امروزه نیاز روزافزون به سخت افزار‌هایی که توان پردازشی بالایی داشته باشند بسیار حس میشود، از طرفی محدودیت‌های ساخت پردازنده‌ها و همچنین عدم کارآمدی مناسب آنها در مواجهه با مسائل پیچیده دانشمندان را به سمت و سوی جدیدی سوق داده است تا بتوان با استفاده از علم مکانیک کوانتوم و علم کامپیوتر دریچه جدیدی به دنیای کامپیوترها باز شود تا محاسبات پیچیده با سرعت بیشتری نسبت به پیش انجام شوند.
محاسبات کوانتومی چیست؟
محاسبات کوانتومی یا رایانش کوانتومی (Quantum Computing) دسته‌ای از محاسبات هستند که در الگوریتم آنها از قوانین و پدیده‌های مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) که در ادامه با آنها آشنا خواهیم شد، استفاده میشود. این دو مفهوم از اساسی‌ترین و بنیادی‌ترین مفاهیمی هستند که اساس کار کامپیوتر های کوانتومی را توجیه میکنند. بنابراین با بهره‌گیری از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم میتوان عملیات‌های ذخیره و پردازش داده‌ها را به کمک کامپیوتر کوانتومی انجام داد.
محاسبات کوانتومی با محاسبات کلاسیک چه تفاوتی دارند؟
کامپیوترها، تلفن‌ها و به طور کلی پردازنده‌های امروزی که به وسیله آن در حال مطالعه این مقاله هستید از محاسبات کلاسیک که بر پایه بیت هستند، استفاده میکنند. بیت ها کوچکترین جز محاسباتی کامپیوتر ها هستند که میتوانند 0 به معنی خاموش و یا 1 به معنی روشن باشند. تمامی پردازش‌هایی که کامپیوترها انجام می‌دهند بر پایه عملیات های ریاضی (جمع، تفریق، ضرب و تقسیم) می‌باشند که روی این بیت‌ها انجام میشود. عملیات ذخیره سازی و پردازش بیت‌ها توسط یک سوییچ به نام ترانزیستور (Transistor) انجام میشود. ترانزیستورها در حالت ساده شده، همانند کلید روشن و خاموش چراغ روشنایی عمل میکنند که میتوانند روشن یا خاموش باشند. ترانزیستورها به کمک گیت های منطقی (Logic Gates) عملیات های ریاضی را به صورت سخت افزاری محاسبه میکنند و نتیجه نهایی بعد از سپری شدن مراحل مختلف به صورت تصویر، صوت و … به کاربر تحویل داده میشود.
در کامپیوتر کوانتومی، همانند کامپیوترهای معمولی به طور کلی از قوانین حاکم بر بیت ، گیت های منطقی و الگوریتمالگوریتم چیست به زبان ساده و با مثال های فراوان
در این مقاله به زبان بسیار ساده و با مثال های متعدد توضیح داده شده که الگوریتم چیست و چه کاربردهایی دارد ها و سایر اجزا استفاده میشود با این تفاوت که قوانین حاکم بر ارتباطات کوانتومی نیز در این بین دخیل هستند. در معماری کامپیوتر کوانتومی به جای بیت از کیوبیت (Qubit) استفاده شده است که به آن بیت کوانتومی نیز گفته میشود. تفاوت کامپیوتر کوانتومی و معمولی دقیقا از این نقطه آغاز میشود. اگر مباحث مربوط به گیت های منطقی برایتان جذاب باشد، پیشنهاد می‌کنیم از مقاله‌ی مدار منطقیآموزش مدار منطقی به زبان ساده - بررسی مدار منطقی و انواع آن
امروزه درک صحیحی از مدارهای منطقی برای هر مهندس برق و کامپیوتر ضروری است. این مدارها عنصر اصلی کامپیوترها و بسیاری از وسایل الکترونیکی اطراف ما هستند، در این صفحه به بررسی و آموزش مدار منطقی پرداخته شده است دیدن فرمائید.
کیوبیت و بیت
همانطور که در قسمت قبل گفته شد بیت‌ها میتوانند در هر لحظه بیانگر یک یا صفر باشند و عددی مابین این دو عدد قابل قبول نیست. کیوبیت‌ها سیستم‌هایی هستند همانند بیت‌ها که میتوانند یک یا صفر باشند با این تفاوت که علاوه بر اینکه میتوانند صفر یا یک باشند، در هر لحظه بر اساس احتمالی بین صفر یا یک میتوانند قرار داشته باشند که این همان اصل برهم نهی (Superposition) میباشد و هنگامی که یک کیوبیت را می‌خواهیم اندازه بگیریم، مقدار آن اجبارا باید یا یک یا صفر باشد که این اثر را همان اثر درهم تنیدگی (Entanglement) می‌نامند.
