آیا چیزی به نام «رایانش کوانتومی» وجود دارد؟ چند دهه است که حرکت در این حوزه، با ابهام و تردید همراه است و بعضی آن را آب در هاون کوبیدن می‌دانستند. اما از سال گذشته گوگل با رسیدن به مفهومی موسوم به «برتری کوانتومی»، بسیاری از تردیدها را از بین برده و رایانه های کوانتومی را در مرکز توجه قرار داده است. به همین مناسبت در این مطلب می‌خواهیم با محاسبات کوانتومی و اولین کامپیوتر کوانتومی بیشتر آشنا شده و کاربردهای رایانش کوانتومی را با هم بررسی کنیم.
گوگل، IBM و بسیاری از شرکت‌های معتبر و پیشرو در حوزه فناوری طی سالیان گذشته اشتیاق شدیدی به حرکت در حوزه پردازش کوانتومی از خود نشان داده‌اند. با این حال به عقیده بسیاری از صاحب‌نظران، مجموعه پیشرفت‌های اخیر تنها یک گام کوچک برای رسیدن به پردازش کوانتومی مطلوبی است که بتواند عملاً مورد استفاده قرار گیرد. در واقع باید به حوزه پردازش کوانتومی با دیدگاهی متفاوت و ویژه نگاه کنیم که به کل با پردازش کامپیوترهای سلیکونی متفاوت است.
موج رسیدن به مفهومی موسوم به «برتری کوانتومی» که طی سال‌های گذشته در مورد آنها صحبت شده، یک جهش ویژه در تاریخ رایانه‌ها از جهات مختلف خواهد بود. برای مقایسه، می‌توانید تصمیم استفاده از ترانزیستورها به جای لامپ‌های خلاء در دهه‌ی 60 میلادی را در نظر بگیرید که در ابتدا تنها افراد کمی از آن اطلاع داشته یا حتی موافق بودند؛ اما حالا به عنوان یک نقطه‌ی مهم و یک شتاب بزرگ در پیشرفت رایانه‌ها شناخته می‌شود.
از برخی جهات البته می‌توانیم خودمان را افرادی خوش شانس بدانیم که نظاره‌گر تحول در یک حوزه جدید از فناوری‌های پردازشی قرار گرفته‌اند. البته فهم این حوزه نیاز به توضیحاتی دارد و بهترین نقطه برای شروع این توضیحات، شاید صحبت کردن در مورد دو نابغه ریاضیات، علوم رایانه و فیزیک یعنی آلن تورینگ و ریچارد فاینمن باشد.
محاسبات یا رایانش کوانتومی چیست؟
رایانه‌های کلاسیک حول محور ترانزیستورها ساخته شده‌اند که با هدایت یا مسدود کردن جریان الکتریکی (اعمال سوئیچینگ)، مفاهیم منطقی یک یا صفر را به نمایش می‌گذارند. با اتصال این ترانزیستورها به یکدیگر در یک ترکیب پیچیده، امکان نمایش اطلاعات یا ارسال و ترکیب آنها به گیت‌های منطقی مثل AND و OR فراهم می‌شود.
با استفاده از یک زبان سطح بالا مخصوص رایانه‌های دیجیتال که در دهه‌های گذشته رشد کرده، می‌توانیم با همین صفر و یک‌ها انواع و اقسام عملیات ریاضی، منطقی، استدلالی، شرطی و ... را انجام دهیم.
کامپیوتر کوانتومی هم در واقع در بسیاری از موارد همین گونه هستند و یک واحد پایه دارند که عملیات منطقی را برای انجام کارهای مختلف روی آن انجام می‌دهند. تفاوت در این است که این «واحد» در کوانتوم پیچیده‌تر است: یک کیوبیت که مقداری در فضای ریاضی بالاتر از سطح «روشن» و «خاموش» را نمایش می‌دهد.
کیوبیت چیست؟
برای اینکه با مفاهیم منطقی در دنیای پردازش کوانتومی بیشتر آشنا شویم می‌توان واحد منطقی در این حوزه را با یک مکان از سطح یک کره یا نقطه‌ای در فضای سه‌بعدی تشبیه کرد. بر روی این کره هر نقطه می‌تواند جابجا شود، برعکس شود و اعمالی از این دست را پذیرا باشد. در واقع اینکه نقطه در چه محلی از کره قرار دارد، به زاویه دیدشما هنگام نگاه کردن به آن بستگی دارد.
