جهش بزرگ در پردازش کامپیوتری

گروه فناوری- پیشرفت تکنولوژی کوانتوم در زمینه علوم کامپیوتر، نمایانگر جهشی عظیم در توانایی پردازش کامپیوتری، چه در سطح رایانه‌های خانگی و چه در سطح ابرکامپیوترهای مدرن است.
با پیشرفت تکنولوژی کوانتوم گروهی از محققان، طی یک مسابقه علمی دست به تولید کامپیوترهای کوانتومی زدند.
اصطلاح کوانتوم در فیزیک، به معنای کمترین مقدار ممکن از یک کمیت شرکت‌کننده در یک اندرکنش است. به عبارت دیگر، به کمترین مقدار ممکن از یک کمیت، مقدار پایه یا یک کوانتوم آن کمیت می‌گویند. یک کمیت کوانتیده تنها می‌تواند مقدارهایی گسسته، یعنی مضرب صحیحی از کوانتوم آن کمیت را اختیار کند. برای نمونه، مقدار بار الکتریکی یک جسم که در اثر مالش باردار شده، همواره مضرب صحیحی از بار الکتریکی یک الکترون است.
بر این اساس، رایانه کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی و درهم‌تنیدگی 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 است که کامپیوتر کوانتومی جهانی نیز نامیده می‌شود.
یک رایانه معمولی مانند همین تلفن هوشمند یا لپ‌تاپی که روزانه با آن سر و کار داریم، نوعی سیستم باینری هستند. در علوم کامپیوتر، سیستم باینری چارچوب کاری را به ما می‌دهد که می‌توانیم اعداد را به صورت رشته‌ای با صفر و یک نمایش دهیم که بر اساس بله یا خیر کار می‌کند و شگفت‌انگیز است که چطور برنامه‌نویسان کامپیوتر می‌توانند از زبانی به این سادگی یک تراشه پیچیده کامپیوتری را برنامه‌نویسی کنند یا چطور قادرند چیزی شبیه مایکروسافت آفیس را با سناریوهای «اگر این و سپس آن» ایجاد کنند.
اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده است. 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 مسایل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور). 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.
کامپیوتر کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی هرچند مفهوم کاملا متفاوتی دارند و به این دلیل کوانتومی خوانده می‌شوند که از منطق باینری استفاده نمی‌کنند. اما به طور کلی ابزارهایی هستند که بر اساس بله و خیر یا هر دو عمل می‌کنند. زمانی که یک توسعه‌دهنده (برنامه‌نویس) در این نوع کامپیوترها بخواهد یک گزاره منطقی را کدنویسی کند، صرفا به قانون شرطی «اگر A صادق باشد، پس B هم صادق است» محدود نیست، بلکه علاوه بر این قاعده ممکن است از خود بپرسد «اگر هر دو صادق باشد،‌….». چنین رویکردی به نظر می‌رسد شباهت بیشتری با معادلات جهان‌مان داشته باشد.
میزان بهبود عملکرد کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای فعلی در محدوده میلیون‌ها برابر بهتر و حتی فراتر از آن قرار خواهد گرفت. کامپیوتر کوانتومی با پیروی از قوانین فیزیک کوانتوم توان پردازشی عظیمی دارد. این بهبود عملکرد از طریق توانایی داشتن چندین حالت مختلف و انجام دستورات مختلف با استفاده از تمام جایگشت‌های ممکن در یک زمان واحد به دست می‌آید.
چندین نمونه موجود است که نشان می‌دهند سیستم باینری نمی‌تواند مسایل را آنطور که انتظار می‌رود، حل کند. هنگامی که از این کامپیوترها خواسته می‌شود مساله‌ای را حل کنند که در هر پاسخ احتمالاتی نیز وجود داشته باشد، این سیستم باید زمانی را به طور فردی برای ارزیابی هر احتمال در نظر بگیرد.
اما کامپیوترهای کوانتومی بیش از یک احتمال را در یک زمان از طریق قانون درهم تنیدگی کوانتومی می‌توانند ارزیابی کنند.
ارتباط از طریق درهم‌تنیدگی
بر اساس قوانین کوانتومی، هنگامی که دو ذره درهم تنیده می‌شوند، پدیده‌ای به وجود می‌آید و هر اتفاقی که برای یکی از ذره‌ها بیفتد، متعاقبا برای ذره دیگر نیز رخ می‌دهد. اینشتین بعدها این درهم تنیدگی را «تاثیر از فاصله شبح وار» نامید.
طی پیشرفت‌هایی که در زمینه تکنولوژی کوانتوم صورت گرفته است، محققان چینی موفقیت‌های چشمگیری در ارتباطات کوانتومی به ویژه اینترنت کوانتومی کسب کرده‌اند. اینترنتی که ما می‌شناسیم، از فرکانس‌های رادیویی برای اتصال بین کامپیوترهای متفاوت در یک شبکه جهانی استفاده می‌کند؛ شبکه‌ای که سیگنال‌های الکترونیکی در آن رد و بدل می‌شود‌ اما در اینترنت کوانتومی سیگنال‌ها با استفاده از ذرات کوانتومی در هم‌ تنیده در یک شبکه کوانتومی رد و بدل می‌شوند.
با توجه به پدیده‌ای که انیشتین آن را تاثیر شبح‌وار از راه دور (Spooky action at a distance) نامیده بود، ذرات کوانتومی درهم‌تنیده وضعیت خاصی دارند که به آنها این امکان را می‌دهد که اطلاعات درون خود را بلافاصله درون یک ذره کوانتومی درهم‌تنیده دیگر بازتاب دهند. این پدیده مانند یک تله پورت کوانتومی است.
سطح بالای امنیت
تکنولوژی کوانتوم هم‌اکنون آماده اجراست‌ اما چالش‌های بیشماری برای اجرای کامل آن وجود دارد.
البته با وجود چندین مشکل باور‌نکردنی، چشم‌اندازهای بسیار روشنی وجود دارند. گفتنی است، از پیشرفت‌های اخیر می‌توان به اولین تماس ویدئویی فضایی با رمزگذاری کوانتومی اشاره کرد.
بر اساس گزارشات، چین برای نخستین بار در دنیا ارتباط ویدئو کنفرانس کوانتومی بین قاره‌ای بین آزمایشگاه‌هایی در پکن (چین) و وین (اتریش) برقرار کرد. این تماس با کمک شبکه مخابرات کوانتومی فضایی برقرار شد که به گفته کارشناسان انقلابی در صنعت مخابرات به شمار می‌رود.
گفتنی است؛ ارسال پیام کوانتومی ایمن‌ترین شیوه برقراری ارتباط و غیر‌قابل هک است. در فرآیند ایجاد کلیدهای رمزگذاری کوانتومی از یک فوتون در وضعیت کوانتومی استفاده می‌شود تا امنیت اطلاعات بین دو طرف ارتباط حفظ شود.