با پیشرفت روزافزون تکنولوژی، کامپیوترها و بهطور کلی فناوریهای دیجیتال، صحبت از کامپیوترهای کوانتومی نیز بیشتر شده. اما آیا واقعاً میدانیم که پردازش کوانتومی چیست، چه ویژگیهایی دارد یا اصلاً اساس کار آن به چه شکل است. در شرایطی که برخی مهندسان آینده پردازش کوانتومی را منفی میبینند، برخی دیگر هستند که بیان کردند چالشهای فعلی بهزودی رفع خواهد شد و دنیا نسل جدیدی از پردازش را به خودش خواهد دید.
در ادامه درباره آینده و مسائل پیش روی پردازش کوانتومی صحبت خواهیم کرد، هرآنچیزی که درباره کامپیوترهای کوانتومی میدانیم درکنار ویژگیهایی که این فناوری میتواند برای دنیا به ارمغان بیاورد.
فهرست محتوا
تاریخچه و نحوه شکلگیری پردازش کوانتومی
برای بررسی تاریخ و نحوه بهوجود آمدن مکانیک کوانتومی باید به بیش از 100 سال قبلتر برگردیم، جایی که حتی کامپیوترهای امروزی هم وجود نداشتند اما نظریههای کوانتومی درحال شکلگیری بودند.
در ابتدا و در دهه 1900 فیزیکدانی آلمانی با نام ماکس پلانک (Max Planck) اولین پایههای تئوری کوانتوم را شکل داد، ایدهای که او دربارش صحبت میکرد موضوع کوانتیته بودن انرژی بود. پلانک درواقع مشغول پدیدهای به اسم تابش جسم سیاه بود که پیرو آن ایدهای را مطرح کرد که در زمان خود بسیار عجیب شمرده میشد. او این ایده را داد که انرژی ممکن است مانند ماده از بستههای کوچکی درست شده باشد، پلانک نام این بستهها را کوانتوم گذاشت و اولین بار اسم کوانتوم از این تحقیق بهوجود آمد.
سپس در سال 1905 فیزیکدان و دانشمند مشهور آلبرت انیشتین (Albert Einstein)، بهعنوان یکی دیگر از پژوهشگران آلمانی توانست تا حدی مسیر مکس پلانک را ادامه دهد. انیشتین به این نظریه پر و بال داد و در یکی از مقالات خود تحت عنوان “دیدگاهی اکتشافی درباره تولید و تحول نور”، مجدداً پیشنهاد بستههای انرژی را مطرح کرد. این مقاله نقش مهمی در شکلگیری نظریه کوانتوم فعلی داشت.
نظریههای پیشین تا 15 سال بدون بررسی جدی باقی ماندند و سرانجام در دهه 1920، سه فیزیکدان مهم با نامهای نیلز بور (Niels Henrik David Bohr)، ادوین شرودینگر (Erwin Schrödinger) و هایزنبرگ (WernerKarl Heisenberg) توانستند پایههای اصلی فیزیک کوانتوم را شکل دهند و از بناینگذاران آینده پردازش کوانتومی باشند.
پردازش کوانتومی چیست؟
قبل از هر چیزی باید بدانیم که فیزیک کوانتوم اگرچه از نظر تجربی و شهودی کاملاً نتایج مطلوبی داشته اما همچنان از دیدگاه منطقی و مفهومی چالشها و پرسشهای خیلی زیادی دارد. در اینکه فیزیک کوانتوم واقعی بوده و کامپیوترهای کوانتومی هم کارآمد هستند شکی نیست اما باید بدانیم که کوانتوم حتی پس از گذشت یک قرن همچنان در حالهای از ابهام قرار دارد. دقیقاً همین نقاط ابهام بودند که درکنار چالشهایی مثل مدیریت نویز یا ناپایداری بارها مانع پژوهشگران شدند و تأخیر یا حتی بعضاً ناامیدی نسبت به پردازشهای کوانتومی را بههمراه داشتند.
اگر خیلی ساده بخواهیم پردازش کوانتومی را توضیح دهیم، یعنی محاسبه و پردازش اطلاعات با قوانین فیزیک کوانتوم، بهجای ترانزیستورها و قوانین الکترونیک که بر اساس بیتها (0 و 1) کار میکنند. برخلاف کامپیوترهای امروزی در کامپیوترهای کوانتومی و پردازشهای آن ما بهجای بیت از کیوبیت بهره میبریم، واحدی که میتواند بهطور همزمان 0 و 1 را در خود داشته باشد.
به زبانی دیگر در کامپیوتر ما همه چیز را بهطور منطقی و 0 و 1 پیش میبریم، یعنی یا خاموش (0) یا روشن (1). اما در کیوبیتها ما اساساً طول موج داریم و میتوانیم ترکیبی از 0 و 1 را در هر واحد اطلاعات داشته باشیم. پردازش کوانتومی همچنین بر اساس سه اصل مهم و پایهای کار میکند که شامل موارد زیر هستند:
- برهمنهی (Superposition)
برهمنهی به یک اصل ساده اما خیلی مهم که اشاره کردیم میپردازد، یعنی اینکه کیوبیت میتواند همزمان 1 و 0 را در خود داشته باشد. مانند سکه که همزمان شیر و خط را در خود دارد اما ما با مشاهده آن فقط یکی را میتوانیم ببینیم.
