زمانی که صحبت از کامپیوترهای کوانتومی به میان می‌آید، احتمالاً عده‌ی زیادی تصور می‌کنند یک کامپیوتر به شکل و شمایل کامپیوترهای فعلی در دست خواهیم داشت که توان پردازشی به مراتب بالاتری دارد. این تصور اشتباهی است و چیزی که ما درباره‌ی آن صحبت کردیم، در اصل سوپر کامپیوترها هستند. ابرقدرت‌هایی که سال‌های سال است بر سر توسعه‌ی آن‌ها رقابت دارند. کامپیوترهای کوانتومی اما موضوع کاملاً متفاوتی است. کامپیوترهای کوانتومی در اصل بر منبای فیزیک کوانتوم پایه گذاری شده‌اند و توان محاسباتی به مراتب بالاتری نسبت به سوپر کامپیوترها دارند. به عنوان نمونه در اواخر شهریور ماه سال گذشته، شاهد معرفی اولین کامپیوتر کوانتومی گوگل با نام Sycamore با 53 کیوبیت بودیم که در مقایسه با قوی‌ترین سوپر کامپیوتر دنیا یعنی Summit، سرعت فوق‌العاده بالایی دارد. به عبارتی این کامپیوتر کوانتومی قادر است محاسباتی را در مدت 3 دقیقه و 20 ثانیه انجام دهد که Summit برای انجام همین محاسبات به 10 هزار سال زمان نیاز دارد. با فیسیت همراه باشید تا کمی بیشتر درباره‌ی کامپیوترهای کوانتومی صحبت کنیم.

کامپیوتر کوانتومی چیست و چطور کار می‌کند؟

همانطور که اشاره کردیم، ساختار کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای کلاسیک متفاوت است. کامپیوترهای کلاسیک با ترانزیستورها کار می‌کنند و داده‌ها عملاً در قالب بیت‌ها به صورت 0 و 1 ذخیره و استفاده می‌شوند. همانطور که می‌دانید بیت‌ها در هر لحظه قطعاً یک مقدار واحد 0 یا 1 را دارند.

در کامپیوترهای کوانتومی اما به جای ساختار مبتنی بر ترانزیستور، از دستکاری دستکاری ذرات زیراتمی بهره می‌برد و از اسپین (Spin از خاصیت‌های ذرات زیر اتمی است که یک خاصیت کوانتومی به شمار می‌آید) استفاده می‌کنند. در این کامپیوترها به جای بیت، کوانتوم بیت داریم که از آن‌ها با عنوان Qubit یاد می‌کنیم. حالت پایه‌ی کیوبیت‌ها با |0> و |1> نشان می‌دهیم (و به صورت کِت 0 و کِت 1 می‌خوانیم).

برای درک بهتر این موضوع فرض کنید که یک سکه را پرتاب می‌کنیم، در لحظه‌ای که سکه روی زمین ثابت می‌شود، قطعاً حالت سکه شیر یا خط است. حالا تصور کنید که همین سکه را روی لبه، روی میز می‌چرخانیم. آیا در حین چرخش سکه می‌توانیم بگوییم که شیر نمایان شده است یا خط؟ قطعاً خیر. درواقع در هر لحظه، سکه با یک احتمال شیر و همزمان با یک احتمال خط است.

کارکرد کیوبیت‌ها در اصل درست مانند همان سکه‌ای است که روی لبه در حال گردش است. کیوبیت‌ها از خاصیت Superposition بهره می‌برند که می‌توانند همزمان با یک احتمال، مقادیر 0 و 1 را داشته باشند. این موضوع را با فرمت و فرمول زیر نشان می‌دهیم. دو عدد α و β درواقع دو عدد مختلط هستند که در فرمول زیر صدق می‌کنند.

همین ویژگی superposition و ویژگی‌های دیگری مانند همبستگی (entanglement)، کامپیوترهای کوانتومی را به سیستم‌های ایده‌آلی برای محاسبات خاصی تبدیل کرده است.

آیا امنیت به واسطه‌ی کامپیوترهای کوانتومی در خطر است؟

موضوع کامپیوترهای کوانتومی از دهه‌ی 1980 مورد بحث قرار گرفتند و در زمینه‌‌های طراحی و آزمایش دارو‌های جدید، پیش بینی وضعیت هوا، تحلیل داده، هوش مصنوعی و... کاربرد خواهند داشت. اما یکی از کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی در زمینه‌ی کامپیوتر، در حوزه‌ی رمزنگاری هست. همانطور که می‌دانید موضوع امنیت کاملاً نسبی است و آنچه که امروز آن را امن می‌نامیم، ممکن است تا چند سال دیگر هیچ گونه امنیتی نداشته باشد.

در حال حاضر الگوریتم RSA به عنوان یک الگوریتم امن در اینترنت، در اکثر ارتباطاتی که به امنیت بالایی نیاز دارند مثل ارتباطات بانکی، استفاده می‌شود. پایه و اساس این الگوریتم، وجود یک عدد طبیعی بسیار بزرگ مانند N است که شکستن آن به فاکتورهای اول (یا پاور پرایم) ممکن نیست. پیدا کردن همین فاکتورهای اول یک عدد بزرگ، یک مسئله‌ی بسیار دشوار (NP-Complete) است که برای بدست آوردن آن‌ها روی کامپیوترهای معمولی و حتی ابرکامپیوترها، به میلیاردها سال، زمان نیاز است. اما کامپیوترهای کوانتومی در مدت بسیار کوتاهی، به دلیل ساختار و سرعت بالایی که دارند، می‌توانند این فاکتورها را با استفاده از الگوریتم‌هایی مانند Shor (که یکی از معروف‌ترین و مهم‌ترین الگوریتم‌های کوانتومی است) بدست بیاورند. بنابراین امنیت کنونی که داریم، به طور کلی زیر سوال می‌رود.

با این حال این نگرانی در حال حاضر واقعاً مطرح نیست زیرا اگرچه سال‌های سال است که الگوریتم‌های کوانتومی را در دست داریم اما کامپیوترهای کوانتومی در دسترس ما نیستند. از طرفی خود محاسبات کوانتومی می‌توانند به افزایش امنیت کمک هم کنند. درواقع اگر یک کانال ارتباطی کوانتومی در اختیار داشته باشیم، می‌توانیم داده و کلید را از طریق این کانال امن انتقال دهیم و امنیت بی نظیری را در تجربه کنیم.

در خصوص کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر کارهایی انجام شده است. به عنوان نمونه می‌توانیم به کامپیوترهای کوانتومی IBM و گوگل و همچنین کامپیوتر کوانتومی جدید هانی ول با نام H1 با 10 کیوبیت اشاره کنیم. در آخر باید بگوییم که کامپیوترهای کوانتومی در حل مسائلی که به حافظه و محاسبات زیادی نیاز دارند کاربرد دارد اما به نظر می‌رسد که استفاده از ابرکامپیوترها در آینده حتی بیشتر از کامپیوترهای کوانتومی باشد.

اخبار مرتبط:

استخراج 3 میلیون بیت کوین تنها در 2 ثانیه توسط کامپیوتر کوانتومی گوگل؛ آیا این ادعا درست است؟

اگر به اخبار دنیای تکنولوژی علاقه مند هستید، ما را در شبکه‌های اجتماعی مختلف تلگرام، روبیکا، توییتر، اینستاگرام و آپارات همراهی کنید.