کیوبیت که به نوعی معادل آن نقطه در کره است، وقتی «مشاهده شود»، یک مقدار دیجیتال خواهد بود که می‌تواند بین صفر و یک متغیر باشد. پس می‌توان گفت کیوبیت تنها هنگامی که اندازه‌گیری شود مفهومی منطقی دارد و در غیر این صورت می‌تواند مقداری دیگر داشته باشد.
فرض کنید که بخواهیم در یک سیستم کوانتومی عملیاتی روی کیوبیت‌ها انجام داده و نتایج مربوط به آنها را محاسبه کنیم. منتقل کردن داده‌های کوانتومی و انجام چنین کارهایی در فضای منطقی بسیار دشوار است. در این شرایط شاید راهکار مهم، مفید و جذاب‌تر در خود سوال نهفته باشد. در واقع پاسخ این سوال که «بهترین ابزار برای محاسبات کوانتومی چیست؟» همان در سوال نهفته است؛ یک محاسبه کوانتومی توسط یک محاسبه گر کوانتومی یا رایانش کوانتومی. مسلم است که رایانش کوانتومی بهتر از یک رایانه‌ی معمولی می‌تواند عملیات مربوط به بیت‌هایی از نوع خودش را بهتر انجام دهد. البته موضوع به همین سادگی‌ها هم نیست و برای انجام یک محاسبه کوانتومی باید مفاهیم دیگری را نیز در نظر گرفت.
یک لحظه به یک دستگاه قدیمی و جذاب فکر کنید: یک آتاری 800. این دستگاه مطمئناً به خوبی می‌تواند «خودش» باشد و برنامه‌های مربوط به خود را به خوبی اجرا کند. اما هر رایانه‌ی مدرن امروزی هم می‌تواند یک آتاری 800 را به خوبی شبیه‌سازی کرده و برنامه‌های آن را با سرعت بسیار بالاتری اجرا کند. به همین ترتیب، یک رایانه‌ی مدرن را هم می‌توان به خوبی با یک ابر رایانه کوانتومی شبیه‌سازی کرد؛ اما در اینجا اختلاف بسیار زیاد است و شاید کمتر ابزاری به خوبی رایانه‌های کوانتومی بتواند اعمال کوانتومی را انجام دهد.
در واقع شبیه‌سازی‌هایی از کامپیوتر کوانتومی در حال حاضر نیز در دنیا وجود دارند و این شبیه‌سازی‌ها به صورت هم‌زمان با سخت‌افزار واقعی رایانه های کوانتومی پیش می‌رود تا بتوان کارایی آنها را با دیدگاه‌های تئوری مقایسه کرد. این شبیه‌سازی‌ها و سخت‌افزارها تفاوت‌های گسترده‌ای با یکدیگر دارند و در سال‌های اخیر که محاسبات کوانتومی برای آزمایشگاه‌های تحقیقاتی و شرکت‌های بزرگ چیزی بیش از یک سرگرمی شده است، پیشرفت بسیار خوبی داشته‌اند.
کامپیوتر کوانتومی چیست؟
همانطور که گفته شد، ایده اصلی نهفته در رایانهٔ کوانتومی این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. رایانش کوانتومی با تکیه بر ویژگی‌های کوانتومی ذرات زیراتمی، برخی محاسبات را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌دهند.
در کامپیوترهای سنتی، محاسبات پردازشی در مبنای ۲ انجام می‌شود و هر بیت در وضعیت خاموش یا روشن قرار می‌گیرد؛ اما واحد اطلاعات محاسبات کوانتومی، کیوبیت (qbit)، با استفاده از ویژگی‌های مبتنی بر کوانتوم می‌تواند وضعیت خاموش و روشن یا هر مقداری بین آنها را ارائه دهد که به آن برهم‌نهی می‌گویند. (در ادامه به‌تفصیل توضیح داده می‌شود).
تفاوت محاسبات فازی با محاسبات کوانتومی
توجه کنید که این مفهوم را نباید با مفاهیم محاسبات و منطق فازی اشتباه گرفت؛ چرا که منطق فازی به راحتی در دنیای صفر و یک قابل شبیه سازی و پیاده سازی است ولی منطق رایانش کوانتومی مفهومی متفاوت را دنبال می‌کند که در آن حتی واحدهای منطقی و ریشه آنها از تفکر کوانتومی نشأت می‌گیرد و نه تنها منطق مبهم یا فازی.
تفاوت اصلی بین یک اَبَرکامپیوتر کلاسیک و یک کامپیوتر کوانتومی این است که دومی از برخی از خواص مکانیک کوانتومی برای دستکاری داده‌ها به نحوی که شهود را نادیده می‌گیرد، استفاده می‌کند.
