به هر حال، کامپیوتر کوانتومی چیست؟

کامپیوترهای کوانتومی این روزها در همه‌جا ظاهر می‌شوند. شرکت‌های فناوری موفقیت‌های بزرگ را اعلام می‌کنند، پژوهشگران دستاوردهای مهمی را ادعا می‑کنند و عناوین اخبار به‌طور مداوم هشدار می‌دهند که ماشین‌های کوانتومی می‌توانند روزی رمزگذاری اینترنت را بشکنند. با این حال، علیرغم تمام توجه‌ها، اکثر افراد هنوز واقعاً نمی‌دانند کامپیوتر کوانتومی چیست و چرا مهم است.

محاسبهٔ کوانتومی این روزها در همه‌جا ظاهر می‌شود. شرکت‌های فناوری پیشرفت‌های شگفت‌انگیز را اعلام می‌کنند، پژوهشگران نکات عطفی مهم را ادعا می‌دارند و سرفصل‌ها به‌طور منظم هشدار می‌دهند که ماشین‌های کوانتومی شاید روزی رمزگذاری اینترنت را بشکنند. با این‌وجود، علیرغم تمام این توجه، اکثر مردم هنوز واقعاً نمی‌دانند کامپیوتر کوانتومی چیست یا چرا مهم است.

باید اعتراف کنم، حتی من هم در مورد برخی جنبه‌های معنای واقعی «محاسبهٔ کوانتومی» کمی مطمئن نبودم پیش از این‌که این مقاله را بنویسم.

بخشی از این سردرگمی ناشی از نحوهٔ توضیح محاسبهٔ کوانتومی است. برخی توصیفات آن را بیش از حد ساده می‌کنند و به علم‌فیلم تبدیل می‌کنند — ماشین‌هایی که «همهٔ جواب‌ها را به‌هم‌زمان امتحان می‌کنند» — در حالی که دیگران به اصطلاحات فیزیک فشرده می‌لغزند که پیگیری‌شان غیرممکن به‌نظر می‌رسد.

واقعیت، همان‌ندون چیزهای دیگر، بین این دو قرار دارد.

قبل از کوانتوم، این‌گونه یک کامپیوتر عادی کار می‌کند

دانستن این مهم است

هر دستگاهی که امروز استفاده می‌کنید، از تلفن‌های هوشمند تا ابرکامپیوترها، بر پایهٔ همان ایدهٔ اساسی: بیت، وابسته است. بیت کوچک‌ترین واحد اطلاعات دیجیتال است و می‌تواند در یکی از دو حالت، که به‌صورت ۰ یا ۱ نمایش داده می‌شود، وجود داشته باشد. درون یک پردازنده، میلیاردها ترانزیستور ریز به‌سرعت بین این دو حالت سوئیچ می‌کنند، به‌طوری که کامپیوتر بتواند محاسبات را از طریق عملیات منطقی انجام دهد.

حتی پیچیده‌ترین نرم‌افزارهای مدرن در نهایت به جریان‌های عظیم دستورهای دودویی تبدیل می‌شوند. تصاویر، موسیقی، مدل‌های هوش مصنوعی و پیام‌های رمزگذاری‌شده همگی به دنباله‌های صفر و یک تبدیل می‌شوند که گام به گام پردازش می‌شوند. کامپیوترهای کلاسیک در این سبک محاسبهٔ قطعی برتری دارند: هر عملیات مسیر مشخصی را دنبال می‌کند و نتایج پیش‌بینی‌پذیر تولید می‌کند که عمدتاً توسط کدی که در زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف استفاده می‌شود، تعریف می‌شود.

در واقع اینجاست که محاسبهٔ کوانتومی با بازتعریف مفهوم واقعی «بیت» و نحوهٔ عملکرد آن، جای خود را می‌گیرد. به همین دلیل است که وقتی به عمق محاسبهٔ کوانتومی می‌روید، ممکن است کمی دچار سردرگمی شوید.

