برتری کوانتومی چیست و چه کاربردی دارد؟

هفته گذشته کامپیوتر کوانتومی گوگل با دستیابی به برتری کوانتومی سر و صدای زیادی را به پا کرد اما این موفقیت به چه معنی است و چه مزایایی را به دنبال دارد؟

ابرقدرت های دنیا سالهاست بر سر توسعه بزرگترین سوپر کامپیوترها با هم رقابت می کنند اما کامپیوتر کوانتومی ۵۳ بیتی گوگل که Sycamore نام دارد، به قدرتی دست یافته که ابر رایانه‌ها خواب آن را هم نمی بینند. این دستگاه فوق مدرن در ۳ دقیقه و ۲۰ ثانیه محاسباتی را انجام داده که برای قوی ترین ابر کامپیوتر دنیا یعنی Summit ده هزار سال به طول می انجامد.

کامپیوترهای کوانتومی توانایی در هم شکستن رمزنگاری‌های فعلی را دارند

این پدیده که از آن با عنوان برتری کوانتومی (quantum supremacy) یاد می شود به معنی انجام وظایفی توسط کامپیوترهای کوانتومی است که دستگاه های عادی از پردازش آنها عاجزند.

پیش از این انتظار می رفت که چنین پدیده ای در سال ۲۰۱۷ محقق شود اما کامپیوتر کوانتومی Bristlecone گوگل در این زمینه ناموفق عمل کرد. این شرکت پس از آن سراغ کامپیوتر Sycamore رفت که علی رغم قدرت کمتر، دقت بالاتری دارد و در نهایت با همین سیستم از مرزهای برتری کوانتومی عبور کرد.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟

در کامپیوترهای معمولی برای ذخیره داده و انجام محاسبات از بیت های صفر و یک استفاده می شود اما در کامپیوترهای کوانتومی به این منظور کیوبیت یا کوانتوم بیت به کار برده می شود. کیوبیت در واقع یک سیستم کوانتومی-مکانیکی دو حالته است که با برخورداری از خاصیت ابرموقعیت می تواند همزمان دارای مقادیر صفر و یک باشد.

حالت «ابر موقعیت» از طریق فوق سرد کردن سیلیکون برای ابررسانا ساختن آن میسر می شود. کامپیوتر کوانتومی با بردن کیوبیت ها به حالت ابر موقعیت راه حل های مختلف را بررسی کرده و به جواب می رسد. این حالت به محض مشاهده نتیجه از بین می رود اما آنقدر جذاب و پیچیده است که انیشتین هم آنرا رازآلود خوانده است.

کامپیوترهای کوانتومی نیز بر اساس گیت های سخت افزاری مشابه کامپیوترهای معمولی یعنی همان گیت های AND و NOT ساخته می شوند. با این وجود خروجی آنها ذاتا احتمالی است در نتیجه باید صحت آن بررسی شده و خطاهای بالقوه رفع شوند.

کیوبیت ها در معماری فعلی بسیار شکننده بوده و در معرض خطاهای محاسباتی قرار دارند. اصلاح این خطاها در سیستم های کلاسیک با تست افزونگی انجام می شود اما انجام آن در رایانه های کوانتومی بسیار هزینه‌بر و دشوار است. دلیل اصلی موفقیت گوگل هم غلبه بر این چالش ها بوده است.

نمایی از تراکنش کیوبیت ها با معماری CMOS فوقانی در پردازنده کوانتومی

ابر موقعیت و احتمال ویژگی های کلیدی هستند که کامپیوترهای کوانتومی را به سیستم هایی ایده ال برای انجام محاسبات خاص تبدیل می کنند. افزایش تعداد کیوبیت ها امکان محاسبه آنی میلیون ها احتمال را فراهم می سازد که در حوزه هایی از قبیل محاسبه اعداد بزرگ، تبدیل فوریه، الگوریتم گراور و معادلات خطی کاربرد دارد اما استفاده از آنها برای محاسبات عادی رایانه های معمولی چندان ایده آل نیست.

در واقع رایانه های معمولی و کوانتومی شبیه داشتن یک فراری و یک تراکتور در گاراژ خانه است. هرچند فراری ارزش و قیمت بالاتری دارد اما بستن گاو آهن و شخم زدن توسط آن تا چه حد عملی و منطقی است؟

کامپیوتر کوانتومی در امنیت چه کاربردهایی دارد؟

کامپیوترهای کوانتومی بیشتر در زمینه هایی نظیر هواشناسی، مدل سازی شیمی و فیزیک و رمزنگاری کاربرد دارند چون این موارد شامل محاسبات پیچیده و تکراری هستند. مورد آخر اما نگرانی های بسیاری را در مورد سوءاستفاده از این سیستم ها در پی داشته است.