برهم‌نهی کوانتومی چیست؟
کیوبیت‌ها عناصر اصلی و زیربنایی هستند که عملکرد رایانه های کوانتومی قدرت پردازشی‌شان را از آنها می‌گیرند. درواقع، کیوبیت‌ها همتای کوانتومی بیت‌ها در کامپیوترهای سُنتی محسوب می‌شوند که در بخش‌های پیشین با آن آشنا شدیم.
یکی از تفاوت‌های بزرگ کامپیوترهای سُنتی و رایانه کوانتومی به مفهوم برهم‌نهی مربوط می‌شود. کامپیوتر کلاسیک می‌تواند مبتنی بر حالت A یا B (در اصطلاح باینری یک یا صفر) باشد؛ درحالی‌که برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند از ترکیب این دو هم استفاده کند.
معمولاً افرادی که در زمینه نورشناسی و پرتوهای نوری فعالیت دارند، ممکن است یک دید نسبی به اصل برهم‌نهی داشته باشند؛ زیرا پرتو نور گاهی اوقات طوری رفتار می‌کند که گویی از ذرات همچون یک جریان مداوم از گلوله‌های توپ تشکیل شده است و گاهی اوقات همانند موج‌های انرژی در فضا موج می‌زنند.
این حالت «دوگانگی موج و ذره» نامیده می‌شود و یکی از ایده‌هایی است که از نظریه کوانتوم سرچشمه می‌گیرد. درک این که چیزی می‌تواند هم‌زمان دو چیز مانند یک ذره و یک موج باشد، دشوار و دیوانه‌کننده بوده و با تجربه روزمره ما کاملاً بیگانه است.
درهم‌تنیدگی کوانتومی چیست؟
یکی دیگر از مفاهیم مطرح در حوزه رایانش کوانتومی پدیده درهم‌تنیدگی است که شاید عجیب‌ترین و ترسناک‌ترین ویژگی محاسبات کوانتومی باشد. این شرایط نوعی پیوستگی کوانتومی بین کیوبیت‌ها است. تصور کنید که یک یون به‌عنوان کیوبیت عمل می‌کند (و در ترکیب فوق صفر و یک قرار دارد) و آن را با یک یون دوم درگیر می‌کنید. حالا این دو یون درهم‌تنیده رابطه خاصی را حفظ خواهند کرد.
درواقع، جالب‌بودن ماجرا را جایی درک خواهید کرد که متوجه شوید، اعمال تغییرات در یکی از یون‌ها بر دیگری تأثیر می‌گذارد و این می‌تواند در حالی اتفاق بیفتد که هر دو یون با فاصله بسیار دوری (مانند فاصله میان دو سیاره) از هم جدا شده باشند!
هیچ‌کس واقعاً نمی‌داند که درهم‌تنیدگی چرا و چگونه کار می‌کند؛ بنابراین نمی‌خواهیم که شما را با توضیحات تئوری پیچیده بیشتر گمراه کنیم. فقط کافی است بدانید که در کامپیوترهای با منطق باینری، دو برابر‌شدن تعداد بیت‌ها قدرت پردازش آنها را دو برابر می‌کند؛ اما به لطف درهم‌تنیدگی، افزودن کیوبیت اضافی به رایانهٔ کوانتومی باعث افزایش نمایی در قابلیت پردازش می‌شود. سپس رایانه های کوانتومی کیوبیت‌ها را در نوعی زنجیره دِیزی کوانتومی درگیر کرده تا جادوی دیوانه‌وار خود را انجام بدهند.
کامپیوتر کوانتومی چگونه کار می‌کند؟
برخلاف تصور، ذات تصادفی کیوبیت‌ها، یک رایانش کوانتومی خود از الگویی مخصوص پیروی کرده و کاملاً قابل پیش‌بینی است! به بیان ساده اگر بخواهیم توضیح دهیم، وقتی مداری از کیوبیت‌ها کاری می‌کنند، نتیجه مثل هر رایانه‌ای، رشته‌ای از صفرها و یک‌ها خواهد بود. این رشته با توجه به طبیعت مستعد نویز کیوبیت‌ها و گیت‌های کوانتومی، تصادفی بودن را ایجاد می‌کنند. اما به شکل جالبی، نتیجه‌ی «تصادفی»، الگویی مخصوص و قابل پیش‌بینی خواهد داشت.
