیریک کوانتومی که در دههی 1980 انجام شد بر این اصل استوار است که استفاده از Quantum Entanglement (درهمتنیدگی کوانتومی) خیلی از مشکلات لاینحل امروزی را رفع خواهد کرد.
با اینکه خود تکنولوژی کوانتومی در حال حاضر موجود است، اما چالشهای بسیاری وجود دارد تا اینکه بتوان این تکنولوژی را به صورت کامل پیادهسازی و اجرا کرد. اول اینکه ما هنوز به قدر کافی در استفاده از کامپیوترهای کوانتومی تجربه نداریم به این معنی که از نقطه نظر کاربرد، دانش و توانایی ما در زمینهی استفاده از کامپیوترهای کوانتومی به مراتب عقبتر از کامپیوترهای معمولی است مضاف بر اینکه باید بر نگرانیهای فیزیکی و مادی هم غلبه کرد (برای مثال، پردازندهها باید در گرمای شدید، در دمای صفر مطلق نگاهداری شوند و این یک چالش بزرگ است.)
اما از طرفی با اینکه مشکلات باورنکردنی بر سر راه وجود دارند، آینده و چشمانداز کاملاً روشن است. برای مثال، در دستاوردهای دانشمندان چینی، برای اولین بار یک تماس ویدئویی اصطلاحاً Space-based توسط فناوری کوانتومی رمزگذاری شد. این تماس ویدئویی بین یک دانشمند چینی در پکن و یک دانشمند اتریشی در وین برقرار شد که فاصلهی بین آنها بیش از ۶۵۰۰ کیلومتر بود. این ارتباط ابتدا به یک ماهواره در فضا فرستاده شد و سپس به زمین برگشت. در واقع، دانشمندان به دلیل اینکه در روشهای سُنتی ارسال فوتونها مانند کابلهای فیبر نوری قطع سیگنال وجود دارد، تصمیم گرفتند از این روش برای انجام چنین تحقیقی استفاده کنند که به دستاورهای فوقالعادهای هم نائل شدند.
نیاز به توضیح است که ارتباطات رمزگذاریشدۀ کوانتومی امکان ندارد که توسط یک کامپیوتر باینری هک شوند اما در عین حال ذکر این نکته هم الزامی است که موفقیت در ساخت یک کامپیوتر کوانتومی مناسب بازار میتواند هشداری برای اتمام نسل سیستمهای رمزنگاری باینری باشد. از دید تئوریک، کامپیوترهای کوانتومی قادر خواهند بود رمزگذاری 128Bit مرسوم در سیستمهای باینری را فوراً کرک کنند و این توانایی عجیب میتواند به منزله پایان عمر کامپیوترهای مرسوم امروزی باشد (به طور مثال، برخی بر این باورند که با آمدن کامپیوترهای کوانتومی، کریپتوکارنسیهایی همچون بیتکوین با مشکلات جدی مواجه خواهند شد.)
پس تا اینجای کار متوجه شدیم که
رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیدهها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده میکند. کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار میکنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که میتوان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیرهسازی و انجام عملیات روی دادهها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشینها، ماشین تورینگ کوانتومی (Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده میشود.
رایانش کوانتومی
اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایشهایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیتها اجرا شدهاست. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis حمایت میکنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، میتوانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند برای مثال الگوریتم شُور، Shor’s Algorithm.
البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمیکنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان میآورند.
ذرهکوانتوم چیست؟
همه چیز (ماده) از قطعات کوچکتر تشکیل شده است: عناصر شیمیایی، مالیکولها، اتمها و حتی قطعات زیر اتمی کوچکتر (ذرات).
ذره:تصور کنید که یک توپ تنیس در حال پرتاب شدن به دیوار است، ما میدانیم که به طور مداوم به دیوار برخورد میکند و می پرد به دلیل اندازه، مواد و نیروهای طبیعت (جاذبه وغیره) و اگر 1000 بار این کار را انجام میدادیم همیشه همان کار را میکرد.
ذرهکوانتوم:در مقیاس زیر اتمی، تمام قوانین یا نیروهای طبیعی قابل پیش بینی نیستند. یک ذره کوانتوم (یک قطعه بسیار کوچک ماده)، وقتی به دیواره پرتاب میشود، گاهی پرش میکند و بار دیگر به طور تصادفی از طریق دیوار عبور میکند.
ذرات کوانتوم چگونه مفید هستند؟
تمام داده های موجود در کامپیوتر از اطلاعات کوچکتری تشکیل شدهاند بنام بیتها که با یک و صفر نشان داده میشوند. به عنوان مثال، در این دستگاه کلمه cat را مشاهده میکنید اما کامپیوتر در حال خواندن 01100011 01100001 01110100 است و سپس آن را به متن قابل خواندن برای ما تبدیل میکند. این رشته یکها و صفرها را باینری مینامند.
BITS
بیت داده ها با استفاده از آهن ربا در حال حاضر ذخیره میشوند زیرا دارای قطب شمال و جنوب هستند. وقتی آهنربا به سمت بالا میرود، به صورت 1 خوانده می شود و وقتی به سمت پایین میرود صفر است. در بالا، میبینید که بیتها فقط می توانند 2 گزینه (حالت) داشته باشند: “روشن یا خاموش” ، “بالا یا پایین” ، “1 یا 0”.
