آیا محاسبات کوانتومی آینده را شکل می دهد؟ تاریخچه، چالش ها، خطرات و مزایا

چندی پیش، محدودیت‌های رایانه‌های کلاسیک، دانشمندان را وادار کرد تا نوع جدیدی از محاسبات را توسعه دهند - محاسبات کوانتومی. رایانه های کوانتومی به جای بیت های کلاسیک از کیوبیت ها استفاده می کنند و می توانند محاسبات خاصی را بسیار سریعتر از رایانه های کلاسیک انجام دهند. این مزیت به طور بالقوه می تواند حوزه های متعددی را متحول کند و زندگی ما را بهتر کند. در این مقاله، مروری بر محاسبات کوانتومی، از جمله صنایع و زمینه‌هایی که می‌توانند توسط محاسبات کوانتومی متحول شوند، ارائه می‌کنیم. همچنین در مورد چالش ها و خطرات مرتبط با این فناوری و همچنین آنچه در آینده برای آن در انتظار است بحث خواهیم کرد.

فضای داخلی یک سیستم محاسبات کوانتومی IBM. (اعتبار: IBM )

محاسبات کوانتومی چیست؟

از زمانی که نظریه کوانتومی در دهه 1920 توسعه یافت و اولین کامپیوتر قابل برنامه ریزی، انتگرالگر و کامپیوتر عددی الکترونیکی ( ENIAC )، در سال 1945 ساخته شد، محاسبات راه طولانی را طی کرده است. این ماشین اولین "اتوماتیک، همه منظوره، الکترونیکی، اعشاری، کامپیوتر دیجیتال،" بر اساس کتاب Edwin D. Reilly "نقاط عطف در علوم کامپیوتر و فناوری اطلاعات". محاسبات کوانتومی دقیقاً چیست؟ به طور خلاصه، این یک فناوری به سرعت در حال ظهور است که از قوانین مکانیک کوانتومی برای حل مسائل پیچیده به شیوه ای کارآمدتر و قدرتمندتر از رایانه های کلاسیک استفاده می کند. برای برخی مشکلات، ابرکامپیوترها آنقدرها هم فوق العاده نیستند. محاسبات کوانتومی در هسته خود به استفاده از بیت‌های کوانتومی (کیوبیت) برای پردازش و دستکاری اطلاعات متکی است. برخلاف بیت‌های کلاسیک که فقط در یکی از دو حالت (0 یا 1) می‌توانند وجود داشته باشند، کیوبیت‌ها می‌توانند در چندین حالت به طور همزمان به دلیل پدیده برهم نهی وجود داشته باشند. این به کامپیوترهای کوانتومی اجازه می دهد تا محاسبات زیادی را به طور همزمان انجام دهند. یکی دیگر از اصول کلیدی محاسبات کوانتومی درهم تنیدگی است که به کیوبیت ها اجازه می دهد به گونه ای همبسته شوند که وضعیت یک کیوبیت می تواند فوراً بر وضعیت دیگری تأثیر بگذارد، حتی اگر از نظر فیزیکی از هم جدا شوند. این به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا وظایف خاصی را بسیار سریع‌تر از ابر رایانه‌ها انجام دهند - فاکتورگیری اعداد بزرگ، جستجو در پایگاه‌های داده بزرگ و غیره.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند؟

همانطور که اشاره شد، کامپیوترهای کوانتومی برای اجرای الگوریتم های کوانتومی چند بعدی به جای بیت از کیوبیت ها استفاده می کنند. کیوبیت ها با استفاده از ابررساناها ایجاد می شوند که اثرات مکانیکی کوانتومی مانند جفت های کوپر را نشان می دهند که می توانند بار را از طریق تونل زنی کوانتومی از طریق عایق ها حمل کنند. رفتار کیوبیت ها را می توان با شلیک فوتون های مایکروویو به سمت آنها کنترل و دستکاری کرد. کیوبیت ها را می توان در حالت برهم نهی قرار داد که نشان دهنده ترکیبی از تمام تنظیمات ممکن کیوبیت است. گروه‌هایی از کیوبیت‌ها در برهم‌نهی می‌توانند فضاهای محاسباتی پیچیده‌ای ایجاد کنند که می‌توانند مسائل پیچیده را به روش‌های جدید نشان دهند. رایانه‌های کوانتومی کوچک‌تر هستند و به انرژی کمتری نسبت به ابر رایانه‌ها نیاز دارند، اما باید بسیار سرد باشند، که این امر با استفاده از ابرسیال‌های فوق‌خنک به دست می‌آید.