تا به حال نام بازی پاچینکو را شنیده‌اید؟ در این بازی توپ پاچینکو از بین بازوها، چاله‌ها و سراشیبی‌ها سقوط می‌کند. مسیری که توپ طی می‌کند تصادفی است اما اگر 10،000 بار توپ را از یک موقعیت خاص در یک مارپیچ یکسان بیندازید، الگوی نتایج تصادفی که تولید می‌شود یک طیف از احتمالات خواهد بود که احتمالاً بیشتر در مرکز متمرکز شده و کمتر در لبه‌ها اتفاق می‌افتد.
اگر ماشین پاچینکو را روی یک رایانه شبیه‌سازی کنید، می‌توانید با مقایسه خروجی 10،000 انداختن مجازی با 10،000 اجرای واقعی، ببینید که نتیجه‌ی شبیه‌سازی دقت خوبی خواهد داشت.
شبیه‌سازی رایانه های کوانتومی نیز همین طور است، اگرچه این کار پیچیدگی‌های بیشتری دارد. در نهایت رایانه همان روند را طی خواهد کرد؛ شبیه‌سازی یک فرایند فیزیکی و حدس زدن نتایج. و درست مانند شبیه‌ساز پاچینکو، دقت آن می‌تواند با اجرای همان کار در عالم واقع و مقایسه‌ی نتایج سنجیده شود.
اما درست همان طور که شبیه‌سازی یک ماشین پاچینکوی ساده، آسان‌تر از یک ماشین پیچیده است، شبیه‌سازی چند کیوبیت انگشت‌شمار نیز بسیار ساده‌تر از تعداد زیادی از کیوبیت‌هاست.
کیوبیت‌ها به تنهایی پیچیده هستند و وقتی در مورد تداخل آنها، خطای اندکشان، جهتی که به سمت آن حرکت می‌کنند و مسائلی از این دست فکر کنیم، می‌بینیم که فاکتورهای پرشماری در موردشان وجود دارد و به گفته فاینمن، از جایی به بعد دیگر نمی‌توانید تمامی این فاکتورها را در نظر بگیرید. دقیقاً در همین نقطه است که وارد قلمروی می‌شوید که تنها یک رایانهٔ کوانتومی می‌تواند نتایج مورد نظر را ایجاد کند: قلمرو «برتری کوانتومی».
همدوسی کوانتومی چیست؟
تعامل کیوبیت‌ها با محیط خود به گونه‌ای که باعث تجزیه و در نهایت از بین رفتن رفتار کوانتومی آنها شود، «همدوسی کوانتومی» نامیده می‌شود. حالت کوانتومی کیوبیت‌ها بسیار شکننده است و کوچک‌ترین ارتعاش یا تغییر دما و اختلالات معروف به نویز در محاسبات کوانتومی می‌تواند منجر به ناکارآمد‌شدن آنها شود. به همین دلیل است که محققان تمام تلاش خود را می‌کنند تا کیوبیت‌ها را در یخچال‌های فوق سرد و محفظه‌های خلاء محافظت کنند.
با وجود پیشرفت‌های روزافزون برای دستیابی به رایانش کوانتومی با خطای کم، محققان هنوز موفق نشده‌اند خطاهای گیت‌های دوکیوبیتی، یکی از عناصر سازنده کامپیوتر کوانتومی را از بین ببرند و مشکلات متعدد در این زمینه همچنان ادامه دارد؛ ازاین‌رو، آنها برای مقابله با این نویزها به‌اصطلاح به فرایند تصحیح خطا روی می‌آورند.
تصحیح خطای کوانتومی برای دستیابی به رایانه های کوانتومی مقاوم در برابر خطا امری ضروری است. این عمل می‌تواند نه تنها با نویز موجود در اطلاعات کوانتومی ذخیره‌شده، بلکه با دروازه‌های کوانتومی و آماده‌سازی و اندازه‌گیری‌های معیوب مقابله کند.
به‌عبارت‌دیگر، بهدلیل اینکه ایزوله‌کردن حقیقی رایانهٔ کوانتومی بسیار سخت و دشوار است، سیستم‌های تصحیح خطای محاسبات کوانتومی ایجاد شده‌اند. کیوبیت‌ها بیت دیجیتال داده نیستند؛ ازاین‌رو، نمی‌توان از روش‌های متداول تصحیح خطا، از جمله روش افزونگی سه‌گانه استفاده کرد. معمولا دانشمندان برای تصحیح خطا در کامپیوتر کوانتومی، از الگوریتم‌های کوانتومی هوشمند و افزودن کیوبیت‌های بیشتر بهره می‌گیرند.
