محاسبات کوانتومی چگونه رابطه ما با کامپیوترها را تغییر خواهد داد؟
در عصر مدرن ما، کامپیوترهای استاندارد بدون شک در مقایسه با آنچه که چند دهه پیش می‌توانستیم جمع آوری کنیم، پیشرفته هستند. با این حال، با توجه به سرعت و تنوع کامپیوترها در حال حاضر، تصور چیزی که می تواند حتی بهتر باشد، دشوار است. محاسبات کوانتومی را وارد کنید. هدف این رشته از علم استفاده از قوانین جهان برای رسیدن به اهداف باورنکردنی است.
بنابراین، محاسبات کوانتومی دقیقاً چیست و چگونه بر دنیای ما در آینده تأثیر خواهد گذاشت؟
محاسبات کوانتومی چیست؟
اگرچه دینامیک محاسبات کوانتومی هنوز در حال مطالعه است، اما در ابتدا در دهه 1980 توسط فیزیکدان پل بنیوف ظاهر شد. در این زمان بنیوف مدل محاسباتی کوانتومی ماشین تورینگ را پیشنهاد کرد. پس از این، افراد بعدی از جمله آیزاک چوانگ و نیل گرشنفلد به توسعه نظریه و کاربرد محاسبات کوانتومی کمک کردند.
تعریف محاسبات کوانتومی بسته به سایتی که بازدید می کنید کمی متفاوت است. ابتدایی ترین شکل آن نوعی محاسبات است که برای کار به مکانیک کوانتومی متکی است. در حالی که کامپیوترهای کوانتومی زمانی فقط یک نظریه بر روی کاغذ بودند، اکنون در حال حیات هستند.
بنابراین، امروزه با چه نوع کامپیوترهای کوانتومی سر و کار داریم؟
محاسبات کوانتومی هنوز در حال توسعه است. این یک میدان فوق‌العاده پیچیده است که جای خود را به مدل‌های اولیه متعددی مانند رایانه کوانتومی Sycamore گوگل داده است. در سال 2019، گوگل اعلام کرد که Sycamore چند دقیقه طول کشید تا محاسباتی را حل کند که یک ابررایانه 10000 سال طول می کشد. اما کامپیوترهای کوانتومی چه تفاوتی دارند؟ چگونه می توانند چنین شاهکارهای عظیمی را انجام دهند؟
مبانی محاسبات کوانتومی
یک کامپیوتر معمولی از واحدهایی به نام بیت برای عملکرد استفاده می کند. یک بیت می تواند و همیشه یکی از دو مقدار را داشته باشد: صفر یا یک. از این بیت ها برای نوشتن کد باینری استفاده می شود که یک اصل مطلق در دنیای محاسبات است.
از سوی دیگر، چیزی که به عنوان بیت کوانتومی (کیوبیت) شناخته می شود، اساسی ترین واحد رایانه های کوانتومی است. این واحدها هستند که کامپیوترهای کوانتومی برای ذخیره داده ها و انجام عملکردها به آنها نیاز دارند. یک کیوبیت می تواند اطلاعات را در حالت کوانتومی حمل کند و می تواند به روش های مختلفی تولید شود، مانند اسپین یک الکترون.
کیوبیت ها همچنین می توانند به هر شکلی مانند فوتون یا یون به دام افتاده باشند. اینها ذرات بی نهایت کوچکی هستند که اساس جهان ما را تشکیل می دهند.
کیوبیت ها پتانسیل زیادی دارند. آنها در حال حاضر در رایانه های کوانتومی برای حل الگوریتم های کوانتومی چند بعدی و اجرای مدل های کوانتومی استفاده می شوند. چیزی که در مورد کیوبیت ها کاملاً باورنکردنی است این است که می توانند در چندین حالت به طور همزمان وجود داشته باشند. این بدان معنی است که آنها می توانند به طور همزمان صفر، یک یا هر چیزی در این بین باشند.