نمای نزدیک شماتیک از کیوبیت ابررسانای IBM، شامل نمای بزرگنمایی شده از محل اتصال جوزفسون آن

وضعیت فعلی محاسبات کوانتومی

محاسبات کوانتومی یک زمینه به سرعت در حال تکامل است که راه حل مسائل پیچیده را متحول می کند. چندین شرکت از جمله IBM، Google و Rigetti قبلاً کامپیوترهای کوانتومی ساخته اند و از آنها استفاده می کنند. اندازه این کامپیوترها از چند کیوبیت تا بیش از 100 کیوبیت متغیر است و هر کدام معماری و مجموعه ای از قابلیت های منحصر به فرد خود را دارند.

• در سال 2017، Rigetti در دسترس بودن نسخه بتای عمومی Forest 1.0، اولین محیط برنامه نویسی فول استک در جهان برای محاسبات کوانتومی را اعلام کرد.
• Sycamore گوگل یک پردازنده کوانتومی است که دارای 53 کیوبیت است. این در سال 2019 توسعه یافت و ادعا کرد که کاری را در 200 ثانیه انجام می دهد که برای تکمیل آن به یک ابررایانه پیشرفته 10000 سال نیاز دارد.
• IBM Quantum System یک کامپیوتر کوانتومی توسط IBM در سال 2019 نیز معرفی شد. این شامل یک پردازنده کوانتومی ترانسمون 20 کیوبیتی است که در یک سیستم محاسباتی 2.7x2.7x2.7 متری قرار دارد. نکته جالب این است که IBM پردازنده جدید 433 کیوبیتی Osprey را در IBM Quantum Summit 2022 معرفی کرد.

دکتر داریو گیل، معاون ارشد IBM و مدیر تحقیقات، «پردازنده جدید 433 کیوبیتی «Osprey» ما را یک قدم به نقطه‌ای نزدیک‌تر می‌کند که از رایانه‌های کوانتومی برای مقابله با مشکلات حل‌نشده قبلی استفاده می‌شود. علاوه بر پیشرفت های سخت افزاری، ابزارهای نرم افزاری برای محاسبات کوانتومی نیز در حال پیشرفت هستند. زبان های برنامه نویسی مانند Q# و Qiskit به توسعه دهندگان این امکان را می دهند که برنامه های کوانتومی بنویسند و آنها را بر روی سخت افزار یا شبیه ساز کوانتومی اجرا کنند. با این حال، محاسبات کوانتومی هنوز با چالش‌ها و محدودیت‌هایی مواجه است. اصلی ترین آن تصحیح خطا است . همانطور که یک برنامه کوانتومی اجرا می شود، خطاها به سرعت جمع می شوند و چالش هایی را برای دانشمندان ایجاد می کنند. بنابراین، توسعه روش‌های موثر تصحیح خطا برای ساخت رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد در مقیاس بزرگ بسیار مهم است. محدودیت مهم دیگر مقیاس پذیری است . در حالی که کامپیوترهای کوانتومی با ده ها یا صدها کیوبیت در حال حاضر وجود دارند، ساخت یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس بزرگ با هزاران یا میلیون ها کیوبیت هنوز یک چالش است. با این حال، خوش‌بینی وجود دارد که این چالش‌ها در سال‌های آینده غلبه خواهند کرد و راه را برای پذیرش گسترده‌تر محاسبات کوانتومی هموار می‌کنند. سیستم‌های کوانتومی آی‌بی‌ام وعده می‌دهند که تا سال ۲۰۲۵ و بعد از آن به ۴۰۰۰ کیوبیت افزایش یابد.

محاسبات کوانتومی چگونه جهان را تغییر می دهد؟ برنامه های کاربردی در زندگی واقعی

همانطور که گفته شد، در حال حاضر چندین مورد استفاده در صنایع مختلف وجود دارد که محاسبات کوانتومی نتایج شگفت انگیزی را نشان می دهد.

مراقبت های بهداشتی

یکی از زمینه های امیدوار کننده، مراقبت های بهداشتی است. رایانه‌های کوانتومی می‌توانند رفتار مولکول‌ها و مواد را با دقت بیشتری نسبت به رایانه‌های کلاسیک شبیه‌سازی کنند، که می‌تواند کشف داروها و درمان‌های جدید برای بیماری‌ها را تسریع کند. به عنوان مثال، الگوریتم های کوانتومی مانند حل ویژه کوانتومی متغیر (VQE) می توانند برای محاسبه ساختار الکترونیکی مولکول ها با دقت بیشتری نسبت به روش های کلاسیک استفاده شوند. به علاوه، محاسبات کوانتومی می تواند برای تجزیه و تحلیل مجموعه داده های بزرگ از سوابق پزشکی و آزمایشات بالینی برای شناسایی اهداف جدید برای کشف دارو استفاده شود. نمونه دیگری از نحوه استفاده از محاسبات کوانتومی در مراقبت های بهداشتی از طریق غربالگری مجازی نامزدهای دارو است. این شامل جستجو در پایگاه داده های بزرگ داروهای بالقوه برای شناسایی داروهای دارای خواص مورد نظر است. محاسبات کوانتومی قادر است این فرآیند را با جستجوی کارآمد در میان مقادیر وسیعی از داده ها تسریع کند و منجر به کشف و توسعه سریعتر دارو شود.