کیوبیت، نه بیت‌ها

بیت‌های کوانتومی بازی را تغییر می‌دهند

بنابراین، همان‌طور که بیت‌ها برای محاسبهٔ سنتی حیاتی‌اند، محاسبهٔ کوانتومی معادل پرشتاب خود را دارد: بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌ها.

کیوبیت‌ها از بیت‌ها در چند ویژگی کلیدی متفاوت هستند. به عنوان مثال، در حالی که یک بیت کلاسیک باید یا ۰ یا ۱ باشد، یک کیوبیت می‌تواند همزمان ترکیبی از هر دو حالت باشد که به آن ابرموقعیت (سوپراپوزیشن) می‌گویند. حال، بر خلاف برخی باورها و افسانه‌ها، این به این معنا نیست که به‌طور واقعی دو پاسخ را هم‌زمان در خود داشته باشد.

در عوض، به این معناست که چندین نتیجه ممکن است بسته به احتمالات.

یک راه برای درک کیوبیت در سطح پایه، مثالی شبیه سکه است. یک بیت کلاسیک خوب مثل سکه‌ای است که روی میز رو به پایین قرار گرفته و یا سر یا شیر نشان می‌دهد. در حالی که یک کیوبیت شبیه سکه‌ای است که به هوا پرتاب کرده‌اید؛ تا زمانی که سکه روی می‌آید، هر دو امکان در دسترس هستند و مهم این است که شما نتیجه را مشاهده می‌کنید.

با وجود این‌که کیوبیت‌ها شبیه علم‌تخیلی به‌نظر می‌رسند، آن‌ها صرفاً یک انتزاع از فیزیک نظری نیستند. کیوبیت‌ها با استفاده از الکترون، فوتون یا یک مدار ابررسانا تولید می‌شوند که معمولاً تحت شرایط بسیار خاص و کنترل‌شده‌ای ساخته می‌شوند، به این معنی که برای تولید مصرف‌کننده آماده نیستند.

به‌عنوان مثال، یک کیوبیت ابررسانا معمولاً در محیطی با دمای صفر مطلق (حدود -۲۷۳°C یا -۴۵۹°F) تولید می‌شود، در حالی که کیوبیت‌های یون اسیر با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی قدرتمند در محفظه‌های واکسوم بسیار بالا ساخته می‌شوند.

سپس کیوبیت‌های فوتونی وجود دارند که با استفاده از ذرات نور برای رمزگذاری اطلاعات ایجاد می‌شوند. این‌ها نیازی به خلأ فوق‌العاده یا دماهای بسیار سرد ندارند و می‌توانند در دمای محیط کار کنند، اما کار با آن‌ها به‌صورت قابل اطمینان نیز دشوار است.

به‌طور کلی، کیوبیت‌ها پیچیده‌اند، صرف‌نظر از اینکه چگونه به آن‌ها نگاه کنید، و همین پایداری است که باعث بروز مشکلات در محاسبهٔ کوانتومی می‌شود. حفظ پایداری کیوبیت‌ها به‌اندازه کافی طولانی برای استفاده مفید، گام بعدی در محاسبهٔ کوانتومی است. این فرآیند، که decoherence نام دارد، در اصل به این معناست که بیشتر حالات کوانتومی، همان‌طور که می‌شناسیم، به‌سرعت از هم می‌پاشند وقتی با هر چیزی تعامل داشته باشند. که برای محاسبه، خیلی مفید نیست.

چرا کامپیوترهای کوانتومی این‌قدر قدرتمند هستند؟

در اینجا قرار است خیلی پیچیده‌تر شود

یک عامل دیگر نیز در محاسبهٔ کوانتومی نقش دارد: درهم‌تنیدگی. به‌طور بنیادی، وقتی کیوبیت‌ها در هم تنیده می‌شوند، وضعیت‌های آن‌ها به‌هم مرتبط می‌شود به‌طوری که وضعیت یک کیوبیت بستگی به وضعیت کیوبیت دیگری دارد، حتی اگر فیزیکی از هم جدا باشند. به‌جای اینکه به‌صورت مستقل مثل بیت‌های کلاسیک عمل کنند، کیوبیت‌های درهم‌تنیده به‌عنوان بخش‌هایی از یک سیستم هماهنگ واحد رفتار می‌کنند.