کامپیوتر های امروزی در مقایسه با کامپیوتر کوانتومی
با وجود شباهت‌هایی که کامپیوتر کوانتومی و معمولی با هم دارد، تفاوت‌هایی بعضا اساسی نیز در مقایسه با یکدیگر پیدا میشود که در ادامه از جنبه‌های مختلف مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
سخت افزار
در کامپیوتر کوانتومی از گیت های کوانتومی به جای گیت های معمولی استفاده میشود، و به جای ترانزیستورها و مدارهای رایج از اتم ها و ذرات بنیادی برای پردازش اطلاعات استفاده میشود، به عنوان مثال یک اتم میتواند به عنوان یک بیت حافظه در کامپیوتر استفاده شود و جابه جایی اطلاعات توسط نور انجام شود. با وجود این مسئله نیاز است که اتم‌ها و ذرات زیراتمی در حالت خاصی نگهداری شوند از جمله این شرایط میتوان به شرایط محیطی اشاره کرد که در آن دما باید نزدیک به دمای صفر مطلق باشد که فراهم کردن این شرایط بسیار سخت است، یا در مدل‌هایی از کامپیوتر کوانتومی از ابررسانا‌ها استفاده میشود اما در کامپیوترهای معمولی لزوما همه‌ی قطعات از ابررسانا‌ها ساخته نمی‌شوند.
سرعت پردازش
یکی از اصلی ترین دلایلی که دانشمندان را به سمت کامپیوتر کوانتومی سوق داد سرعت پردازش خیره کننده آنها بود. به دلیل خواص کوانتومی که این کامپیوترها دارند توانایی این را دارند که محاسبات خود را بر خلاف آنچه که در گیت های منطقی که در کامپیوترهای معمولی رخ می‌دهد به صورت موازی (Parallel) انجام دهند. در کامپیوترهای معمولی پردازش ها به صورت سری (Serial) انجام میشود و تنها در صورتی میتوان از پردازش موازی استفاده کرد که بیش از یک پردازنده وجود داشته باشد. الگوریتم های خاصی مانند شور و گراور که در کامپیوتر کوانتومی اجرا می‌شوند گاه قادر هستند زمان محاسبات را که در ابر کامپیوترها ممکن است به هفته‌ها، ماه‌ها یا سال‌ها طول بکشد را به مدت زمان کوتاهی تقلیل دهند.
مصرف انرژی
نکته ای که بسیار حائز اهمیت است، مصرف انرژی این کامپیوترها میباشد. کامپیوتر کوانتومی مصرف بسیار پایین انرژی را در مقایسه با ابر کامپیوترها دارد به طوری که یک ابر کامپیوتر مصرف برقی بین ۱ تا ۱۰ مگاوات دارد اما مصرف انرژی یک کامپیوتر کوانتومی ساخته شده بین ۲۰ تا ۳۰ کیلووات میباشد و این به معنای این میباشد که به ازای یک مقدار محاسبات مشخص، کامپیوتر کوانتومی صدمه کمتری به محیط زیست وارد می‌کند.
چالش های ساخت
همانطور که می‌دانید تا قبل از اختراع ترانزیستور، لامپ های خلا بودند که وظیفه ترانزیستورها را برعهده داشتند. این لامپ‌ها بسیار بزرگ بودند و فضای بسیار زیادی را اشغال می‌کردند. بعد‌ها با دسترسی بشر به تکنولوژی ساخت ترانزیستورها، ابعاد این ترانزیستورها به طرز چشمگیری کاهش یافت به طوری که کوچکترین کامپیوتر ساخته شده ابعادی کوچکتر از یک دانه برنج دارد. اما این روند کوچک سازی ترانزیستورها فرایندی سخت و کند است و در نقطه‌ای متوقف میشود به دلیل اینکه در ابعاد بسیار کوچک دیگر قوانین کلاسیک عملکرد خود را از دست می‌دهند و در این مرحله قوانین فیزیک کوانتوم هستند که نقش تعیین کننده‌ای را ایفا میکنند.
