رایانش کوانتومی

سیدحسین مفاخریان*
انتخاب دقیق تاریخ ظهور یک تکنولوژی جدید، همیشه کار دشواری است ولی با این وجود می‌توان گفت که رایانش کوانتومی امسال، ۴۰ ساله می‌شود. در سال ۱۹۸۱ ریچارد فاینمن، فیزیکدان آمریکایی، در یک همایش در حوزه رایانش گفت که طبیعت یک موجود کلاسیک نیست و اگر واقعا می‌خواهیم طبیعت را شبیه‌سازی کنیم، باید آن را کوانتومی بسازیم و مشکل دقیقا از همین‌جا شروع می‌شود. چرا که این کار، کار ساده‌ای نخواهد بود. با ۴۰‌ساله شدن این تکنولوژی، می‌توان گفت که رایانش کوانتومی حداقل در حد یک پیشنهاد تجاری رسیده است. تا مدت‌ها همه اتفاق نظر داشتند که برای کاربردهای واقعی این تکنولوژی، باید حداقل یک دهه دیگر منتظر بود ولی به‌نظر می‌رسد که در حال حاضر برخی، دیگر این‌طور فکر نمی‌کنند.
کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برخی محاسبات و ریاضیات را از هر ماشین کلاسیک دیگری سریع‌تر انجام دهند و ساخت آنها می‌تواند انقلاب‌های بزرگی را ایجاد کنند. به عنوان مثال در حوزه شیمی، اکثر واکنش‌ها برای کامپیوترهای امروزی بسیار پیچیده هستند و نمی‌توانند با دقت خوبی شبیه‌سازی شوند. ولی با ظهور کامپیوترهای کوانتومی و حل کردن این محاسبات دشوار، نه تنها در حوزه شیمی بلکه در علوم مواد، داروسازی، باتریها و خیلی موارد دیگر نیز تحولات عظیمی رخ خواهد داد. و همین‌طور قابلیت این کامپیوترها در حل مسائل بهینه‌سازی بسیار مطرح است و حل این مسائل برای کامپیوترهای کلاسیک دشوار است.
از سال ۱۹۹۴به بعد بودکه نظریه اطلاعات و مکانیک کوانتوم در تعامل مستقیمی با محاسبات نانومتری، وارد مرحله تازه‌ای شدند. مرحله‌ای که اکنون به ‌نام محاسبات کوانتومی با آن آشنا هستیم. محاسبات کوانتومی با هدف ارائه راه‌حل‌‌هایی برای طراحی مجدد ترانزیستورها و دستگاه‌های الکترونیکی بر مبنای نظریه کوانتوم شکل گرفت. راه‌حلی که می‌گوید ترانزیستورها را می‌توان در ابعاد نانومتری و به ‌شکل کوچک‌تری طراحی کرد. در همان ایام بود که اصطلاح جدیدی به‌ نام کیوبیت/ کوبیت (qubit) یا همان بیت‌کوانتومی برای اولین بار مطرح شد. به‌ طور معمول و استاندارد در یک سیستم باینری که به سیستم دودویی معروف است، یک بیت کوچک‌ترین و اصلی‌ترین واحد ذخیره‌سازی اطلاعات در کامپیوترها به‌شمار می‌رود.در دنیای کوانتوم ذرات مواد یا به ‌عبارت دقیق‌تر کیوبیت‌ها می‌توانند در آن واحد، صفر، یک و هر دو این مقادیر را داشته باشند. بیت در یک لحظه می‌تواند یکی از دو رقم صفر یا یک (حالت روشن و یا خاموش) را به ‌خود اختصاص دهد. اما در منطق کوانتومی یک بیت می‌تواند صفر، یک یا هر دو حالت را به طور هم ‌زمان داشته باشد. به‌ عبارت دیگر، اگر در سیستم‌های فعلی، یک سیستم می‌تواند یک فرآیند را بررسی کند، یک کامپیوتر کوانتومی این توانایی را دارد تا فرآیندهای بسیار زیادی را مورد ارزیابی قرار دهد. به طور مثال، اگر یک کامپیوتر فرضی دارای هشت بیت حافظه باشد یک کامپیوتر می‌تواند مشتمل بر ۲۵۶ حالت ممکن باشد که از این ۲۵۶ حالت ممکن در یک لحظه فقط می‌تواند در یک حالت قرار بگیرد. اما در یک کامپیوتر کوانتومی یک کوبیت می‌تواند صفر، یک یا هر دو حالت را به طور همزمان داشته باشد که در نتیجه یک کامپیوتر کوانتومی هشت کوبیتی در یک لحظه می‌تواند به طور همزمان در ۲۵۶ وضعیت محاسباتی قرار داشته و زمانی ‌که به نتیجه محاسبات نیاز است، در یک وضعیت ممکن قرار گرفته و مابقی محاسبات را به صورت موازی ارائه کند.رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم‌نهی (Superposition) و درهم‌تنیدگی(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.
