محاسبات کوانتومی این روزها بسیار مورد توجه قرار گرفته است و پتانسیل این را دارد که محاسبات کامپیوتری را به کلی متحول کند. کامپیوترهای کوانتومی با توانایی انجام محاسبات پیچیده به صورت تصاعدی سریعتر از رایانه‌های سنتی هستند و تأثیر قابل‌توجهی بر طیف گسترده‌ای از صنایع خواهند گذاست. در این مقاله سعی کردم شما را که با مقدمات و آنچه باید از کامپیوتر کوانتومی بدانید آشنا کنم و در مورد تاریخچه، نحوه عملکرد، کاربردهای بالقوه آنها و چالش‌های پیش روی در مسیر توسعه آنها صحبت کنیم.
تاریخچه محاسبات کوانتومی و شروع رایانه کوانتومی
خاستگاه محاسبات کوانتومی را می توان اواخر دهه 1970 دانست، زمانی که فیزیکدان بزرگ ریچارد فاینمن ایده استفاده از مکانیک کوانتومی را برای شبیه سازی سیستم های فیزیکی که برای کامپیوترهای سنتی بسیار پیچیده بودند، پیشنهاد کرد. با این حال، تا اوایل دهه 1980به طول انجامید که محققان به طور جدی به بررسی امکان ساخت یک کامپیوتر کوانتومی پرداختند.
یکی از پیشرفت‌های کلیدی در سال 1985 بود، دقیقا زمانی که فیزیکدان دیوید دویچ، مفهوم یک کامپیوتر کوانتومی جهانی را پیشنهاد داد، که این رایانه کوانتومی می‌تواند هر محاسبه‌ای را که یک کامپیوتر کلاسیک قادر به انجام آن است را انجام دهد. این ایده اولیه، راه را برای توسعه الگوریتم‌های کوانتومی و اکتشاف برنامه‌های کاربردی بالقوه برای رایانه‌های کوانتومی هموارتر ساخت.
کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟
بلوک اصلی یک کامپیوتر کوانتومی کیوبیت است و در کامپیوترهای سنتی از بیت در محاسبات استفاده می‌شود. با این حال، در حالی که یک بیت کلاسیک تنها می تواند در یکی از دو حالت (0 یا 1) باشد، یک کیوبیت می تواند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشد، ویژگی که به عنوان برهم نهی شناخته می شود.
یکی دیگر از ویژگی های مهم کیوبیت ها درهم تنیدگی آنها است و متعلق به است که دو یا چند کیوبیت در یک حالت همبسته باشند. درهم تنیدگی به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد محاسباتی را انجام دهند که برای رایانه‌های کلاسیک غیرممکن است، مانند فاکتورگیری اعداد بزرگ یا شبیه‌سازی سیستم‌های فیزیکی بسیار پیچیده.
کامپیوترهای کوانتومی از فناوری‌های مختلفی برای دستکاری کیوبیت‌ها از جمله مدارهای ابررسانا، تله‌های یونی و فوتونیک استفاده می‌کنند. این فناوری ها همگی بر اصول مکانیک کوانتومی جهت دستکاری و اندازه گیری کیوبیت ها تکیه دارند.
کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی
محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که بسیاری از صنایع از جمله مراقبت های بهداشتی، مالی و امنیت سایبری را متحول کند. در اینجا چند نمونه از کاربردهای بالقوه کامپیوترهای کوانتومی را به شما همراهان عزیز توضیح می‌دهیم:
در صنعت پزشکی و دارو: رایانه‌های کوانتومی قادر هستند که رفتار مولکول‌ها را بسیار سریعتر از رایانه‌های سنتی شبیه‌سازی کنند و به محققان این امکان را می‌دهند که یک داروی مناسب و بالقوه را برای استفاده شناسایی کنند. استفاده از کامپیوتر کوانتومی در صنعت داروسازی می تواند منجر به توسعه درمان های جدید برای بیماری هایی شود که در حال حاضر درمان آنها دشوار است.
رمزنگاری: یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند می تواند به راحتی اعداد بزرگ را فاکتور کند و این روش های رمزگذاری سنتی را منسوخ کند. به دلیل سرعت بالای کامپیوتر کوانتومی در رمزنگاری‌ها ممکن است در آینده به کلی سیستم‌های امنیتی متحول شوند و روش‌های جدید برای جلوگیری از نفوذگران به سیستم ایجاد شود.
بهینه سازی: محاسبات کوانتومی می تواند برای بهینه سازی مسائل مالی یا حل مسائل پیچیده لجستیکی استفاده شود. روش‌های بهینه‌سازی سنتی می‌توانند کند و از نظر محاسباتی برای کاربران گران تمام شوند، اما محاسبات کوانتومی می‌تواند این محاسبات را بسیار سریعتر کند و به کاربر کمک کند که محاسبات دقیق تری داشته باشد.
چالش‌های پیش روی محاسبات و کامپیوترهای کوانتومی
علیرغم مزایای بالقوه محاسبات کوانتومی، چالش‌های مهمی نیز پیش روی توسعه آن وجود دارد. که برخی از این موارد به شرح زیر هستند:
تصحیح خطا: کیوبیت ها به طور باورنکردنی به محیطی که در آن مشغول فعالیت هستند، حساس‌اند و حتی یک اختلال جزئی می تواند باعث خطا در محاسبات شود. این بدان معناست که کامپیوترهای کوانتومی باید در دمای بسیار پایین نگه داشته شوند و نباید از محیط خود جدا شوند، به همین دلیل اکثر آنها را در یخچال‌های بسیار سرد نگه داری می‌کنند. البته محققان در حال تلاش برای برطرف کردن این موضوع هستند.
