آشنایی با کامپیوتر کوانتومی

ویژگی کوانتومی بیان می کند، یک شی می تواند در لحظه چند شی باشد، یا در چندین حالت مختلف باشد. فرض کنید سکه ای را به هوا پرتاب می کنید، سکه ی در حال چرخش هم می تواند شیر باشد و هم خط و تا وقتی به زمین نرسد به هیچ وجه نمی توانیم درباره ی وضعیت آن اظهار نظر کنیم، مثال بسیار معروفی به نام آزمایش گربه ی شرودینگر در این زمینه وجود دارد. آزمایش گربه ی شرودینگر، یک آزمایش فکری است که توسط اروین شرودینگر ابداع شد، این آزمایش به ما نشان می دهد هنگامی که قوانین کوانتومی در زندگی روزمره ی ما اعمال شوند چه اتفاقی می افتد، توصیف این آزمایش به این شرح است که فرض کنید، گربه ای در یک جعبه قرار دارد و یک ظرف سم نیز در آن جعبه است، تا وقتی در جعبه بسته است ما هیچ پیش فرضی درباره سرنوشت گربه نداریم، پنجاه درصد این احتمال وجود دارد که گربه مرده باشد یا به احتمال پنجاه درصد زنده باشد. تا وقتی در جعبه را باز نکرده ایم نمی توانیم هیچ اظهار نظری در این باره کنیم، به بیان دیگر این گربه هم زنده است و هم مرده، تا اینکه در جعبه را باز کرده و آن را نگاه کنیم. به طور کلی می توان گفت نظریه ی فیزیک کوانتومی اینطور بیان می کند که همه ی اشیا می توانند انواع حالات مختلف را در هر لحظه داشته باشند مگر اینکه به آن ها نگاه کنیم، اجسام تنها زمانی که به آن ها توجه می کنیم ویژگی های منطقی خود را می گیرند و تا قبل از آن هر شی می تواند هر چیزی باشد.


حال که کمی با مفهوم کوانتوم آشنا شدیم بهتر می توانید نحوه ی کار کامپیوترهای کوانتومی را درک کنیم، کامپیوتر کوانتومی یا quantum computing کامپیوتری است که از پدیده های مکانیک کوانتوم برای انجام محاسبات خود کمک می گیرد. در کامپیوترهای کوانتومی به جای اینکه از دو حالت صفر و یک برای انجام محاسبات استفاده شود از جهت چرخش الکترون ها برای تعریف حالت های مختلف و انجام عملیات استفاده می شود. اساس کار کامپیوترهای کوانتومی منطبق بر اصل برهم نهی کوانتومی است. در این اصل الکترون ها برای چرخش هیچ محدودیتی ندارند و می توانند به طور همزمان به سمت چپ به سمت راست یا سایر جهت ها چرخش کنند. بنابراین ما در کامپیوتر کوانتومی فقط دو حالت صفر و یک را نداریم، بلکه با حالت های بسیار زیادی مواجه هستیم که باعث افزایش دقت و سرعت انجام محاسبات می شود. این کامیپوترها به دلیل سرعت بسیار زیادی که در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک دارند به عنوان نسل آینده ی پردازش های کامپیوتری شناخته می شوند.


کامپیوترهای کوانتومی به دلیل اینکه در لحظه تمام حالات پاسخ یک سوال را در خود دارند به میزان حافظه ی بسیار کمتری احتیاج دارند، چرا که در یک کامپیوتر معمولی چنین پردازش هایی ملزم اختصاص یک فضای جداگانه به هر راه حل است، در حالی که کامپیوتر کوانتومی تمام حالات پاسخ را به طور همزمان در کیوبیت های خود نگهداری می کند. در کامپیوتر کوانتومی، همانند کامپیوتر های معمولی به طور کلی از قوانین حاکم بر بیت، گیت های منطقی و الگوریتم ها و سایر اجزا استفاده می شود با این تفاوت که قوانین حاکم بر ارتباطات کوانتومی نیز در این بین دخیل هستند. کامپیوترهای کوانتومی برای اولین بار در سال ۱۹۹۸ با ظرفیت ۲ کیوبیت تولید شدند، البته فرایند ساخته شدن این نوع کامپیوترها در سال های بعدی پیشرفته تر شد و کامپیوترهای کوانتومی با ظرفیت های ۵ و ۷ کیوبیتی هم ساخته شدند، البته در معماری کامپیوتر کوانتومی به جای بیت از کیوبیت یا Qubit استفاده شده است که به آن بیت کوانتومی نیز گفته می شود.

1. سخت افزار : در کامپیوتر کوانتومی از گیت های کوانتومی به جای گیت های معمولی استفاده می شود و به جای ترانزیستورها و مدارهای رایج از اتم ها و ذرات بنیادی برای پردازش اطلاعات استفاده می شود، به عنوان مثال یک اتم می تواند به عنوان یک بیت حافظه در کامپیوتر استفاده شود و جابه جایی اطلاعات توسط نور انجام شود. با وجود این مسئله نیاز است که اتم ها و ذرات زیراتمی در حالت خاصی نگهداری شوند از جمله این شرایط می توان به شرایط محیطی اشاره کرد که در آن دما باید نزدیک به دمای صفر مطلق باشد که فراهم کردن این شرایط بسیار سخت است، یا در مدل هایی از کامپیوتر کوانتومی از ابررساناها استفاده می شود اما در کامپیوترهای معمولی لزوماً همه ی قطعات از ابررساناها ساخته نمی شوند.