این کامپیوترها را می توان در هر لحظه در جایگشت های ریاضیاتی بسیار زیادی اجرا کرد که روی کاغذ به آنها اجازه می دهد در کسری از ثانیه استانداردهای رمزنگاری فعلی را در هم بشکنند. از اینرو اینترنت در شکل فعلی آن در برابر کامپیوترهای کوانتومی به شدت آسیب پذیر است و همین عامل باعث شده سازمان های دولتی به دنبال توسعه روش های رمزنگاری مقاوم در برابر آنها باشد.

خوشبختانه تا فراگیر و تجاری شدن کامپیوترها کوانتومی راه درازی در پیش داریم و بعید است در حال حاضر هم گوگل تحقیقات علمی را کنار گذاشته و از سامانه های کوانتومی خود برای کشف پسورد اینستاگرام من و شما استفاده کند.

از طرف دیگر به گفته برخی کارشناسان رایانه های کوانتومی برای درهم شکستن استانداردهای رمزنگاری فعلی باید دارای چند هزار کیوبیت باشند در حالی که سیستم گوگل فقط میزبان ۵۲ واحد از آنهاست. برآوردهای محققین نشان می دهد عبور از سد رمزنگاری پیچیده SHA-256 بیت کوین و امضای دیجیتال ECDSA توسط این سیستم ها نیز چند سال طول می کشد. با این حال در صورتی که سامانه های کوانتومی از قانون مور عبور کرده و تعداد کیوبیت ها را سالانه دو برابر کنند، تا ۵ سال دیگر حتی رمزنگاری نظامی هم در برابر آنها تاب مقاومت نخواهد داشت.

تردید در مورد برتری کوانتومی گوگل

برتری کوانتومی آنقدر دستاورد بزرگی است که برخی رقبای گوگل در مورد صحت آن ابراز تردید کرده اند. در مقاله مربوط به این پروژه که مدت کوتاهی پس از انتشار از سایت ناسا حذف شد، گوگل مدعی شده که کامپیوتر کوانتومی این شرکت همین حالا قادر به انجام کارهایی است که رایانه های معمولی از آن عاجزند؛ ادعایی که برخی آنرا بحث برانگیز می دانند.

توسعه کامپیوتر کوانتومی بدون خطا به معنی عبور از تمامی محدودیت ها است

برای مثال «داریو گیل»، مدیر بخش تحقیقات IBM که از رقبای اصلی گوگل در زمینه رایانه های کوانتومی به شمار می رود، ادعای گوگل در مورد برتری کوانتومی را از اساس رد می کند:

پروژه گوگل یک تجربه آزمایشی است که قطعا فقط برای یک پروسه نمونه گیری کوانتومی خاص طراحی شده و  کاربرد عملی هم ندارد.

به عبارت دیگر از نظر گیل تحقیقات گوگل روی نوع بسیار خاصی از محاسبات متمرکز است که اطلاعات چندانی را در مورد قابلیت های گسترده تر کامپیوترهای کوانتومی ارائه نمی کند.

از طرف دیگر «چاد ریجتی»، از مدیران سابق IBM موفقیت گوگل را «لحظه ای بزرگ برای بشر و علم» عنوان می کند. «دنیل لیدار»، از اساتید دانشگاه کالیفرنیای جنوبی نیز موفقیت گوگل در کاهش تداخل های حرارتی و الکتریکی کیوبیت ها (crosstalk) را ستایش کرده است. به گفته این کارشناس توسعه کامپیوتر کوانتومی بدون خطا به معنی عبور از تمامی محدودیت ها است.

حتی اگر آزمایش های گوگل محدود هم بوده باشد این شرکت با کاهش سطح خطای سیستم می تواند ابعاد کامپیوترهای کوانتومی را ارتقا ببخشد. کیوبیت های بیشتر با نرخ خطای پایین تر مهارت سیستم های کوانتومی در حل مسائل پیچیده را بهبود می بخشد؛ با این حال هنوز در زمینه برنامه ریزی این سامانه ها کارهای زیادی باید انجام شود.

در نهایت باید گفت که علی رغم هزینه بر بودن تولید کامپیوترهای کوانتومی، کاربردهای محدود و پیچیدگی اجرا و برنامه نویسی نمی توان روی اهمیت دستیابی گوگل به برتری کوانتومی سرپوش گذاشت. عبور کمپانی مذکور از این نقطه عطف نشان دهنده روند رو به رشد محاسبات کوانتومی و به واقعیت پیوستن آنها در آینده نه چندان دور است.