در مقابل ما رایانه های کوانتومی را داریم که از قوانین فیزیک کوانتوم پیروی میکنند. این دستگاه‌ها باید بتوانند یک اتم را به دام اندازند و ماده را ابررسانا کنند به نحوی که جریان را بدون وجود مقاومت هدایت کند در نتیجه میتوان خواص کوانتومی را بر این سیستم‌ها اعمال کرد. برای انجام این چنین اعمالی ریزپردازنده باید در دمای صفر مطلق نگهداری شود. در این دما ذرات کمترین انرژی گرمایی را دارند، اما مسئله‌ای که وجود دارد این است که نگهداری سیستم در این دما بسیار کار دشوار و پرهزینه‌ای است به دلیل اینکه کوچکترین مقدار انرژی که از محیط به داخل سیستم وارد شود باعث میشود که کیوبیت‌ها دچار فروپاشی و تجزیه شوند و به بیت‌های معمولی تبدیل شوند که این مسئله هزینه سنگینی را به دنبال خواهد داشت. وجود هر کیوبیت اضافه در سیستم باعث افزایش پیچیدگی ماشین خواهد شد و در نتیجه باید پالس های الکترومغناطیسی که مسئولیت کنترل سیستم را دارند بدون کوچکترین مشکلی تنظیم شوند.
زبان های برنامه نویسی
تفاوت زبان های برنامه نویسی کلاسیک و کوانتومی به عناصر بنیادی برمیگردد که اساس کار سیستم های کلاسیک و کوانتومی هستند. در زبان های برنامه نویسی کلاسیک، کاربر عناصر بنیادی ۰ و ۱ را به صورت خطی به کار می‌برد و در نتیجه پردازش دیتاهای ورودی، اطلاعات خروجی ظاهر می‌شوند. در کامپیوتر کوانتومی عنصر بنیادی کیوبیت میباشد که در نتیجه پردازش روی کیوبیت‌ها اطلاعات خروجی را میتوان دریافت کرد. علاوه بر این زبان برنامه نویسی کوانتومی قادر به درک الگوریتم ها و قوانین کوانتوم مانند برهم نهی و درهم تنیدگی میباشد که این موضوع به صورت پیش‌فرض در زبان های برنامه نویسی معمولی وجود ندارد. در زیر تصویر چند زبان برنامه نویسی که برای توسعه سیستم های کوانتومی استفاده می‌شوند را مشاهده می‌کنید.
آیا کامپیوتر کوانتومی ای تا کنون ساخته شده است؟
در سال ۱۹۸۰ فیزیکدانی به نام پل بنیف (Paul Benioff) مدل مکانیک کوانتومی ماشین تورینگ را پیشنهاد داد. مدتی بعد در سال ۱۹۸۶ ریچارد فاینمن (Richard Feynman) و یوری مانین (Yuri Manin) کامپیوتر کوانتومی را پیشنهاد دادند که توانایی حل مسائلی را داشت که کامپیوتر های کلاسیک نمی‌توانستند آن را حل کنند. روند توسعه و ساخت کامپیوتر کوانتومی به صورت تدریجی ادامه یافت تا اینکه در سال‌های اخیر شاهد ساخت نمونه‌هایی از کامپیوتر کوانتومی توسط شرکت های بزرگ همچون Google و IBM هستیم که در ادامه آنها را معرفی می‌کنیم.
گوگل اخیرا پردازنده Sycamore را در سال ۲۰۱۹ معرفی کرده است که ۵۳ کیوبیت دارد و توانسته است یک تسک را در مدت ۲۰۰ ثانیه انجام دهد، نکته جالب این موضوع این است که گوگل ادعا کرده است که انجام این تسک توسط ابر کامپیوترها ۱۰۰۰۰ سال زمان می‌برد. لازم به ذکر است که گوگل بودجه‌ی زیادی را صرف توسعه و ارتقا این پردازنده اختصاص داده است و همچنان در حال بهبود بخشیدن به عملکرد این کامپیوتر کوانتومی است. در تصویر پایین عکس این پردازنده را مشاهده می‌کنید.
IBM
شرکت IBM یا (International Business Machines Corp) اخیرا اعلام کرده است که قدرتمند ترین کامپیوتر کوانتومی خود به نام Osprey را که یک کامپیوتر ۴۳۳ کیوبیتی است را راه اندازی کرده است. نکته حائز اهمیت این است که این ماشین دارای کیوبیت‌هایی معادل با سه برابر ماشین کوانتومی قبلی این شرکت یعنی Eagle میباشد.