در کامپیوترهای سُنتی، این مشکلات در اغلب مواقع با افزودن بیت توازن (Parity) حل می‌شود. بیت توازن یا بیت همزادی، بیتی منفرد است که می‌تواند به رشته‌ای باینری اضافه شود. درواقع، برای نشان دادن زوج یا فرد بودن «تعداد» بیت‌هایی که «یک» هستند، به بیت‌ها اضافه می‌شود و هدف از آن، برابری ارائه روشی ساده برای بررسی خطاهای بعدی است.
روش مذکور بهدلیل ماهیت متفاوت بیت کوانتومی در برابر بیت در رایانه های کوانتومی کارساز نیست و تلاش برای اندازه‌گیری آنها داده‌ها را از بین می‌برد. تحقیقات قبلی حاکی از آن بودند که یکی از راه‌حل‌های ممکن برای این مشکل، می‌تواند گروه‌بندی کیوبیت‌ها به خوشه‌هایی به نام کیوبیت‌های منطقی باشد. در مقابل هم اصطلاحی به نام ناهمدوسی کوانتومی داریم که در ادامه بدان پرداخته شده است.
با این حال، به احتمال زیاد هزاران کیوبیت استاندارد برای ایجاد یک واحد یکپارچه و بسیار قابل اعتماد نیاز است که به‌عنوان کیوبیت منطقی شناخته می‌شود. این امر بسیاری از ظرفیت محاسباتی یک رایانهٔ کوانتومی را از بین می‌برد.
کیوبیت منطقی، کیوبیتی فیزیکی یا انتزاعی است که باتوجه‌‌به الگوریتم‌های کوانتوم یا مدار کوانتومی مشخص‌شده عمل می‌کند. این کیوبیت بسته به تبدیل واحد از زمان انسجام کافی برخوردار است تا گیت‌های منطقی کوانتوم بتوانند از آن استفاده کنند. گفتنی است هر کیوبیت منطقی می‌تواند به هزار کیوبیت فیزیکی نیاز داشته باشد. برای مثال، محاسبات کوانتومی مهم ازجمله الگوریتم‌های Shor که برای شکستن رمزگذاری کنونی استفاده می‌شود، به هزاران کیوبیت منطقی نیاز دارد.
درحقیقت، پرداختن به مکانیسم‌های خطا را می‌توان به کندن پوست پیاز تشبیح کرد که پوست‌گرفتن یک لایه، لایه دیگر را نشان می‌دهد. به‌کارگیری کیوبیت‌های منطقی بسیاری از ظرفیت محاسباتی یک رایانش کوانتومی را از بین می‌برد و کیوبیت‌هایی که اضافه می‌شوند، خود مستعد خطا هستند و با افزوده‌شدن آنها مشکلات نیز گسترش می‌یابد.
نکته دیگر این است که تاکنون، محققان نتوانسته‌اند بیش از ۱۲۸ کیوبیت استاندارد تولید کنند؛ بنابراین ما هنوز سال‌ها با کامپیوتر کوانتومی با کارکرد مفید فاصله داریم.
برتری کوانتومی چیست؟
برتری کوانتومی نقطه عطفی است که در آن رایانه های کوانتومی می‌تواند محاسبات ریاضی را که به‌طور قابل ملاحظه‌ای حتی از توانایی قوی‌ترین اَبَرکامپیوتر‌ها نیز خارج است، تکمیل کند.
هنوز دقیقاً مشخص نیست که چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف لازم است؛ زیرا محققان الگوریتم‌های جدیدی را برای افزایش عملکرد کامپیوترهای کلاسیک پیدا می‌کنند و سخت‌افزارهای کنونی نیز همچنان بهتر می‌شوند. محاسبات کوانتومی سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت‌های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می‌دهد..
دستاوردهایی از جمله سیستم خنک‌کننده قوی‌تر، تراشه‌های پیشرفته‌تر، افزایش ظرفیت پردازش، پیشرفت در فرایند تصحیح خطا و... یادآوری می‌کنند که شاید تا عمومی‌شدن این نوع کامپیوتر در صنایع و تجارت‌های خاص، فاصله‌ای نداشته باشیم.
بحث‌های زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد، دستیابی به این نقطه عطف چقدر مهم خواهد بود. به جای اینکه منتظر اعلام برتری باشیم، شرکت‌ها درحال‌حاضر آزمایش کاربردهای رایانه کوانتومی ساخته‌شده توسط شرکت‌هایی مانند آی‌بی‌ام، ریگتی و دی-ویو را آغاز کرده‌اند. شرکت‌های چینی مانند علی بابا نیز به رایانش کوانتومی دسترسی دارند. برخی از مشاغل در حال خرید کامپیوترهای مذکور هستند؛ درحالی‌که برخی دیگر از رایانش ابری مبتنی بر کوانتوم بهتره می‌گیرند.