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 حمایت می‌کنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند. البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه‌پذیر نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه‌پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.رایانش کوانتومی با هدف استفاده از کاربردها و اصول فیزیک کوانتوم، شکل گرفته است؛ بخشی از علم فیزیک که به دنبال توصیف جهان بر مبنای ذرات بنیادین اتم است و حالا می‌تواند مبنای کار کامپیوترها در آینده قرار بگیرد. درحالی که کامپیوترهای امروزی از ساختار صفر و یک برای ذخیره اطلاعات استفاده می‌کنند، کامپیوترهای کوانتومی این کار را با واحدهای بیت یا کوبیت انجام می‌دهند که ترکیبی شبیه‌سازی شده از ساختار صفر و یک است. این کوبیت‌ها می‌توانند از طریق پدیده‌ای به نام گره، به یکدیگر متصل ‌شوند. مجموع اینها به معنای آن است که کامپیوترهای کوانتومی بسیار قدرتمندتر از ماشین‌های امروزی هستند و توانایی انجام محاسبات کامپیوتری پیچیده را با سرعتی بسیار بیشتر در اختیار دارند.و اما کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟ عملکرد کامپیوترهای کوانتومی بر مبنای پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم همچون برهم‌نهی و درهم‌تنیدگی در محاسبات‌شان استوار شده است. به‌بیان ساده این دو مفهوم به ما می‌گویند، تعدادی از ذرات ریز یک اتم می‌توانند در یک لحظه در دو حالت متفاوت قرار داشته باشند. همین موضوع به کامپیوترهای کوانتومی این امکان را می‌دهد تا محاسبات بسیار پیچیده‌ای همانند رمزگذاری‌های ریاضی را انجام داده یا آنها را در‌هم شکنند. به طور مثال، کامپیوتر کوانتومی جدید دی‌‌ویو با موفقیت توانست الگوریتم‌هایی که روی کامپیوترهای سنتی اجرا می‌شوند را با سرعتی به ‌مراتب بالاتر اجرا کند. کوبیت مهم‌ترین مولفه‌ای است که در کامپیوترهای کوانتومی قرار دارد.
تفاوت‌های کامپیوترهای کلاسیک که از مکانیسم‌های دودویی استفاده می‌کنند با کامپیوترهای کوانتومی که از مکانیسم کوانتومی استفاده می‌کنند بسیار است. در یک کامپیوتر کلاسیک و رایج فعلی شما با گروهی از یک‌ها و صفرها که در مکانیسم دودویی مورد استفاده قرار می‌گیرند، سر و کار دارید. این سیستم امروزه برای انجام محاسبات مورد استفاده قرار می‌گیرد. تصور کنید یک ذره بنیادی در حال چرخش را در اختیار دارید. این ذره بسته به اینکه در چه جهتی قرار دارد، در حال چرخش است. این چرخش ممکن است از بالا به پایین باشد. حال اگر تعداد زیادی از این ذرات را در اختیار داشته باشیم، این توانایی را داریم تا اطلاعات را ذخیره‌سازی کنیم. سیستمی که در آن تعدادی از چرخش‌ها به‌سمت بالا و تعداد دیگری به‌سمت پایین هستند. چنین رویکردی در دنیای محاسبات دودویی حکم‌فرماست. اما در یک کامپیوتر کوانتومی اوضاع متفاوت است. ما به‌خوبی از این موضوع اطلاع داریم که ذراتی همچون الکترون این توانایی را دارند تا در یک لحظه در تمام جهات بچرخند. چرخش در تمام جهات یکی از عجیب‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتوم است. ما می‌توانیم با اندازه‌گیری الکترون‌ها جهت چرخش آنها را متوجه شویم. چرخشی که می‌تواند در هر جهتی رخ دهد. دیوانه‌کننده به‌نظر می‌رسد، اما واقعیت دارد. اگر یک الکترون بتواند در آن واحد در تمام جهات بچرخد و بتوانیم آن ‌را اندازه‌گیری کنیم به‌معنای آن است که می‌توانیم محاسبات بسیار زیادی را به طور همزمان انجام