آینده‌ی محاسبات کوانتومی: آیا جهان تغییر خواهد یافت؟

 

مقدمه

امروز به دنیای یکی از هیجان‌انگیزترین مرزهای تکنولوژی وارد می‌شویم: محاسبات کوانتومی. تصور کنید کامپیوترهایی که می‌توانند استانداردهای رمزنگاری امروز را در عرض چند ساعت بشکنند، داروهای جدید را در چند دقیقه کشف کنند یا با شبیه‌سازی‌های فوق‌العاده بهینه، در مقابله با تغییرات آب‌وهوایی نقش مؤثری ایفا کنند. وقتی از تغییر جهان با این فناوری صحبت می‌کنیم، اغراق نمی‌کنیم. اما این فناوری چطور می‌تواند به این اندازه مهم باشد؟ بیایید سفری داشته باشیم تا با مفهوم محاسبات کوانتومی، اهمیت آن و چگونگی تأثیر آن بر زندگی‌مان بیشتر آشنا شویم.

۱. مبانی محاسبات کوانتومی

ابتدا، محاسبات کوانتومی چیست؟ کامپیوترهای کلاسیک که ما همه روزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم، اطلاعات را با استفاده از بیت‌ها پردازش می‌کنند—هر بیت می‌تواند ۰ یا ۱ باشد. اما کامپیوترهای کوانتومی از کیوبیت‌ها استفاده می‌کنند که می‌توانند همزمان در حالت‌های ۰ و ۱ قرار گیرند. این مفهوم شبیه به یک سکه در حال چرخش است که به جای اینکه فقط شیر یا خط باشد، می‌تواند به نوعی هر دو حالت را در بر بگیرد.

یک حقیقت شگفت‌انگیز در اینجا وجود دارد: یک کامپیوتر کوانتومی با تنها ۳۰۰ کیوبیت می‌تواند به لحاظ تئوریک بیشتر از تعداد اتم‌های موجود در جهان قابل مشاهده اطلاعات ذخیره کند. به علاوه، اضافه کردن یک کیوبیت به کامپیوتر کوانتومی، قدرت آن را به صورت نمایی افزایش می‌دهد. به همین دلیل است که IBM با پردازنده کوانتومی “ایگل” خود در سال ۲۰۲۱ به ۱۲۷ کیوبیت دست یافت و هدف دارد تا ۱۰۰۰ کیوبیت تا سال ۲۰۲۴ و شاید۱ میلیون کیوبیت در دهه‌های آینده دست پیدا کند. این اعداد نشان‌دهنده رشد سریع و پتانسیل شگرف این فناوری هستند.

 

۲. چرا محاسبات کوانتومی اهمیت دارد؟

چرا محاسبات کوانتومی یک تغییر بنیادین محسوب می‌شود؟ پاسخ این است که این فناوری قادر است مشکلاتی را حل کند که کامپیوترهای کلاسیک از عهده آن‌ها برنمی‌آیند.

به عنوان مثال،کشف دارو: شبیه‌سازی رفتار یک مولکول پیچیده در یک کامپیوتر کلاسیک می‌تواند بیش از ۱۰,۰۰۰ سال طول بکشد، اما یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است بتواند این کار را در چند ثانیه انجام دهد. تأثیر این فناوری؟ ما می‌توانیم سریع‌تر از همیشه به درمان‌های مؤثر برای بیماری‌هایی مانند آلزایمر، پارکینسون و سرطان دست یابیم. در واقع، شبیه‌سازی‌های کوانتومی ممکن است به طراحی داروهای جدید کمک کنند و صنعت داروسازی را متحول کنند.

یا تغییرات در بهینه‌سازی لجستیک را در نظر بگیرید: شرکت فولکس‌واگن در حال حاضر از الگوریتم‌های کوانتومی برای یافتن مسیرهای بهینه در زمان واقعی استفاده می‌کند و این کار به کاهش ترافیک شهری در مناطقی مانند لیسبون کمک کرده است. کامپیوترهای کوانتومی قادر خواهند بود به مشکلات بزرگ‌تر و پیچیده‌تر لجستیکی پاسخ دهند و به صنایعی از حمل‌ونقل گرفته تا زنجیره‌های تأمین جهانی کمک کنند.