مقایسه کامپیوتر کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک
ماشین محاسباتی جامع که توسط تورینگ و دیگر هم‌نسل‌هایش تعریف می‌شد، در طول جنگ جهانی دوم و پس از آن به باروری رسید و پیشرفت خود را از لامپ‌های خلأ تا ترانزیستورهای دست‌ساز و چیپ‌های بسیار متراکم امروزی طی کرده است. ایده‌ی عمومی رایانش به این سبک این است که «اگر چیزی بتواند با اعداد نمایش داده شود، ما می‌توانیم آن را شبیه‌سازی کنیم».
این به آن معنی است که آرایش ابرها، تشخیص اشیاء، ترکیب صداها، هندسه‌ی سه‌بعدی، ریاضیات پیچیده و بسیاری از موضوعات دیگر خارج این‌ها، با توان محاسباتی کافی، می‌توانند با استفاده از ماشین‌های متعارف مبتنی بر پردازنده، حافظه‌ی رم و فضای ذخیره‌سازی یا همان معماری فون‌نیومان انجام شوند.
اما استثنائاتی نیز وجود دارند و اگرچه بعضی از این استثنائات، مسائل مبهمی مثل پارادکس‌های ریاضی هستند، حوزه فیزیک کوانتوم نیز ثابت کرده که می‌تواند یکی از همین موارد استثنائی در این زمینه باشند. اینجاست که به ریچارت فاینمن می‌رسیم که در اوایل دهه‌ی 80 میلادی می‌گوید اگر بخواهیم رایانه های کوانتومی را شبیه‌سازی کنیم، نیازمند یک رایانهٔ کوانتومی برای این کار خواهیم بود:
من با تمامی تحلیل‌هایی که با استفاده از نظریات کلاسیک انجام می‌شوند راضی نمی‌شوم، زیرا طبیعت کلاسیک نیست، لعنت به آن، و اگر بخواهید یک شبیه‌سازی از طبیعت داشته باشید، بهتر است آن را با محاسبات کوانتومی انجام دهید.
بر همین اساس او نتیجه می‌گیرد رایانه‌های کلاسیک (که در آن زمان به عنوان تنها رایانه‌های ممکن شناخته می‌شدند) برای انجام بعضی امور کافی نخواهند بود.
مشکل کجاست؟ در آن زمان هنوز چیزی به نام رایانش کوانتومی وجود نداشت و کسی حتی ایده‌ای کوچک هم برای ساخت یکی از آنها نداشت. اما به هر حال موضوع باز شده بود و با همین اتفاق، رقابت نظریه‌پردازان و دانشمندان رایانه (از جله خود فاینمن) برای رسیدن به این ایده آغاز شده بود.
تهدید کامپیوتر کوانتومی برای امنیت رمزنگاری شبکه‌های بلاکچین
نکته بسیار مهمی که در مورد قانون تابع دریچه یا همان Trapdoor Function وجود دارد، این است که یک تابع ریاضی همان قدر که می‌تواند آسان باشد، قابلیت سخت شدن را هم دارد. حالا بیایید، این تابع ریاضی را برای توابع ریاضی و پیچیده‌ای که برای رمزنگاری و رمزگشایی الگوریتم‌های بلاکچین وجود دارند، مورد بررسی قرار دهیم.
بدیهی است که با توجه به آنچه که گفتیم، توابع ریاضی رمزنگاری غیر متقارن در شبکه‌های بلاکچین، همان قدر که سخت هستند، همان قدر هم آسان خواهند بود؛ اما این آسانی با کدام‌یک از سیستم‌های کامپیوتری امکان‌پذیر خواهند بود؟ اگر به یاد داشته باشید، ما به این نکته اشاره کردیم که حتی ابرکامپیوترهای موجود در جهان هم نمی‌توانند در مدت‌زمان کمی، تهدیدات رایانش کوانتومی و امنیت شبکه‌های بلاکچین را دچار خدشه کنند.
ارتباط رایانش کوانتومی با شبکه بلاکچین
برای بررسی این موضوع بسیار مهم و اساسی لازم است که ابتدا بدانید، یک شبکه بلاکچین با چه سازوکاری فعالیت می‌کند که احتمال تهدید آن توسط رایانه های کوانتومی وجود دارد. به طور کلی شبکه‌های بلاک چین با استفاده از توابعی فعالیت می‌کنند که تابع قوانین ریاضی و عملگرهای یک‌طرفه (هش) هستند.