2. سرعت پردازش : یکی از اصلی ترین دلایلی که دانشمندان را به سمت کامپیوتر کوانتومی سوق داد سرعت پردازش خیره کننده آنها بود. به دلیل خواص کوانتومی که این کامپیوترها دارند توانایی این را دارند که محاسبات خود را بر خلاف آنچه که در گیت های منطقی که در کامپیوترهای معمولی رخ می دهد به صورت موازی یا Parallel انجام دهند. در کامپیوترهای معمولی پردازش ها به صورت سری یا Serial انجام می شود و تنها در صورتی می توان از پردازش موازی استفاده کرد که بیش از یک پردازنده وجود داشته باشد. الگوریتم های خاصی مانند شور و گراور که در کامپیوتر کوانتومی اجرا می شوند گاه قادر هستند زمان محاسبات را که در ابر کامپیوترها ممکن است به هفته ها، ماه ها یا سال ها طول بکشد را به مدت زمان کوتاهی تقلیل دهند.

3. مصرف انرژی : نکته ای که بسیار حائز اهمیت است، مصرف انرژی این کامپیوترها کم می باشد. کامپیوتر کوانتومی مصرف بسیار پایین انرژی را در مقایسه با ابر کامپیوتر ها دارد به طوری که یک ابر کامپیوتر مصرف برقی بین ۱ تا ۱۰ مگاوات دارد اما مصرف انرژی یک کامپیوتر کوانتومی ساخته شده بین ۲۰ تا ۳۰ کیلووات می باشد و این به معنای این می باشد که به ازای یک مقدار محاسبات مشخص، کامپیوتر کوانتومی صدمه کمتری به محیط زیست وارد می کند.

4. چالش های ساخت : قبل از اختراع ترانزیستور، لامپ های خلأ بودند که وظیفه ترانزیستورها را برعهده داشتند. این لامپ ها بسیار بزرگ بودند و فضای بسیار زیادی را اشغال می کردند. بعدها با دسترسی بشر به تکنولوژی ساخت ترانزیستورها، ابعاد این ترانزیستورها به طرز چشمگیری کاهش یافت به طوری که کوچکترین کامپیوتر ساخته شده ابعادی کوچکتر از یک دانه برنج دارد. اما این روند کوچک سازی ترانزیستورها فرایندی سخت و کند است و در نقطه ای متوقف می شود به دلیل اینکه در ابعاد بسیار کوچک دیگر قوانین کلاسیک عملکرد خود را از دست می دهند و در این مرحله قوانین فیزیک کوانتوم هستند که نقش تعیین کننده ای را ایفا می کنند. در مقابل ما رایانه های کوانتومی را داریم که از قوانین فیزیک کوانتوم پیروی می کنند. این دستگاه ها باید بتوانند یک اتم را به دام اندازند و ماده را ابررسانا کنند به نحوی که جریان را بدون وجود مقاومت هدایت کند در نتیجه می توان خواص کوانتومی را بر این سیستم ها اعمال کرد. برای انجام این چنین اعمالی ریزپردازنده باید در دمای صفر مطلق نگهداری شود.

5. زبان های برنامه نویسی : تفاوت زبان های برنامه نویسی کلاسیک و کوانتومی به عناصر بنیادی برمیگردد که اساس کار سیستم های کلاسیک و کوانتومی هستند. در زبان های برنامه نویسی کلاسیک، کاربر عناصر بنیادی ۰ و ۱ را به صورت خطی به کار می برد و در نتیجه پردازش دیتاهای ورودی، اطلاعات خروجی ظاهر می شوند. در کامپیوتر کوانتومی عنصر بنیادی کیوبیت می باشد که در نتیجه پردازش روی کیوبیت ها اطلاعات خروجی را می توان دریافت کرد. علاوه بر این زبان برنامه نویسی کوانتومی قادر به درک الگوریتم ها و قوانین کوانتوم مانند برهم نهی و درهم تنیدگی می باشد که این موضوع به صورت پیش فرض در زبان های برنامه نویسی معمولی وجود ندارد.


یکی از چالش هایی که در حال حاضر پیش روی رایانه های کوانتومی قرار دارد، مشکل عدم اطمینان به پاسخ آن هاست، ساز و کار تصحیح خطا در کامپیوترهای کلاسیک به این صورت است که معمولاً بیت های اضافه ای برای بررسی خطای بیتی و در صورت نیاز تصحیح آن ها در نظر گرفته می شود، اما این ساز و کار در کامپیوترهای کوانتومی امروزی قابل اجرا نیست، چرا که برای افزودن بیت های تست خطا چیزی حدود 2000 کیوبیت مورد نیاز است، در حالی که در حال حاضر قوی ترین کامپیوترهای کوانتومی موجود چیزی در حدود 100 کیوبیت در پردازنده های خود دارند. هرچند دنیای آی تی و فناوری اطلاعات روز به روز در حال گسترش و پیشرفت است، اما فعلاً یکی از چالش های پیش روی کامپیوترهای کوانتومی مسئله ی عدم اطمینان به نتایج حاصل از پردازش های آن هاست.