این فرآیند درهم‌تنیدگی است که به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می‌دهد تعداد عظیمی از احتمالات ممکن را به‌هم‌زمان پردازش کنند؛ این یک حالت رشد قدرت خطی (محاسبهٔ کلاسیک) در مقابل رشد قدرت نمایی (کوآنتومی) است.

با این حال، علی‌رغم این‌که به نظر می‌رسد کاملاً گمراه‌کننده و بیش از حد گیج‌کننده باشد، کامپیوترهای کوانتومی همچنان همانند کامپیوترهای معمولی عمل می‌کنند. آن‌ها همچنان برنامه‌ها را اجرا می‌کنند، دستورها را انجام می‌دهند و توالی‌های منطقی را دنبال می‌کنند — فقط با ابزارهای متفاوت. در واقع، اکثر زمان، فرآیند و ابزارهای استفاده‌شده برای رسیدن به آن متفاوت هستند.

در اینجا، یک تفاوت کلیدی دیگر بین کامپیوتر معمولی و کامپیوتر کوانتومی وجود دارد: منطق و گیت‌های کوانتومی. علاوه بر این‌که عبارت «گیت کوانتومی» شبیه یک برنامه تلویزیونی علمی‑تخیلی دههٔ ۹۰ می‌شود، این‌ها تغییری بنیادی در پردازش هستند که به محاسبهٔ کوانتومی اجازه می‌دهد اطلاعات را بسیار سریع‌تر از یک ماشین معمولی پردازش کند.

کامپیوترهای کلاسیک بر پایهٔ گیت‌های منطقی مانند عملیات AND، OR و NOT عمل می‌کنند که مقادیر بیت‌های قطعی را دستکاری می‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی به‌جای آن از گیت‌های کوانتومی استفاده می‌کنند که دامنهٔ احتمال آمپلیتودهای کیوبیت‌ها را تنظیم می‌کند. در عمل، این به این معناست که به‌جای محاسبهٔ تمام راه‌حل‌های ممکن، کیوبیت‌ها و الگوریتم‌های کوانتومی به‌صورت فعال احتمالات را شکل می‌دهند، طوری که پاسخ‌های صحیح به‌نظر می‌آیند تقویت می‌شوند در حالی که پاسخ‌های احتمالاً نادرست حذف می‌شوند.

محاسبهٔ کوانتومی: خوب و بد

همه‌اش نه به‌سرعت فوق‌العاده خراب کردن احتمالات است

موضوع این است: در حال حاضر، کامپیوترهای کوانتومی فقط در حوزه‌های بسیار خاصی می‌درخشند، به‌ویژه جاهایی که مقیاس‌گذاری نمایی به‌صورت بی‌نهایت مفید است، مانند رمزنگاری و شبیه‌سازی‌ها. خارج از این کاربردها (در زمان حال)، شما لزوماً پیشرفت‌های عظیم در محاسبهٔ عام را نخواهید دید.

برای دریافت نکات واضح کوانتومی در خبرنامه مشترک شوید

این یک مورد «آیا یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند بازی Crysis را اجرا کند» نیست — بیشتر شبیه «آیا یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یکی از امن‌ترین الگوریتم‌های رمزنگاری (AES 256) که برای ایمن‌سازی بیشتر اینترنت استفاده می‌شود را بشکند؟» این نوع مسألهٔ وجودی محاسبه‌ای است.