به دلیل این ویژگی، کیوبیت ها می توانند چندین احتمال را به طور همزمان در نظر بگیرند، که به رایانه های کوانتومی توانایی انجام محاسبات را قبل از اینکه وضعیت یک جسم قابل اندازه گیری شود، می دهد. این به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد تا مسائل پیچیده را بسیار سریعتر از رایانه های معمولی حل کنند.
نکات مثبت کامپیوترهای کوانتومی
بزرگترین مزیت کامپیوترهای کوانتومی سرعت انجام محاسبات است. چنین فناوری می تواند سرعت محاسباتی را فراهم کند که کامپیوترهای سنتی هرگز قادر به دستیابی به آن نخواهند بود. همچنین کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای معمولی توانایی حل مسائل پیچیده تری را دارند و می توانند شبیه سازی های بسیار پیچیده را اجرا کنند.
این توانایی پیشرفته ای که توسط کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد، گاهی اوقات به عنوان “برتری کوانتومی” نامیده می شود، زیرا آنها پتانسیل بسیار فراتر از آنچه کامپیوترها یا حتی ابررایانه های پیشرفته در چند سال یا دهه آینده می توانند به دست آورند، دارند. اما کامپیوترهای کوانتومی به هیچ وجه کامل نیستند. این ماشین ها دارای چند جنبه منفی هستند که ممکن است بر موفقیت آینده آنها تأثیر بگذارد.
معایب کامپیوترهای کوانتومی
از آنجایی که کامپیوترهای کوانتومی هنوز در مرحله نمونه اولیه خود هستند، بسیاری از مشکلات هنوز باید برطرف شوند.
اولاً، رایانه های کوانتومی به محیط های شدیدی نیاز دارند که در آن کار کنند. در واقع، این ماشین ها باید در دمای حدود 450 درجه فارنهایت وجود داشته باشند. این امر دسترسی به رایانه های کوانتومی را برای اکثر شرکت ها و عموم مردم دشوار می کند. علاوه بر این، کامپیوترهای کوانتومی در مقایسه با مدل‌های استاندارد امروزی بسیار بزرگ هستند، شبیه به بزرگی اولین کامپیوتر. در حالی که این احتمالاً در آینده تغییر خواهد کرد، اما به عدم دسترسی به این فناوری برای مردم عادی در مراحل اولیه توسعه کمک خواهد کرد.
رایانه‌های کوانتومی همچنان با نرخ خطای بسیار بالا سروکار دارند. برای ادغام موفقیت آمیز در صنایع مختلف، باید مطمئن باشیم که این ماشین ها ضریب موفقیت بالایی را ارائه می دهند تا بتوان به آنها اعتماد کرد.
اکنون که اصول محاسبات کوانتومی و مزایا و معایب آن را فهمیدیم، بیایید به نحوه استفاده از این فناوری در صنایع مختلف بپردازیم.
کاربردهای محاسبات کوانتومی
از آنجایی که محاسبات کوانتومی هنوز تا حدودی در مراحل اولیه توسعه خود است، ایده های زیادی در مورد کارهایی که روزی می تواند انجام دهد مطرح می شود. تصورات غلط زیادی در مورد کامپیوترهای کوانتومی وجود دارد که به طور گسترده به دلیل سوء تفاهم در مورد این فناوری است. برخی از افراد پیشنهاد می‌کنند که کامپیوترهای کوانتومی برای ورود به جهان‌های موازی یا حتی شبیه‌سازی سفر در زمان استفاده می‌شوند.
در حالی که این احتمالات را نمی توان دقیقاً رد کرد، ما باید روی کاربردهای واقعی تر محاسبات کوانتومی تمرکز کنیم که ممکن است در چند دهه آینده به دست آیند. بنابراین، اجازه دهید به کاربردهای محاسبات کوانتومی بپردازیم.
