برتری کوانتومی قرار است جهان را تغییر دهد

مسئله‌های گوناگونی مانند شکستن الگوریتم‌های رمزگذاری پیشرفته وجود دارند که حل کردن آنها برای رایانه‌های کلاسیک عملی نیست. پژوهش‌های انجام‌شده در دهه‌های اخیر نشان داده‌اند که رایانه‌های کوانتومی، توانایی حل کردن برخی از این مشکلات را دارند. اگر بتوان یک رایانه کوانتومی ساخت که یکی از این مشکلات را حل کند، برتری کوانتومی ثابت خواهد شد.

«دنیل لیدار»(Daniel Lidar) فیزیکدان و استاد مهندسی «دانشگاه کالیفرنیای جنوبی»(USC) است که پردازش اطلاعات کوانتومی و کنترل سیستم‌های کوانتومی را مطالعه می‌کند. او باور دارد که این مرز نوآوری در علم و فناوری نه تنها نویدبخش پیشرفت‌های پیشگامانه در محاسبات است، بلکه افزایش گسترده‌تر فناوری کوانتومی از جمله پیشرفت‌های قابل توجه در رمزنگاری کوانتومی و سنجش کوانتومی را به نمایش می‌گذارد.لیدار در این گزارش توضیح داده است که چگونه برتری کوانتومی می‌تواند جهان را تغییر دهد.

منبع قدرت محاسبات کوانتومی
مرکز محاسبات کوانتومی، بیت کوانتومی یا کیوبیت است. برخلاف بیت‌های کلاسیک که فقط می‌توانند در حالت‌های صفر یا یک باشند، یک کیوبیت می‌تواند در هر حالتی از ترکیب صفر و یک باشد. این حالت که نه فقط یک و نه فقط صفر است، به عنوان «برهم‌نهی کوانتومی» شناخته می‌شود. با هر کیوبیت اضافی، تعداد حالت‌هایی که می‌توان با کیوبیت‌ها نشان داد دو برابر می‌شود.

این ویژگی اغلب با منبع قدرت محاسبات کوانتومی اشتباه گرفته می‌شود و در عوض، به یک فعل و انفعال پیچیده از برهم‌نهی، تداخل و درهم‌تنیدگی می‌رسد.تداخل شامل دستکاری کیوبیت‌ها به‌ گونه‌ای است که حالت‌های آنها در طول محاسبات، به طور سازنده برای تقویت راه‌حل‌های درست و به ‌طور مخرب برای سرکوب پاسخ‌های اشتباه ترکیب شوند. تداخل سازنده زمانی اتفاق می‌افتد که قله‌های دو موج مانند امواج صوتی یا امواج اقیانوس، برای ایجاد یک قله بالاتر با هم ترکیب شوند. تداخل مخرب زمانی اتفاق می‌افتد که یک قله و یک فرورفتگی موج با هم ترکیب شوند و یکدیگر را خنثی کنند. الگوریتم‌های کوانتومی که ابداع کردن آنها کم و دشوار است، دنباله‌ای از الگوهای تداخلی را تنظیم می‌کنند که پاسخ درست را به یک مسئله می‌دهند.

درهم‌تنیدگی، یک همبستگی کوانتومی منحصربه‌فرد را بین کیوبیت‌ها ایجاد می‌کند که در آن، حالت یکی را نمی‌توان مستقل از بقیه توصیف کرد؛ مهم نیست کیوبیت‌ها چقدر از هم دور باشند. این همان چیزی است که «آلبرت اینشتین» آن را «کنش ترسناک از راه دور» نامید. رفتار جمعی درهم‌تنیدگی که از طریق یک رایانه کوانتومی تنظیم شده، افزایش سرعت محاسباتی را امکان‌پذیر می‌کند که خارج از دسترس رایانه‌های کلاسیک است.

کاربرد محاسبات کوانتومی
محاسبات کوانتومی، طیف گسترده‌ای از کاربردهای احتمالی را دارند که می‌توانند بهتر از کاربرد رایانه‌های کلاسیک باشند. در رمزنگاری، رایانه‌های کوانتومی هم یک فرصت و هم یک چالش هستند. معروف‌تر از همه این است که آنها پتانسیل رمزگشایی الگوریتم‌های رمزگذاری کنونی مانند «آراس‌ای»(RSA) را دارند.

یکی از پیامدهای این امر این است که پروتکل‌های رمزگذاری امروزی باید دوباره مهندسی شوند تا در برابر حملات کوانتومی آینده مقاوم باشند. این شناخت، به شکل‌گیری حوزه روبه‌رشد «رمزنگاری پساکوانتوم» منجر شده است. پس از یک فرآیند طولانی، «موسسه ملی فناوری و استانداردهای آمریکا»(NIST) اخیرا چهار الگوریتم مقاوم در برابر کوانتوم را انتخاب کرده و فرآیند آماده‌سازی الگوریتم‌ها را آغاز کرده است تا سازمان‌های سراسر جهان بتوانند از آنها در فناوری رمزگذاری خود استفاده کنند.