D-Wave
شرکت D-Wave در سال ۲۰۱۵ کامپیوتر کوانتومی خود به نام D-Wave's 2X با بیش از ۱۰۰۰ کیوبیت در مرکز تحقیقاتی هوش مصنوعی ناسا راه اندازی کرد. این شرکت توانست در سال ۲۰۲۰ با ادغام چند کامپیوتر کوانتومی یک سیستم ۵۰۰۰ کیوبیتی را بسازد.
کاربرد های احتمالی کامپیوتر کوانتومی در آینده
به دلیل وجود پتانسیل‌های بالا رایانه‌های کوانتومی میتوان از آنها در مسائل روز دنیا استفاده کرد تا با افزایش سرعت حل، به پاسخ مسائلی که تا کنون برای بشر پنهان بوده دست پیدا کرد. در ادامه به دو مورد از آنها می‌پردازیم.
رمزنگاری (Cryptography)
یکی از مهم ترین کاربرد های سیستم های کوانتومی، مربوط به مسائل رمزنگاری میشود. با استفاده از سیستم های کوانتومی میتوان به سیستم های رمزنگاری شده حمله کرد که هم اکنون این کار به وسیله کامپیوترهای معمولی یا ابر کامپیوترها انجام میشود. از کامپیوترها در فرایند یافتن عوامل اول اعداد که بنای رمزنگاری میباشد استفاده میکنند. هرچه ارقام اعداد بزرگتر شود زمان و سختی پیدا کردن عوامل اول یک عدد افزایش پیدا می‌کند، به عنوان مثال فرض کنید حاصل ضرب دو عدد اول یک عدد ۳۰۰ رقمی شود که یافتن عوامل اول این عدد کاری بسیار زمان‌بر است ولی از آنجایی که سیستم های کوانتومی قدرت بسیار زیادی در مقایسه با ابرکامپیوترها دارند، میتوانند این مسائل را در مدت زمان کمتر و با صرف هزینه کمتری حل کنند.
یادگیری ماشین (Machine Learning)
رایانه های کوانتومی قادر هستند خروجی‌هایی را تولید کنند که کامپیوتر های کلاسیک از تولید آنها عاجز هستند، از طرفی محاسبات کوانتومی اساسا بر مبنای جبر خطی میباشد. این موضوع نقطه مشترک یادگیری ماشین و مکانیک کوانتوم میباشد، به دلیل اینکه یادگیری ماشین نیز بر پایه جبر خطی بنا نهاده شده و دانشمندان امیدوارند بتوانند از روشهایی که در ساخت کامپیوتر کوانتومی به کار گرفته شده برای افزایش سرعت و عملکرد الگوریتم های یادگیری ماشین و شبکه عصبی استفاده کنند و بتوانند مسائل با پیچیدگی‌های بالا را راحت تر مدل سازی کنند.
کامپیوتر کوانتومی و ارز دیجیتال
کامپیوتر کوانتومی و بیت کوین
سیستم های کوانتومی با وجود مزایای بسیاری که دارند، میتوانند در مواقعی بسیار خطرناک نیز باشند، همانطور که در بخش کاربرد‌های احتمالی کامپیوتر کوانتومی در قسمت رمزنگاری راجع به حمله به سیستم‌های رمزنگاری شده صحبت شد، کامپیوتر کوانتومی سرعت بالایی در انجام محاسبات سخت ریاضی دارد. از طرفی سیستم های ارز دیجیتال که اکثرا بر پایه شبکه بلاک چین پایه ریزی شده اند، از توابع پیچیده ریاضی و عملگر های یک طرفه (Hash) به عنوان امضای دیجیتال و تضمین کننده امنیت شبکه استفاده میکنند. در سیستم بلاک چین تمامی اطلاعات به صورت رمزنگاری شده و توزیع شده در نقاط مختلف نگهداری می‌شوند و به صورت عادی نمی‌توان این سیستم را هک کرد یا در فرایند آن اختلالی ایجاد کرد، اما یک موضوعی به نام حمله ۵۱ درصدی در دنیای بلاکچین وجود دارد به این مفهوم که، اگر کسی بتواند بیشتر از نصف قدرت شبکه را در اختیار بگیرد میتواند این شبکه را هک بکند و به عنوان مثال تراکنش‌های ثبت شده را معکوس کند. برای آشنایی با سیستم بلاک چین، پیشنهاد می‌کنیم به مقاله‌ی بلاکچین چیستبراستی بلاکچین چیست؟ از 0 تا 100 بلاکچین به زبان ساده
براستی بلاکچین چیست؟ افراد زیادی می‌خواهند با بلاکچین آشنا شوند، اما نمی‌توانند در سایت‌ها توضیح ساده ای از بلاکچین بیابند، این مقاله به توضیح بلاچین به زبان ساده پرداخته مراجعه فرمائید. همچنین اگر قصد بررسی معروف ترین ارز دیجیتال را دارید، مقاله‌ی بیت کوین چیستبیت کوین چیست؟ از 0 تا 100 بیت کوین به زبان ساده
براستی بیت کوین چیه؟ افراد زیادی می‌خواهند با بیت کوین آشنا شوند، اما نمی‌توانند در سایت‌ها توضیح ساده ای از بیت کوین بیابند، این مقاله به توضیح بیت کوین به زبان ساده پرداخته است را از دست ندهید.