- درهمتنیدگی (Entanglement)
کیوبیتها نوعی وابستی خاص و احتمالی به یکدیگر دارند که حتی اگر دور باشند هم برقرار خواهد بود. یعنی وقتی حالت یکی را اندازه بگیریم، حالت دیگری نیز مشخص خواهد بود. برای مثال احتمال دارد وقتی دو کیوبیت به یکدیگر وابسته هستند اگر اولی اندازه 0 را برگرداند، دومی همواره 1 باشد و این موضوع تحت هیچشرایطی تغییر نخواهد کرد.
- تداخل (Interference)
تداخل یکی از مهمترین اصلها و دقیقاً همانچیزی است که سرعت بالا را در پردازش کوانتومی بههمراه میآورد. به زبان خیلی ساده در این قانون حالت درست تقویت میشود و حالت غلط تضعیف، درواقع مسیرهای غلط طوری تنظیم میشوند که همدیگر را خنثی کنند و مسیرهای درست نیز طوری تنظیم خواهند شد که باعث تقویت یکدیگر شوند.
مزایا و معایب پردازش کوانتومی
مانند هر تکنولوژی دیگر در دنیا، کامپیوتر و پردازشهای کوانتومی هم مزایا و معایب خاص خودشان را دارند. این ویژگیها تا حد خیلی زیادی در آینده پردازش کوانتومی نیز مؤثر هستند، چرا که این پردازش باید نسبت به کامپیوترهای فعلی بهتر و بهصرفهتر باشد و در غیر اینصورت استفاده از آنها برای عموم منطقی نخواهد بود. در ادامه مهمترین مزایا و معایب این تکنولوژی را مورد بررسی قرار میدهیم.
مزایای پردازش کوانتومی:
- سرعت فوقالعاده برای برخی مسائل (نه تمام مسائل)
- نیازمند منابع کمتر در برخی حالات (بعضاً تعداد کمی کیوبیت برای حل مسائل پیچیده کافیست)
- قابلیت رمزنگاری خیلی پیشرفته و بیسابقه
معایب پردازش کوانتومی:
- احتمال خطا خیلی زیاد است (کامپیوترهای الکترونیکی حتی اگر کند باشند، خطا ندارند)
- پیچیدگی خیلی زیاد (باعث کمبود پژوهشگر، مهندس و توسعهدهنده شده)
- تحدیدات امنیتی (وقتی که رمزنگاری سریع باشد، رمزگشایی و نفوذ هم سریع است)
آینده پردازش کوانتومی؛ آیا قرار است با عصر جدیدی روبهرو شویم؟
آینده و مسائل پیش روی مربوط به پردازش کوانتومی بسیار مبهم و پیچیده است، درست مانند خود فیزیک کوانتوم. البته انحصاری بودن و عدم نشر اطلاعات واضح از وضعیت فعلی هم باعث میشود که حدس آینده این فناوری بسیار مشکل باشد. با این حال چیزی که واضح است، احتمالاً روزی این پردازش در دنیا ممکن شود اما قطعاً جای کامپیوترهای فعلی را نخواهد گرفت (احتمال خطا و سرعت پایینتر در بسیاری مسائل).
همچنین فراموش نکنید که کل موضوع کامپیوتر، پردازش یا حتی فیزیک کوانتوم در حال حاضر نقاط ابهام فراوانی دارد. بنابراین جای تعجبی هم نخواهد داشت اگر روزی دانشمندان به این نتیجه برسند که ساخت کامپیوترهای کوانتومی ممکن نیست و یا ارزش زمان و منابع صرف شده را ندارد.
سخن پایانی
در این مقاله دیدیم که فیزیک کوانتوم میتواند تا چه حد مفید، پرسود و در عین حال خطرناک و مبهم باشد. همچنین درنظر داشته باشید که انحصاری بودن این فناوری اگرچه تا حدی آزاردهنده است، اما از مشکلات و تحدیدات احتمالی نیز جلوگیری میکند. چرا که اگر افراد بدون صلاحیت به این فناوری دست پیدا کنند میتوانند از قدرت کامپیوترهای کوانتومی برای تهدید و رمزگشاییهای بزرگی استفاده کنند که نتایج نامطلوبی را در ابعاد بزرگ بههمراه خواهد داشت.
سوالات متداول
چقدر احتمال دارد کامپیوترهای کوانتومی به نتیجه برسند؟
احتمال موفقیت بالاست اما چیزی که باید به آن توجه کنیم مورد دیگری است. اینکه این فناوری حتی درصورت موفقیت حداقل تا چندین سال یا برای همیشه قرار نیست کاربری عمومی داشته باشد و روی مسائل رایج کار کند.
پردازش کوانتومی در چه مسائلی سریعتر و در چه مسائلی کندتر از کامپیوترها است؟
پردازش کوانتومی کاملاً بهینه و پرسرعت در مسائلی مثل فاکتورگیری، رمزنگاری، رمزگشایی و جستجوی بین دادههای بزرگ خواهد بود. اما کامپیوترهای فعلی برای کارهای روزمره، محاسبات ساده و قطعی بسیار مناسبتر و حتی سریعتر هستند.
چه کسانی در حال حاضر روی این فناوری کار میکنند؟
شرکتهای مشهور حوزه تکنولوژی مثل گوگل، مایکروسافت، آمازون و اینتل در کنار کشورهای فعال مثل آمریکا، کانادا، چین، ژاپن و آلمان روی این موضوع تحقیقات گسترده و کاملاً مؤثری انجام میدهند.