نوع کار یا مسأله	کدام موارد کامپیوترهای کوانتومی خوب عمل می‌کنند	کدام موارد کامپیوترهای کوانتومی خوب عمل نمی‌کنند
رمزنگاری	فاکتورگیری اعداد بزرگ و تجزیه برخی سیستم‌های رمزگذاری با استفاده از الگوریتم‌های مانند الگوریتم شور	اجرای نرم‌افزارهای امنیتی روزمره یا بهبود مدیران رمز عبور و ابزارهای آنتی‌ویروس
شبیه‌سازی علمی	مدل‌سازی مولکول‌ها، واکنش‌های شیمیایی و مواد کوانتومی که کامپیوترهای کلاسیک در شبیه‌سازی دقیق آن‌ها مشکل دارند	رندرینگ گرافیک، ویرایش ویدئو یا موتورهای فیزیکی مورد استفاده در بازی‌ها
مسائل بهینه‌سازی	کاوش در فضای حل‌های بسیار بزرگ، مانند مسیر یابی لجستیک، بهینه‌سازی جریان ترافیک یا مدل‌سازی مالی	سرعت‌بخشی به صفحات گسترده، برنامه‌های اداری یا نرم‌افزارهای تجاری روزمره
مسائل جستجو	ارائه مزایای نظری سرعت برای جستجوهای خاص پایگاه داده با استفاده از الگوریتم‌های کوانتومی مانند الگوریتم گروور	جستجوی عمومی وب یا سریع‌تر کردن جستجوهای گوگل
تحقیقات یادگیری ماشین	احتمالاً شتاب دادن به برخی روش‌های آزمایشی هوش مصنوعی و تحلیل داده‌های حاوی مدل‌های پراحتمال	آموزش مدل‌های هوش مصنوعی روزمره سریع‌تر از GPUهای مدرن (حداقل با فناوری فعلی)
کاوش همزمان حالت‌های موازی	نمایش تعداد عظیمی از حالت‌های ممکن سیستم به‌صورت همزمان از طریق سوپراپوزیشن و درهم‌تنیدگی	چندوظیفه‌ای، اجرای برنامه‌های متعدد به‌طور همزمان، یا جایگزینی CPUها در لپ‌تاپ‌ها
ریاضیات بسیار تخصصی	حل مسایل ریاضی خاص که به‌صورت نمایی بر روی سخت‌افزار کلاسیک مقیاس می‌کنند	محاسبهٔ عمومی مانند مرور وب، بازی، پخش ویدئو یا جریان‌های کاری برنامه‌نویسی

به‌طور خلاصه، کامپیوترهای کوانتومی ابزارهای بسیار تخصصی هستند نه اجراکنندگان عمومی همه‌جانبه. حتی با نگاهی به آیندهٔ نزدیک، محاسبهٔ کلاسیک احتمالاً بخش اعظم محاسبه را بر عهده خواهد داشت و نه یک تغییر بزرگ به‌تمام‌قدرتی به سمت کوانتوم.

شرکت‌های فناوری بزرگ AI PCها را به‌عنوان گام بزرگ بعدی تبلیغ می‌کنند، اما من به‌زودی یکی از آن‌ها را نمی‌خرم.

نوعی جدید از کامپیوتر

انواع جدیدی از چالش‌ها

یکی از ترس‌های رایج در مورد محاسبهٔ کوانتومی، اثر بالقوه‌اش بر رمزنگاری است. کامپیوترهای کوانتومی بزرگ و مقاوم می‌توانند اصولاً سیستم‌های رمزنگاری گسترده‌ای را که معاملات بانکی آنلاین، ارتباطات و هویت‌های دیجیتال را امن می‌کنند، بشکنند.

این یک ترس واقعی است، و بسیاری از شرکت‌ها در تلاش برای محافظت در برابر این اختلال، پروتکل‌های «پس از کوانتوم» را اعمال می‌کنند.

اما به‌طور کلی، باید به این نکته توجه کنیم که کامپیوترهای کوانتومی احتمالاً بهتر است به‌عنوان نوعی متفاوت از محاسبه درک شوند تا جایگزینی کامل برای سخت‌افزار معمولی. هنوز دور است تا محاسبهٔ کوانتومی به‌ اندازه‌ای کوچک شود که بتوان آن را به‌خانه آورد، به همین دلیل محاسبهٔ کوانتومی در کنار سخت‌افزار معمولی زندگی خواهد کرد و آن‌را جایگزین نمی‌کند.

منبع مقاله