کامپیوترهای کوانتومی در یک لحظه تمام حالات یک مسئله را در خود دارند، حال فرض کنید از این قدرت برای شکستن رمزهای عبور و پروتکل های رمزنگاری استفاده شود، چراکه یک کامپیوتر کوانتومی در لحظه تمام رمزهای موجود را در خود دارد، تنها کافیست رمز صحیح در یک لحظه انتخاب شود. به همین دلیل بسیاری از دولت ها در حال رقابت در این زمینه هستند، در حقیقت اولین کسی که بتواند به تکنولوژی رایانش کوانتومی دست پیدا کند قادر است تمام پسوردهای جهان را یافته و از هر قفلی عبور کند. رمزنگاری حساب های کاربری، پروتکل های امنیتی شبکه، انتقال داده ها وغیره همه و همه با خطر رو به رو خواهند شد. البته مراکز امنیتی نیز بیکار ننشسته و در حال تلاش برای حل این مشکلات هستند، آن ها سعی می کنند سیستم رمزنگاری ایجاد کنند که بتواند در برابر کامپیوترهای کوانتومی مقاومت کند. استفاده از قابلیت های کامپیوترهای کوانتومی در هوش مصنوعی قدرت پردازش و تحلیل خارق العاده ای در اختیار ربات ها قرار می دهد، احتمالاً در آینده ای نه چندان دور شاهد به حقیقت پیوستن فیلم های علمی تخیلی خواهیم بود، دنیایی که در آن ربات های هوشمند با انسان همکاری می کنند یا شاید برعلیه انسان ها شورش کرده و ما را به عنوان برده های خود به کار می گیرند.


ویژگی های کامیپوتر کوانتومی در مقایسه با کامپیوتر کلاسیک بسیار زیاد است. کامپیوترهای کوانتومی با هدف تحول در امر محاسبات پیچیده طراحی و تولید شدند. حال می توان گفت تا حد زیادی هم موفق به انجام این کار شده اند، به طوریکه بسیاری از متخصصان علوم رایانه معتقد هستند، این نسل جدید از رایانه‎ ها قرار است دنیا را متحول کند. مهم ترین ویژگی‎ های کامیپوترهای کوانتومی عبارت است از:

• توان بالاتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک دارند.
• از قدرت بسیار زیادی برخودار هستند.
• سرعت پردازش بالا دارند.
• توان حل محاسبات بسیار پیچیده را دارند.
• می توانند چندین عملیات را همزمان روی مقادیر انجام دهند. کامیپوترهای کلاسیک عملیات ها را به صورت متوالی و نوبتی پردازش می کنند.
• محاسبات را در مقایسه با کامپیوترهای کلاسیک در زمان کمتری انجام می دهند.
• در حل مسائل از انعطاف پذیری بیشتری برخوردار هستند، زیرا از قوانین فیزیک استاندارد پیروی نمی کنند.


پر واضح است که تا انتشار عمومی و ظهور کامل رایانه های کوانتومی، سال ها فاصله است و تا نسخه های تجاری آنها وارد بازار شوند، طول می کشد. شبکه بلاکچین و الگوریتم های رمزنگاری شده باید تا حد امکان آپدیت شوند. بدیهی است که شبکه های بلاکچین در حال حاضر کاملاً ایمن و مقاوم هستند و می توان روی امنیت تراکنش های آنها حساب ویژه ای باز کرد. اما نباید فراموش کرد که یک کامپیوتر کوانتومی همواره به عنوان یک تهدید برای دنیای کریپتوکارنسی به شمار می رود. با این اوصاف، دنیای شبکه های بلاکچین نباید تهدیدات کامپیوتر کوانتومی را دست کم بگیرد و باید برای یک جنگ تمام عیار آماده شود. نکته مهمی که در این میان وجود دارد، همسو بودن منافع بسیاری از کسب وکارها و همچنین مراکز دولتی با از بین رفتن شبکه های بلاکچین است. اگر در مورد شبکه های بلاکچین، اطلاعات کافی داشته باشید، حتماً به خوبی می دانید که این شبکه ها به دلیل امنیتی که برای تراکنش ها به وجود می آورند، از بروز هرگونه هک و رهگیری تراکنش ها جلوگیری خواهند کرد. بسیاری از مراکز امنیتی با وجود چنین شبکه هایی مخالف هستند و چه بسا که در زمان ظهور رایانه های کوانتومی، به آنها برای خدشه دار کردن امنیت بلاکچین کمک کنند. بنابراین و با در نظر گرفتن همه این اوصاف و اتفاقات، شبکه های بلاکچین باید در مقابل تهدیدات کامپیوترهای کوانتومی مجهز شوند و آنها را به هیچ عنوان دست کم نگیرند.