دارایی، مالیه، سرمایه گذاری

یکی دیگر از کاربردهای مهم محاسبات کوانتومی ممکن است در بهینه‌سازی مسائل باشد، مانند مواردی که در حوزه مالی با آن مواجه می‌شویم. محاسبات کوانتومی می تواند برای بهبود مدل سازی مالی و مدیریت ریسک استفاده شود. به عنوان مثال، الگوریتم های کوانتومی را می توان برای تجزیه و تحلیل سریع مجموعه داده های بزرگ و پیش بینی روندهای بازار مورد استفاده قرار داد. علاوه بر این، رمزنگاری کوانتومی می تواند برای ایمن سازی تراکنش های مالی و محافظت در برابر تهدیدات سایبری استفاده شود. توزیع کلید کوانتومی (QKD) تکنیکی است که از اصول مکانیک کوانتومی برای انتقال ایمن کلیدهای رمزگذاری بین دو طرف استفاده می کند. QKD از قدرت کیوبیت‌های درهم‌تنیده برای ایجاد کلیدی استفاده می‌کند که رهگیری آن بدون شناسایی غیرممکن است.

لجستیک

محاسبات کوانتومی می تواند به طور بالقوه برای بهینه سازی مدیریت زنجیره تامین، کاهش هزینه های حمل و نقل و بهبود زمان تحویل استفاده شود. به عنوان مثال، الگوریتم های کوانتومی ممکن است برای تجزیه و تحلیل سریع کارآمدترین مسیرها برای حمل و نقل و توزیع استفاده شوند. علاوه بر این، محاسبات کوانتومی می‌تواند برای حل مشکلات برنامه‌ریزی پیچیده، مانند مواردی که در برنامه‌ریزی خطوط هوایی و راه‌آهن با آن مواجه می‌شوند، استفاده شود.

انرژی

الگوریتم‌های کوانتومی ممکن است برای شبیه‌سازی رفتار مواد مورد استفاده در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مورد استفاده قرار گیرند که منجر به توسعه باتری‌های کارآمدتر می‌شود. علاوه بر آن، محاسبات کوانتومی می تواند برای بهینه سازی تولید انرژی با تجزیه و تحلیل الگوهای آب و هوا و پیش بینی تقاضای انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

تولید

از آنجایی که محاسبات کوانتومی قادر به تجزیه و تحلیل مجموعه داده‌های بزرگ و پیش‌بینی برنامه‌های تولید بهینه است، می‌تواند در تولید نیز استفاده زیادی داشته باشد. همانطور که می بینید، کاربردهای بالقوه محاسبات کوانتومی بسیار گسترده است و صنایع زیادی وجود دارند که می توانند توسط این فناوری متحول شوند.

"ترس ها" از آینده

از همه اینها، به راحتی می توان نتیجه گرفت که تأثیر محاسبات کوانتومی بر جامعه قابل توجه خواهد بود. و درست مانند هر فناوری انقلابی دیگری، محاسبات کوانتومی با خطراتی همراه است. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، پیامدهای اخلاقی و اجتماعی این فناوری است. محاسبات کوانتومی این پتانسیل را دارد که بسیاری از روش‌های رمزگذاری مورد استفاده برای ایمن سازی داده‌های حساس را بشکند، که می‌تواند منجر به نقض حریم خصوصی و سایر نگرانی‌های امنیتی شود. علاوه بر این، محاسبات کوانتومی می‌تواند برای توسعه سلاح‌ها و فناوری‌های جدیدی که ممکن است تهدیدی برای امنیت جهانی باشد، استفاده شود.

خلاصه

در حالی که محاسبات کوانتومی چالش‌ها و خطرات متعددی را به همراه دارد، بسیاری از سازمان‌ها فعالانه در تلاش هستند تا با توسعه روش‌های رمزگذاری جدید، بهبود سخت‌افزار و نرم‌افزار کوانتومی، و همچنین ارائه فرصت‌های آموزشی و آموزشی، به آنها رسیدگی کنند. بنابراین، ما معتقدیم محاسبات کوانتومی جهان را به شیوه ای خوب متحول خواهد کرد. با توسعه فناوری‌های کوانتومی قوی و قابل اعتماد، می‌توانیم پتانسیل کامل محاسبات کوانتومی را باز کنیم و آینده روشن‌تری برای محاسبات و جامعه به‌عنوان یک کل ایجاد کنیم. اکنون زمان اقدام فرا رسیده است، بنابراین با CodeGym به کشف دنیای فناوری ادامه دهید!