 

۳. تأثیر بر رمزنگاری

یکی از حوزه‌هایی که محاسبات کوانتومی می‌تواند به کلی تغییر دهد و شاید آن را مختل کند رمزنگاری است. بیشتر رمزنگاری آنلاین امروز به دشواری تجزیه اعداد بزرگ متکی است، که کامپیوترهای کلاسیک به سرعت از عهده آن برنمی‌آیند. اما با استفاده از الگوریتم شور، یک کامپیوتر کوانتومی قوی می‌تواند رمزنگاری RSA را که به طور گسترده استفاده می‌شود، در عرض چند ساعت بشکند؛ در حالی که برای کامپیوترهای کلاسیک این کار به  تریلیون‌ها سال زمان نیاز دارد. این فناوری می‌تواند پروتکل‌های امنیتی کنونی آنلاین را بی‌اثر کند و باعث شود که رقابتی برای توسعه رمزنگاری “امن کوانتومی” شکل بگیرد.

فناوری کوانتوم همچنین می‌تواند امنیت را افزایش دهد. توزیع کلید کوانتومی (QKD)امکان ارتباطات بسیار امن را فراهم می‌کند، زیرا هرگونه تلاش برای شنود باعث تغییر وضعیت کوانتومی پیام می‌شود و به کاربران اطلاع می‌دهد که اطلاعاتشان در معرض خطر قرار گرفته است. دولت‌هایی مانند چین و ژاپن در حال سرمایه‌گذاری بر روی این فناوری هستند تا شبکه‌های رمزگذاری‌شده‌ی کوانتومی ایجاد کنند که ممکن است روزی به عنوان شبکه‌های ارتباطات امن جهانی عمل کنند.

 

۴.برنامه‌نویسی برای کامپیوترهای کوانتومی

برخلاف برنامه‌نویسی کلاسیک، برنامه‌نویسی کوانتومی نیاز به بازنگری در برخی اصول دارد. زبان‌های برنامه‌نویسی کوانتومی مانند Qiskit یا Q# شامل عناصر منحصربه‌فردی مانند گیت‌های کوانتومی هستند که امکان انجام عملیات روی کیوبیت‌ها را فراهم می‌کنند. برنامه‌های کوانتومی همچنین به گونه‌ای طراحی می‌شوند که نویز و کاهش همبستگی (decoherence) را به حداقل برسانند، زیرا حالت‌های کوانتومی به دلیل حتی کوچک‌ترین اختلالات محیطی از بین می‌روند. به همین دلیل کیوبیت‌ها در محیط‌های بسیار سرد نزدیک به **صفر مطلق (−۲۷۳.۱۵ درجه سانتی‌گراد)** نگهداری می‌شوند تا پایداری بیشتری داشته باشند.

مقایسه جالبی در اینجا وجود دارد: در حالی که پایتون، یکی از زبان‌های برنامه‌نویسی محبوب، حدود **۱۳۷ کلیدواژه** دارد، زبان کوانتومی Q# فقط ۳۵ کلیدواژه دارد این زبان هم تخصصی‌تر و هم متفاوت‌تر از هر چیزی است که برنامه‌نویسان کلاسیک به آن عادت دارند. برای نمونه، می‌توان برنامه‌ای ساده برای ایجاد هم‌پیوستگی میان کیوبیت‌ها نوشت. این مانند ایجاد یک پیوند اسرارآمیز است که در آن دو کیوبیت، بدون توجه به فاصله‌شان، فوراً اطلاعات را به اشتراک می‌گذارند.

 

۵. محاسبات کوانتومی و بحران آب‌وهوایی

محاسبات کوانتومی حتی می‌تواند در مقابله با تغییرات آب‌وهوایی نقش داشته باشد. ابرکامپیوترهای کلاسیک مصرف انرژی عظیمی دارند، که معادل مصرف هزاران خانه است. از سوی دیگر، کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند برای برخی از مسائل خاص، مصرف انرژی را تا ۱۰۰ برابر کاهش دهند. این کارایی، محاسبات کوانتومی را به ابزاری ارزشمند برای مدل‌سازی آب‌وهوایی، علم مواد و تحقیقات در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل می‌کند.

به عنوان مثال، شرکت‌هایی مانند فولکس‌واگن و IBM در حال بررسی استفاده از فناوری کوانتومی برای انقلاب در فناوری باتری‌ها هستند. باتری‌های بهبود یافته برای خودروهای برقی ضروری هستند و شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی با کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند به سرعت بخشیدن به توسعه مواد باتری کارآمدتر و پایدارتر کمک کند و ما را در انتقال به انرژی‌های سبز یاری دهد.