دهیم. در این ساز‌و‌کار می‌توانیم فرآیند اندازه‌گیری را در انتهای محاسبات انجام دهیم. زمانی که یک ذره در یک لحظه بتواند چند کار را به طور همزمان انجام دهد به ‌معنای آن است که چند محاسبه را در یک لحظه می‌تواند انجام دهد. این رویکرد ساز‌و‌کار کامپیوترهای کوانتومی را شکل می‌دهد. اما برای دستیابی به چنین ساز‌و‌کاری ما با مشکلات عدیده‌ای رو‌به‌رو هستیم. این فناوری همانند بسیاری از فناوری‌های دیگر ضمن ایجاد فرصت‌های بسیار، تهدیداتی را هم متوجه سامانه‌های فناوری می‌کند. هر‌چند رایانش کوانتومی هنوز تکنولوژی جوانی به‌حساب می‌آید و محققان مشغول تحقیق درباره آن هستند، اما شرکت‌های بزرگی مانند گوگل و آی‌بی‌ام معتقدند که رایانش کوانتومی در یک دهه آینده به واقعیتی غیرقابل انکار تبدیل خواهد شد. کامپیوترهای کوانتومی قادر به محاسبه و پردازش اطلاعات با سرعتی بسیار سریع‌تر از ماشین‌های کامپیوتری کلاسیک خواهند بود و این موضوع می‌تواند استانداردهای رمزنگاری امروزه را دچار مشکل کند. و به همین دلیل برخی از شرکت‌ها این روزها، درحال آماده کردن دولت‌ها و کسب‌وکارها برای مواجهه با تهدید بزرگ کامپیوترهای کوانتومی در آینده و تقویت سیستم دفاع سایبری آنها می‌باشند. این در حالی است که بسیاری معتقدند رایانش کوانتومی پدیده نوظهوری است و هنوز نمی‌تواند تهدیدی چنان جدی به حساب بیاید. در مقابل اما بعضی از غول‌های صنعت تکنولوژی از جمله گوگل، مایکروسافت و آی‌بی‌ام معتقدند این تکنولوژی جدید تا یک دهه دیگر به جزئی جدانشدنی از زندگی روزمره همه ما تبدیل خواهد شد و همین پیش‌بینی می‌تواند خبر نگران‌کننده‌ای برای امنیت سایبری سازمان‌ها و کسب‌وکارها باشد.دیوید ویلیامز هم ‌بنیانگذار و رییس هیات‌مدیره شرکت Arqit که در زمینه تامین امنیت و آمادگی حملات سایبری ناشی از رایانش کوانتومی فعالیت دارد، می‌گوید: که کامپیوترهای کوانتومی میلیون‌ها‌ بار سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک امروزی هستند و می‌توانند به هر‌کدام از رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده برای رمزنگاری، نفوذ کنند. او در این مورد می‌گوید: «میراثی که امروزه ما برای حفظ امنیت داده‌ها و اطلاعات‌مان از آن استفاده می‌کنیم PKI یا زیرساخت کلیدی عمومی است که در دهه ۱۹۷۰ ابداع شد.PKI در اصل برای حفظ امنیت ارتباطات میان دو کامپیوتر ابداع شد و نه برای جهان امروزی که وابستگی شدیدی به ارتباطات دارد و حجم این ارتباطات در آن بسیار فراتر از چیزی است که در دهه ۱۹۷۰ وجود داشت. PKI نمی‌تواند برای دنیای امروز با میلیاردها دستگاه دیجیتال که حجم گسترده‌ای از ارتباطات پیچیده را انجام می‌دهند، کافی و تضمین‌کننده باشد.»
نکته پایانی
اگر چه هنوز مشکلاتی در ساخت کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد ولی پیشتازان این عرصه معتقدند تا یک دهه آینده، بر این مشکلات نیز غلبه خواهند کرد و این کامپیوتر‌ها جزئی از زندگی ما خواهد شد. با توجه به اینکه در این زمینه سرمایه‌گذاری‌های بسیاری نیز شده است، انتظار می‌رود نتایج آن در سال‌های آتی به نتیجه نهایی برسد و نسل امروز بشری بتواند از محاسبات پیچیده‌ای که تاکنون زمان بسیاری می‌گرفته یا اینکه حل آنها با استفاده از کامپیوتر‌های کلاسیک را غیرممکن می‌کرده، با استفاده از نسل کامپیوتر‌های کوانتومی حل کند و متخصصان شاغل در این فناوری باید خود را برای مواجهه با این فناوری آماده کنند.
* مدیرعامل و عضو هیات مدیره شرکت پردازش تصویر کمان