روش دفع تهدید کامپیوتر کوانتومی در برابر امنیت شبکه بلاکچین
با توجه به اینکه قدرت سیستم های کوانتومی قابل قیاس با سیستم‌های معمولی نیست، این خطر احتمالی در آینده وجود دارد که این شبکه توسط کامپیوتر کوانتومی مورد حمله قرار گیرد. بدین منظور باید اقداماتی صورت بگیرد تا خطرات حملات ناشی از کامپیوتر کوانتومی را به حداقل برساند. از طرفی میتوان این تهدید را یک فرصت دانست، به این صورت که اگر به جای کامپیوترهای معمولی از سیستم های کوانتومی برای تامین امنیت شبکه بلاکچین استفاده شود، شاید بتوان به یکی از امن ترین شبکه های بلاکچین دست پیدا کرد به نحوی که احتمال هک شدن شبکه را به نزدیک صفر درصد رساند.
کامپیوتر کوانتومی چیست؟
کامپیوترکوانتومی نوعی از کامپیوتراست که با بکارگیری ازعلم مکانیک کوانتوم میتواند انواع خاصی از محاسبات را با کارایی بیشتری نسبت به یک کامپیوترمعمولی انجام دهد. کامپیوتر کوانتومی با استفاده از بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها که بر اساس قوانین کوانتوم کار میکنند، میتوانند محاسبات را بسیار سریعتر و در عین حال با صرف انرژی کمتر نسبت به ابر کامپیوترهای موجود انجام دهند، کامپیوتر کوانتومی پرچمدار نسل آینده کامپیوتر ها می باشد.
آیا کامپیوتر کوانتومی ساخته شده است؟
نمونهای از کامپیوتر کوانتومی توسط شرکتهای مختلف ساخته شده است اما اینکه چقدر کاربردی و عملی هستند جای بحث دارد، یکی از محدودیت های ساخت کامپیوتر کوانتومی شرایط نگهداری سخت این کامپیوتر میباشد. به همین دلیل ساخت یک کامپیوتر کوانتومی هزینه بسیار بالایی دارد و در نتیجه باعث میشود تعداد بسیار کمی از آنها ساخته و توسعه پیدا کنند.
آیا کامپیوتر کوانتومی ارزهای دیجیتال را تحت تاثیر قرار می دهد؟
محاسبات کوانتومی در سال های اخیر نگرانیهایی را در مورد آینده ارزهای دیجیتال بوجود آورده است و احتمال اینکه در آینده توسط کامپیوتر کوانتومی مورد حمله قرار بگیرد وجود دارد، اما با این حال میتوان روشهایی را پیشنهاد داد که باعث شود ایمنی شبکه بلاکچین در مقابل تهدیدات کامپیوتر کوانتومی افزایش پیدا کند، از این رو دانشمندان همواره در تلاش هستند تا امنیت این شبکه را تضمین کنند.
آیا کامپیوتر کوانتومی تهدیدی برای امنیت شبکه است؟
کامپیوتر کوانتومی به دلیل توانایی فوق العاد خود در یافتن عوامل اول اعداد ، میتواند خطر بزرگی برای سیستم رمزنگاری های معمولی باشد، از آنجایی که بیشتر فعالیت‌های ما در دنیای دیجیتال بر پایه رمزنگاری‌ها استوار است، در صورت شکسته شدن این رمزنگاری‌ها امنیت اطلاعات شخصی دچار بحران میشود و باید برای جلوگیری از این خطر اقداماتی صورت بگیرد.