 

۶. جدول زمانی و نقاط عطف شگفت‌انگیز این فناوری

چندین نقطه عطف مهم به وضوح نشان‌دهنده پتانسیل محاسبات کوانتومی است. در سال ۲۰۱۹، گوگل دستاوردی به نام “برتری کوانتومی” را اعلام کرد، زمانی که پردازنده Sycamore با ۵۴ کیوبیت محاسبه‌ای را در ۲۰۰ ثانیه انجام داد که برای قدرتمندترین ابرکامپیوتر کلاسیک جهان حدود ۱۰,۰۰۰ سال زمان می‌برد. اگرچه این دستاورد هنوز مورد بحث است، اما نشان‌دهنده سرعت بالای محاسبات کوانتومی برای برخی از محاسبات خاص است.

و دولت‌ها به شدت در این فناوری سرمایه‌گذاری می‌کنند. چین اولین ماهواره کوانتومی جهان را در سال ۲۰۱۶ به فضا پرتاب کرد و بیش از۱۰ میلیارد دلار در یک آزمایشگاه ملی کوانتومی سرمایه‌گذاری کرده است. قانون ابتکار کوانتومی ملی ایالات متحده که در سال ۲۰۱۸ تصویب شد، ۱.۲ میلیارد دلار برای تحقیق و توسعه کوانتومی در دهه آینده تخصیص داده است. این رقابت جهانی نشان‌دهنده پتانسیل محاسبات کوانتومی برای بازتعریف قدرت و رهبری فناوری در جهان است.

 

۷.چشم‌انداز بلندمدت

پس چه زمانی محاسبات کوانتومی به جریان اصلی تبدیل خواهد شد؟ برخی از کارشناسان پیش‌بینی می‌کنند که ۱۵ تا ۳۰ سال دیگر طول می‌کشد تا کامپیوترهای کوانتومی بتوانند کامپیوترهای کلاسیک را در طیف گسترده‌ای از وظایف شکست دهند. اما احتمالاً در آینده نزدیک شاهد پیشرفت‌های خاصی خواهیم بود. با بلوغ این فناوری، برنامه‌نویسی برای کامپیوترهای کوانتومی به یک نیاز مهم تبدیل خواهد شد و تقاضا برای برنامه‌نویسان کوانتومی افزایش خواهد یافت.

در آینده، برخی حتی گمان می‌کنند که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند پایه‌ی هوش مصنوعی آینده شوند. تصور کنید یک سیستم هوش مصنوعی با توانایی‌های کوانتومی—قادر به تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های عظیم، پیش‌بینی رفتار انسان و تعامل با ما به روش‌هایی که تقریباً به نوعی پیش‌بینی‌پذیری می‌رسد. این نوع هوش مصنوعی می‌تواند امکاناتی را باز کند که فقط می‌توانیم شروع به تصور آن‌ها کنیم، از بهداشت و درمان گرفته تا آموزش شخصی‌سازی شده.

با وجود پتانسیل شگرف محاسبات کوانتومی، این فناوری با موانع و چالش‌های بزرگی نیز مواجه است. یکی از اصلی‌ترین مشکلات،حفظ پایداری کیوبیت‌ها است، زیرا کیوبیت‌ها به شدت حساس به نویز و عوامل محیطی هستند و این مسئله باعث می‌شود که به سرعت همبستگی خود را از دست دهند؛ پدیده‌ای که به واپاشی همبستگی معروف است. همچنین، تأمین سرمایش لازم برای نگهداری کیوبیت‌ها در دماهای بسیار پایین نیازمند تجهیزات و انرژی بسیار زیادی است. علاوه بر این، توسعه الگوریتم‌های کوانتومی کارآمد و نیروی انسانی متخصص در این حوزه نیز هنوز در مراحل اولیه قرار دارد. مجموع این موانع، سرعت پیشرفت این فناوری را کند می‌کند و تا رسیدن به کاربردهای عملی گسترده، نیازمند تحقیق و توسعه بیشتر هستیم.

 

نتیجه‌گیری: جهانی متحول شده توسط محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی فقط یک نوع جدید از کامپیوتر نیست؛ یک تغییر بنیادین است که می‌تواند صنایع را متحول کند، امنیت را بهبود بخشد، در مقابله با تغییرات آب‌وهوایی مؤثر باشد و حتی مرزهای هوش مصنوعی را بازتعریف کند. همانطور که در آستانه این انقلاب تکنولوژیکی ایستاده‌ایم، هیجان‌انگیز است و شاید کمی هم دلهره‌آور که دنیایی را تصور کنیم که به زودی در آن زندگی خواهیم کرد.

منابع:
1.Google Quantum AI
2.Quantum Computation and Quantum Information نوشته‌ی مایکل نیلسن و آیزاک چونگ
3.MIT Technology Review
4.Quantum Computing for Computer Scientists نوشته‌ی نووس و دیالوا

برعلیه فراموشی این مقاله تقدیم میشود به مهندس یوسف قبادی و سگارو.