به عبارت ساده‌تر، توابع ریاضی مورد استفاده برای امنیت بلاک‌چین‌ها که به صورت مشخص برای ایجاد امضاهای دیجیتالی و همچنین انجام دادن تراکنش‌ها و معاملات استفاده می‌شوند، علی‌رغم پیچیده بودن، دارای نقاط کوانتومی هم هستند. یکی از نقاط ضعف این توابع ریاضی پیچیده، این است که نمی‌توان در مورد مقاومت و امنیت آنها در مقابل یک کامپیوتر کوانتومی، مطمئن بود.
در حال حاضر هیچ کامپیوتر دیجیتالی و قدرتمندی نمی‌تواند از پس این توابع ریاضی بسیار پیچیده در شبه‌های بلاکچین بربیاید. اما همانطور که اشاره کردیم، تمامی مسائل حل‌نشدنی و سخت برای یک رایانهٔ کوانتومی، در عرض چند دقیقه قابل حل خواهند بود.
با این اوصاف بسیاری از کارشناسان و صاحب‌نظران حوزه کریپتوکارنسی بر این باور هستند که با ظهور محاسبات کوانتومی امکان بروز اتفاقات خطرناکی مثل حمله ۵۱%، حمله خرج کردن مضاعف و خدشه‌دار شدن امنیت شبکه بلاکچین وجود خواهد داشت یا خیر.
آینده کریپتوکارنسی با وجود قدرت محاسباتی رایانه‌های کوانتومی
در ماه مه سال ۲۰۱۷، تیمی از محققان مرکز کوانتومی روسیه، شبکه بلاک‌چینی را توسعه دادند که به ادعای آنها دارای مقاومت کافی در برابر تهدیدات محاسبات کوانتومی بود. روشی که آنها برای تأمین امنیت شبکه بلاکچین خود در نظر گرفته بودند، «ترکیب رمزنگاری پساکوانتومی» یا «توزیع کلید کوانتومی (QKD)» نام داشت.
در روش QKD، کلیدهای رمزنگاری شبکه بلاک چین با استفاده از پرتوهای لیزری منتقل می‌کند و برای موفقیت‌آمیز بودن این فرایند، از خواص کوانتومی فوتون‌ها استفاده می‌شود. فوتون‌های دارای ویژگی‌های رایانش کوانتومی ویژه‌ای هستند که به صورت ۰ و ۱ کدگذاری شده‌اند.
محققان روسی با استفاده از روش QKD توانسته‌اند، تهدیدات ناشی از یک کامپیوتر کوانتومی را با استفاده از حرکت جالب رفع کنند. زمانی که یک رایانه های کوانتومی سعی می‌کند، کلیدهای مربوط به تراکنش را هک یا رهگیری کند، عمل جاسوسی و خرابکارانه آن باعث ایجاد تغییراتی در ویژگی‌های کلید محاسبات کوانتومی QKD می‌شود و آن کلیدها غیر قابل استفاده خواهند شد.
آینده کامپیوترهای کوانتومی به کجا می‌رسد؟
همانطور که عنوان شد، کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارند. یکی از چالش های اصلی پیش روی کامپیوترهای کوانتومی، کاهش نرخ خطا است. کامپیوترهای کوانتومی به دلیل ماهیت ظریف حالات کوانتومی، مستعد خطا هستند. کاهش نرخ خطا برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی قابل استفاده در دنیای واقعی ضروری است.
چالش دیگر پیش روی کامپیوترهای کوانتومی، افزایش تعداد کیوبیت ها است. برای حل مسائل پیچیده، به تعداد زیادی کیوبیت نیاز است. افزایش تعداد کیوبیت ها، چالش های فنی مختلفی را به همراه دارد.
چشم انداز توسعه کامپیوترهای کوانتومی
با وجود چالش های موجود، انتظار می رود که کامپیوترهای کوانتومی در آینده نزدیک کاربردهای گسترده ای پیدا کنند. برخی از کاربردهای بالقوه کامپیوترهای کوانتومی عبارتند از:
- حل مسائل پیچیده: کامپیوترهای کوانتومی می توانند مسائلی را که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن یا بسیار زمان بر است، حل کنند. برای مثال، کامپیوترهای کوانتومی می توانند برای توسعه داروهای جدید، یافتن منابع طبیعی و بهبود پیش بینی آب و هوا استفاده شوند.
- پردازش اطلاعات رمزنگاری شده: کامپیوترهای کوانتومی می توانند برای شکستن کدهای رمزنگاری شده استفاده شوند. این امر می تواند امنیت شبکه های کامپیوتری و اطلاعات حساس را به خطر بیندازد.