علاوه بر این، محاسبات کوانتومی می‌توانند سرعت شبیه‌سازی کوانتومی را به طور چشمگیری افزایش دهند. شبیه‌سازی کوانتومی، توانایی پیش‌بینی کردن نتیجه آزمایش‌هایی است که در قلمرو کوانتوم عمل می‌کنند. «ریچارد فاینمن»(Richard Feynman) فیزیک‌دان مشهور آمریکایی، بیش از ۴۰ سال پیش این امکان را تصور کرد. شبیه‌سازی کوانتومی، پتانسیل پیشرفت‌های قابل‌توجهی را در علم شیمی و مواد ارائه می‌دهد و در زمینه‌هایی مانند مدل‌سازی پیچیده ساختارهای مولکولی برای کشف دارو و امکان کشف یا ایجاد مواد با خواص جدید کمک می‌کند.

یکی دیگر از کاربردهای فناوری اطلاعات کوانتومی، سنجش کوانتومی است. سنجش کوانتومی، به تشخیص و بررسی خواص فیزیکی مانند انرژی الکترومغناطیسی، گرانش، فشار و دما با حساسیت و دقت بیشتر نسبت به تجهیزات غیرکوانتومی گفته می‌شود. سنجش کوانتومی، کاربردهای بی‌شماری را در زمینه‌هایی مانند بررسی محیطی، اکتشافات زمین‌شناسی، تصویربرداری پزشکی و نظارت دارد.

ابتکاراتی مانند توسعه اینترنت کوانتومی که رایانه‌های کوانتومی را به هم متصل می‌کند، گام‌های مهمی در جهت ایجاد پل ارتباطی بین دنیای محاسبات کوانتومی و کلاسیک هستند. این شبکه را می‌توان با استفاده از پروتکل‌های رمزنگاری کوانتومی مانند «توزیع کلید کوانتومی»(QKD) ایمن‌سازی کرد که کانال‌های ارتباطی فوق‌العاده ایمن را فعال می‌سازند تا در برابر حملات محاسباتی محافظت شوند.

به رغم وجود داشتن یک مجموعه کاربردی روبه‌رشد برای محاسبات کوانتومی، توسعه الگوریتم‌های جدید که از برتری کوانتومی به ‌ویژه در یادگیری ماشینی به طور کامل استفاده می‌کنند، یک حوزه حیاتی از پژوهش‌های در حال انجام شدن است.

منسجم ماندن و غلبه کردن بر خطاها
حوزه محاسبات کوانتومی با موانع قابل توجهی در توسعه سخت‌افزار و نرم‌افزار روبرو است. رایانه‌های کوانتومی نسبت به هرگونه تعامل ناخواسته با محیط خود بسیار حساس هستند. این امر به بروز پدیده ناپیوستگی منجر می‌شود که در آن، کیوبیت‌ها به سرعت به حالت صفر یا یک بیت‌های کلاسیک تنزل می‌یابند.

ساختن سیستم‌های محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ که قادر به فراهم کردن افزایش سرعت کوانتومی باشند، نیازمند غلبه بر عدم پیوستگی است. راه‌حل کلیدی، توسعه روش‌های مؤثر برای سرکوب و تصحیح خطاهای کوانتومی است و تحقیقات دنیل لیدار روی همین حوزه متمرکز ‌شده‌اند.

در راستای بررسی این چالش‌ها، استارت‌آپ‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری کوانتومی متعددی در کنار غول‌های فناوری مانند «گوگل» و «آی‌بی‌ام»(IBM) ظهور کرده‌اند. این علاقه صنعتی همراه با سرمایه‌گذاری قابل توجه دولت‌های سراسر جهان، بر شناخت جمعی در مورد پتانسیل تحول‌آفرین فناوری کوانتومی تأکید می‌کند. این ابتکارات، یک اکوسیستم غنی را تقویت می‌کنند که در آن دانشگاه و صنعت با یکدیگر همکاری دارند و پیشرفت در این زمینه را سرعت می‌بخشند.

برتری کوانتومی در حال نشان دادن خود است
محاسبات کوانتومی ممکن است روزی به اندازه ورود «هوش مصنوعی مولد» مخرب باشند. در حال حاضر، توسعه فناوری محاسبات کوانتومی در یک مقطع حیاتی قرار دارد. این حوزه قبلا نشانه‌های اولیه دستیابی به یک برتری کوانتومی تخصصی را نشان داده است. پژوهشگران گوگل و سپس گروهی از پژوهشگران چین، برتری کوانتومی را برای تولید فهرستی از اعداد تصادفی با ویژگی‌های خاص نشان دادند. گروه پژوهشی لیدار نیز سرعت کوانتومی را برای یک بازی حدس زدن اعداد تصادفی نشان داد.

از سوی دیگر، در صورتی که نتایج عملی در کوتاه‌مدت محقق نشوند، خطر ملموسی را برای ورود به «زمستان کوانتومی» به همراه خواهند داشت که یک دوره از کاهش سرمایه‌گذاری است.در حالی که صنعت برای ارائه کردن برتری کوانتومی در محصولات و خدمات در کوتاه‌مدت تلاش می‌کند، پژوهش‌های آکادمیک همچنان بر بررسی اصول زیربنای این مفهوم متمرکز هستند. این پژوهش‌های بنیادی مستمر که مشتاقانه توسط دانشجویان جدید و باهوش انجام می‌شوند، تضمین می‌کنند که این حوزه به پیشرفت خود ادامه خواهد داد.