برنامه نویسی: برنامه نویسی کامپیوترهای کوانتومی به رویکردی متفاوت از برنامه نویسی در سیستم‌های قدیمی نیاز دارد. الگوریتم های کوانتومی اغلب ماهیت احتمالی دارند و در این مدل نیاز به روش جدیدی از تفکر در خصوص حل مسئله دارند. این مسئله منجر به توسعه زبان های برنامه نویسی جدید و چارچوب هایی شده است که به طور خاص برای محاسبات کوانتومی طراحی شده اند.
خطرات استفاده از کامپیوترهای کوانتومی چیست؟
در حالی که کامپیوترهای کوانتومی این پتانسیل را دارند که بسیاری از صنایع را متحول کنند، اما خطرات خاصی را نیز به همراه دارند که باید مورد توجه قرار گیرند. در اینجا چند مورد از مهم ترین خطرات مرتبط با محاسبات کوانتومی را مورد بررسی قرار داده‌ام:
رمزنگاری: یکی از مهم‌ترین خطرات مرتبط با محاسبات کوانتومی، شکستن روش‌های رمزگذاری سنتی به روش بسیار ساده است. در واقع کامپیوترهای کوانتومی به قدری در محاسبات قوی عمل می‌کنند که می‌توانند تمامی رمزهای عبور مهم را بشکنند و مباحث پیچیده را در کمترین سرعت رمزنگاری کنند.
امنیت ملی: محاسبات کوانتومی همچنین می تواند پیامدهای مهمی برای امنیت ملی داشته باشد. برای مثال، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند برای شکستن کدهای استفاده شده توسط دولت‌ها خطرناک باشند به همین دلیل بیشتر محققین در حال حاضر در حال برطرف سازی این خطای امنیتی در محاسبات کوانتومی هستند.
حریم خصوصی: رایانه های کوانتومی همچنین می توانند پیامدهایی برای حفظ حریم خصوصی داشته باشند. به عنوان مثال، رایانه های کوانتومی می توانند برای نفوذ به پایگاه های داده ایمن یا رهگیری ارتباطات حساس مورد استفاده قرار گیرند و به راحتی به آنها نفوذ کنند.
اختلالات اقتصادی: با پیشرفت محاسبات کوانتومی، این رایانه‌ها می‌توانند تمامی صنایع را مختل کنند و به تحولات اقتصادی قابل توجهی در تمام جهان منجر شوند. به عنوان مثال، محاسبات کوانتومی می تواند مشاغل خاصی را منسوخ کند یا از رده خارج کند همانند هوش مصنوعی که اتفاقات بزرگی را در صنعت تکنولوژی رقم زد.
برای مقابله با این خطرات، محققان در حال توسعه روش‌های رمزگذاری جدید هستند که در برابر حملات رایانه‌های کوانتومی مقاوم هستند.
آیا کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر وجود دارند؟
بله، کامپیوترهای کوانتومی در حال حاضر وجود دارند، اما هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و هنوز به طور گسترده در دسترس قرار نگرفته‌اند.
انواع مختلفی از کامپیوترهای کوانتومی توسعه یافته اند، از جمله کامپیوترهای مبتنی بر کیوبیت ابررسانا، کامپیوترهای مبتنی بر تله یونی و کامپیوترهای مبتنی بر کیوبیت توپولوژیکی. این کامپیوترها بر اساس اصول مکانیک کوانتومی کار می کنند و می توانند محاسبات خاصی را بسیار سریعتر از کامپیوترهای فعلی انجام دهند.
با این حال، کامپیوترهای کوانتومی هنوز از نظر مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان محدود هستند. آنها نسبت به محیط خود بسیار حساس هستند و برای حفظ حالت کوانتومی خود به انزوا و خنک سازی دقیق نیاز دارند همانطور که در مقاله به آن اشاره کردم.
علیرغم این محدودیت ها، کامپیوترهای کوانتومی هنوز یک حوزه هیجان انگیز تحقیق و توسعه هستند و دانشمندان در حال پیشرفت سریع در پیشرفت فناوری هستند.
سرعت یک کامپیوتر کوانتومی چقدر است؟
سرعت یک کامپیوتر کوانتومی به عوامل مختلفی از جمله تعداد کیوبیت ها، کیفیت کیوبیت ها و الگوریتم مورد استفاده در آنها بستگی دارد. به طور کلی، کامپیوترهای کوانتومی برای انواع خاصی از مشکلات سریعتر از کامپیوترهای کلاسیک هستند، اما برای همه انواع مشکلات نه.
یکی از شناخته شده ترین الگوریتم های کوانتومی، الگوریتم شور است که می تواند اعداد بزرگ را به صورت نمایی سریعتر از الگوریتم های کلاسیک فاکتورسازی کند. این بدان معناست که یک کامپیوتر کوانتومی با کیوبیت‌های کافی می‌تواند از نظر تئوری بسیاری از روش‌های رمزگذاری مورد استفاده برای ایمن کردن تراکنش‌های آنلاین را از بین ببرد. با این حال، تعداد کیوبیت های مورد نیاز برای این محاسبه هنوز فراتر از توانایی های رایانه های کوانتومی فعلی است.
البته در برخی موارد همانند جستجو در یک پایگاه داده وب بزرگ، کامپیوترهای کوانتومی به قطع نمی‌توانند همانند کامپیوترهای قدیمی عمل کنند و عملکرد ضعیف تری دارند.
به صورت کلی باید بدانید که کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مراحل اولیه توسعه هستند و رایانه‌های فعلی از نظر مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان محدود هستند اما در آینده نزدیک و توسعه تکنولوژی قطعا این کامپیوترها پیشرفت بیشتری خواهند داشت و امکان دارد حتی جایگاه کامپیوترهای فعلی را بگیرند.