- شبیه سازی مولکول ها و مواد: کامپیوترهای کوانتومی می توانند برای شبیه سازی مولکول ها و مواد استفاده شوند. این امر می تواند برای توسعه مواد و داروهای جدید مفید باشد.
در ادامه برخی از پیش بینی های کارشناسان در مورد آینده کامپیوترهای کوانتومی آورده شده است:
- تا سال 2025: انتظار می رود که کامپیوترهای کوانتومی با 50 کیوبیت ساخته شوند. این کامپیوترها می توانند برخی از مسائل پیچیده را حل کنند، اما هنوز برای کاربردهای دنیای واقعی مناسب نیستند.
- تا سال 2030: انتظار می رود که کامپیوترهای کوانتومی با 1000 کیوبیت ساخته شوند. این کامپیوترها می توانند مسائل پیچیده تر را حل کنند و برای کاربردهای دنیای واقعی مناسب تر خواهند بود.
- تا سال 2040: انتظار می رود که کامپیوترهای کوانتومی با میلیون ها کیوبیت ساخته شوند. این کامپیوترها می توانند مسائلی را حل کنند که برای کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است.
البته، این پیش‌بینی‌ها تنها حدس و گمان هستند و ممکن است در واقعیت اتفاقات متفاوتی رقم بخورد. با این حال، واضح است که کامپیوترهای کوانتومی پتانسیل ایجاد تحول در بسیاری از زمینه ها را دارند.
کلام پایانی و پاسخ به سوالات متداول
این همان دستاورد حقیقی است که تیم تحقیقاتی به آن رسیده‌اند. آنها در فرایند رسیدن به نقطه‌ی مهم برتری رایانهٔ کوانتومی دریافته‌اند که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند به بهتر شدن ادامه دهند و به نتایجی بهتر از بهبود نمایی کارایی دست یابند.
این موضوع درست مثل هر چیز دیگری در دنیا – چه کوانتومی و چه کلاسیک - به هیچ وجه مسلّم نبود. این موضوع کاملاً یک مسئله‌ی نظری بود، تا زمانی که واقعاً مورد آزمایش قرار گرفت.
کامپیوتر کوانتومی به زبان ساده چیزی خواهند بود که مردم می‌توانند امور خود را با آن انجام دهند. از اینجا به بعد، موضوع دیگر اثبات امکان رایانه های کوانتومی نیست، موضوع بهتر کردن آن‌هاست.
فاینمن از شنیدن خبر این پیشرفت شگفت‌زده نخواهد شد. او می‌دانست که اشتباه نمی‌کند!
آیا امکان نابودی شبکه بلاکچین با کامپیوتر کوانتومی وجود دارد؟
پاسخ‌های بسیار متعدد و متفاوتی در مورد پرسش‌هایی که در مورد امکان نابودی بلاک‌چین‌ها توسط رایانه‌های کوانتومی وجود دارند، ارائه شده‌اند. رایانش کوانتومی به واسطه قدرتمند بودن می‌تواند، فناوری رمزنگاری شبکه بلاکچین بیت کوین را بشکند.
آیا امکان گریز شبکه بلاکچین از تهدید کامپیوتر کوانتومی وجود دارد؟
با توجه به این که شبکه‌های بلاکچین هم می‌توانند، به گونه‌ای آپدیت شوند که از تهدیدات رایانه‌های کوانتومی بگریزند، بهتر است که کمی در این موضوع عمیق‌تر شویم. در حال حاضر، دو محقق از دانشگاه ویکتوریا ولینگتون در نیوزیلند، روی پیشنهادی در رابطه همین موضوع کار می‌کنند. آنها معتقدند که شبکه بلاکچین می‌تواند، فراتر از رمزنگاری‌های کوانتومی حرکت کند.
با توجه به پیشنهادی که ارائه داده‌اند، با استفاده از محاسبات درهم‌تنیدگی کوانتومی (که بخش عمده‌ای از سیستم یک رایانه های کوانتومی را تشکیل می‌دهد) می‌توان، نوع جدیدی از بلاک چین را به وجود آورد.
طبق پیشنهاد محققان، دو ذره کوانتومی درهم‌تنیده، در نقطه‌ای از زمان و مکان یا یکدیگر برهم‌کنش خواهند داشت؛ در طی این برهم‌کنش، هر دو ذره کوانتومی، وجود خود را به اشتراک خواهند گذاشت و از آن لحظه به بعد، اندازه‌گیری هر کدام از این ذرات، روی آن یکی تاثیر می‌گذارد.
-