1. هوش مصنوعی و یادگیری ماشین
هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی دو فناوری دیگر هستند که تقریباً آینده‌نگر به نظر می‌رسند، اما با گذشت سال‌ها پیشرفت بیشتری می‌کنند. با توسعه این فناوری‌ها، ممکن است لازم باشد از رایانه‌های استاندارد حرکت کنیم. اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی با پتانسیل گسترده خود برای پردازش توابع و حل سریع محاسبات می توانند وارد عمل شوند.
2. امنیت سایبری
با پیچیده تر شدن مجرمان سایبری، نیاز ما به سطوح بالایی از امنیت سایبری افزایش می یابد. امروزه جرایم سایبری به طور نگران کننده ای رایج است و هزاران نفر ماهانه مورد هدف قرار می گیرند.
با استفاده از محاسبات کوانتومی، ممکن است روزی بتوانیم به راحتی پروتکل های امنیت سایبری درجه بالا را توسعه دهیم که می تواند حتی پیچیده ترین حملات را نیز مقابله کند.
محاسبات کوانتومی همچنین این پتانسیل را دارد که در رمزنگاری، به ویژه در زمینه ای به نام رمزنگاری کوانتومی کمک کند. این عمل اعمال نفوذ مکانیک کوانتومی برای انجام توابع رمزنگاری را بررسی می کند.
3. توسعه دارو
توانایی رایانه‌های کوانتومی برای پیش‌بینی نتیجه موقعیت‌ها می‌تواند آنها را در توسعه دارو مؤثر کند. یک کامپیوتر کوانتومی ممکن است روزی به پیش بینی چگونگی عملکرد مولکول های خاص در سناریوهای خاص کمک کند. به عنوان مثال، یک کامپیوتر کوانتومی می تواند نحوه رفتار یک دارو در بدن یک فرد را پیش بینی کند.
این سطح بالای تحقیقات می تواند دوره آزمون و خطا توسعه دارو را بسیار آسان تر کند.
نگرانی های پیرامون محاسبات کوانتومی
وقتی نوع جدیدی از فناوری در حال توسعه است، طبیعی است که مردم کمی احساس ترس کنند. بنابراین، آیا محاسبات کوانتومی باید برای ما نگران کننده باشد؟
در مورد خطرات امنیت سایبری ناشی از رایانه های کوانتومی صحبت های زیادی شده است. اگرچه کامپیوترهای کوانتومی می توانند به دستیابی به سطوح بالاتر امنیت دیجیتال کمک کنند، اما همه چیز می تواند به سمت دیگری پیش رود. در حالی که این تهدید در حال حاضر فرضی است، این احتمال وجود دارد که در سال‌های آینده به یک مشکل تبدیل شود، به‌ویژه زمانی که رایانه‌های کوانتومی برای جمعیت گسترده‌تر قابل دسترسی شوند. برخی از شرکت ها در حال حاضر خدمات “VPN ضد کوانتومی” را در پیش بینی ارائه می دهند.
از آنجایی که کامپیوترهای کوانتومی می توانند مسائل بسیار پیچیده را حل کنند، پتانسیل آنها برای شکستن رمز عبور موثرتر و رمزگشایی داده ها افزایش می یابد. در حالی که حتی ابررایانه‌ها برای یافتن کلیدهای رمزگشایی بزرگ تلاش می‌کنند، کامپیوترهای کوانتومی ممکن است روزی توانایی رمزگشایی آسان داده‌های حساس را داشته باشند، که خبر بسیار خوبی برای عوامل مخرب خواهد بود.
محاسبات کوانتومی ما را به آینده سوق خواهد داد
امکانات ارائه شده توسط محاسبات کوانتومی چیزی غیرقابل باور نیست و روزی قابل دستیابی خواهد بود. اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل اولیه خود است، پیشرفت‌های مستمر در این زمینه ممکن است ما را به شاهکارهای تکنولوژیکی بزرگ سوق دهد. فقط زمان با این یکی مشخص خواهد کرد!