QUBITS
بیتهای کوانتومی مشابه هستند. اگر ذره ای به سمت راست بچرخد، عدد 1 است. اگر به سمت چپ بچرخد، عدد 0 است. به این معنی که ما میتوانیم از ذرات برای ذخیره داده ها به جای مواد مغناطیسی بزرگتر استفاده کنیم. برخلاف بیتها، این ذرات میتوانند به طور همزمان در هر دو جهت بچرخند (اصطلاحاً superposition) تا زمانی که اندازهگیری شوند و ما 1 یا 0 را ببینیم.
تفاوت کامپیوترهای باینری سنتی و کامپیوترهای کیوبیت
محاسبه باینری
- به ترتیب تعیین شده انجام میشوند.
- وقت بیشتری میگیرد.
- هزینه بسیار کمتر دارد و قیمت ها در حال کاهش اند.
- محدودیتی برای کوچک بودن دستگاهها دارد.
- برای افراد بیشتری قابل دسترسی میباشد.
محاسبه کیو بیت (QUBIT)
- همه محاسبات همزمان اتفاق میافتند.
- در جستجوی دیتابیس (Database) های بزرگ بسیار موثر میباشد.
- هزاران برابر سریعتر از یک کامپیوتر سنتی اند.
- هنوز تجربی هستند.
- فقط برای شرکت های بزرگ قابل دسترسی میباشد.
کامپیوتر کوانتومی چطور امنیت را تحت تاثیر قرار میدهد؟
همان طور که میدانیم کامپیوترهای کوانتومی در اصل بر منبای فیزیک کوانتوم پایه گذاری شدهاند و توان محاسباتی به مراتب بالاتری نسبت به سوپر کامپیوترها دارند.
زمانی که صحبت از کامپیوترهای کوانتومی به میان میآید، احتمالاً عدهی زیادی تصور میکنند یک کامپیوتر به شکل و شمایل کامپیوترهای فعلی در دست خواهیم داشت که توان پردازشی به مراتب بالاتری دارد. این تصور اشتباهی است و چیزی که ما دربارهی آن صحبت کردیم، در اصل سوپر کامپیوترها هستند. ابرقدرتهایی که سالهای سال است بر سر توسعهی آنها رقابت دارند. کامپیوترهای کوانتومی اما موضوع کاملاً متفاوتی است. به عنوان نمونه ، شاهد معرفی اولین کامپیوتر کوانتومی گوگل با نام Sycamore با 53 کیوبیت بودیم که در مقایسه با قویترین سوپر کامپیوتر دنیا یعنی Summit، سرعت فوقالعاده بالایی دارد. به عبارتی این کامپیوتر کوانتومی قادر است محاسباتی را در مدت 3 دقیقه و 20 ثانیه انجام دهد که Summit برای انجام همین محاسبات به 10 هزار سال زمان نیاز دارد.
آیا امنیت به واسطهی کامپیوترهای کوانتومی در خطر است؟
موضوع کامپیوترهای کوانتومی از دههی 1980 مورد بحث قرار گرفتند و در زمینههای طراحی و آزمایش داروهای جدید، پیش بینی وضعیت هوا، تحلیل داده، هوش مصنوعی و… کاربرد خواهند داشت. اما یکی از کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در زمینهی کامپیوتر، در حوزهی رمزنگاری هست. همانطور که میدانید موضوع امنیت کاملاً نسبی است و آنچه که امروز آن را امن مینامیم، ممکن است تا چند سال دیگر هیچ گونه امنیتی نداشته باشد.
در حال حاضر الگوریتم RSA به عنوان یک الگوریتم امن در اینترنت، در اکثر ارتباطاتی که به امنیت بالایی نیاز دارند مثل ارتباطات بانکی، استفاده میشود. پایه و اساس این الگوریتم، وجود یک عدد طبیعی بسیار بزرگ مانند N است که شکستن آن به فاکتورهای اول (یا پاور پرایم) ممکن نیست. پیدا کردن همین فاکتورهای اول یک عدد بزرگ، یک مسئلهی بسیار دشوار NP-Complete است که برای بدست آوردن آنها روی کامپیوترهای معمولی و حتی ابرکامپیوترها، به میلیاردها سال، زمان نیاز است. اما کامپیوترهای کوانتومی در مدت بسیار کوتاهی، به دلیل ساختار و سرعت بالایی که دارند، میتوانند این فاکتورها را با استفاده از الگوریتمهایی مانند Shor (که یکی از معروفترین و مهمترین الگوریتمهای کوانتومی است) بدست بیاورند. بنابراین امنیت کنونی که داریم، به طور کلی زیر سوال میرود. از طرفی خود محاسبات کوانتومی میتوانند به افزایش امنیت کمک هم کنند. درواقع اگر یک کانال ارتباطی کوانتومی در اختیار داشته باشیم، میتوانیم داده و کلید را از طریق این کانال امن انتقال دهیم و امنیت بی نظیری را در تجربه کنیم.
به عنوان نمونه میتوانیم به کامپیوترهای کوانتومی IBM و گوگل و همچنین کامپیوتر کوانتومی جدید هانی ول با نام H1 با 10 کیوبیت اشاره کنیم. کامپیوترهای کوانتومی در حل مسائلی که به حافظه و محاسبات زیادی نیاز دارند کاربرد دارد اما به نظر میرسد که استفاده از ابرکامپیوترها در آینده حتی بیشتر از کامپیوترهای کوانتومی باشد.
کامپیوترهای کوانتومی نسل آیندهی پردازشهای کامپیوتری هستند که میتوانند دنیای فناوری اطلاعات را به کلی دگرگون کنند.
در مقاله بعدی بیشتر در مورد این تکنولوژی نوین صحبت خواهیم کرد….
