کامپیوتر کوانتومی چیست؟ کاربرد کامپیوترهای کوانتومی

کامپیوتر کوانتومی که این روزها به وفور مورد بحث کاربران قرار می گیرد به واسطه تاثیر زیادی که بر دنیای کریپتوکارنسی و ارز دیجیتال دارد، نگاه صاحب نظران به این حوزه را جلب کرده است. در حالت کلی کامپیوترهای کوانتومی دستگاه‌ هایی به شمار می‌ روند که با قدرت بسیار بالا قادر هستند در عرض تنها چند دقیقه تمام مسائل مهم و پیچیده را به راحتی حل کنند. با این حال باید بدانید که هم اکنون تنها چند رایانه کوانتومی در جهان وجود دارد که در دست سازمان یا افراد خاصی قرار گرفته‌ اند و کنترل آن ها را بر عهده دارند. سوال اینجاست که آیا این دسته از ابرکامپیوترها می‌ توانند برای ارزهای دیجیتال و در حالت کلی امنیت شبکه بلاک چین تهدیدی داشته باشند یا خیر؟

به طور کلی این روزها کامپیوترها و تمام قطعات کامپیوتر و پردازنده هایی که مورد استفاده قرار می‌ گیرند بر پایه بیت محاسبات کلاسیک آن ها انجام می‌ شود. در واقع کوچک‌ ترین جز محاسباتی در رایانه‌ ها، بیت‌ ها به شمار می‌ روند. کاربرد کامپیوتر کوانتومی و ویژگی‌ هایی که این سیستم دارد موجب شده است که ما در این مطلب آن را مورد بررسی قرار داده تا بتوانیم اطلاعات کافی را در اختیار شما بگذاریم. با ما در مجله آترا همراه باشید تا به بررسی کامپیوتر کوانتومی و کاربردهای آن بپردازیم.

کامپیوترهای کوانتومی چیست؟

کامپیوتر کوانتومی یا رایانه کوانتومی سیستمی به شمار می‌ رود که برای انجام محاسبات خود از پدیده‌ های مکانیک کوانتوم کمک می‌ گیرد. برخلاف کامپیوترهای کلاسیک که محاسبات درون آن ها از دو حالت 0 و 2 پیروی می‌ کند، کامپیوترهای کوانتومی برای تعریف حالت‌ های مختلف از جهت چرخش الکترون‌ ها کمک گرفته و عملیات خود را به این شکل انجام می‌ دهند.

با توجه به نوع طراحی و ساخت کامپیوترهای کوانتومی می‌ توان بیان کرد که فعالیت خود را منطبق بر اصل بر هم نهی کوانتومی انجام خواهند داد. اصل بر هم نی کوانتومی بیان می‌ کند که الکترون‌ ها هیچگونه محدودیتی برای چرخش نداشته و به طور همزمان قادر هستند به سمت چپ و راست و سایر جهت‌ ها در چرخش باشند.

شرایط فوق نشان می‌ دهد که در کامپیوتر کوانتومی بر خلاف کامپیوترهای کلاسیک با دو حالت 0 و 1 مواجه نخواهیم بود؛ بلکه با توجه به فناوری ساخت این سیستم‌ ها حالت‌ های بسیار زیادی وجود دارند که سرعت و دقت انجام محاسبات را به میزان قابل توجهی افزایش می‌ دهند. به واسطه سرعت بسیار زیادی که کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوتر کلاسیک دارند، آن ها را تحت عنوان نسل آینده سی پی یو های کامپیوتری می‌ شناسند.

تاریخچه کامپیوتر کوانتومی

شاید تصور کنید که کامپیوتر کوانتومی در چند سال اخیر طراحی شده و این روزها مورد استفاده قرار می‌ گیرد. با این حال باید بدانید که برای نخستین بار کامپیوتر کوانتومی در سال ۱۹۹۸ طراحی شد. این کامپیوتر دارای ظرفیت ۲ کیلوبیت بود. هم اکنون پس از پیشرفت تکنولوژی سیستم‌ های کوانتومی نیز در طی این سالیان پیشرفت زیادی داشته‌ اند. در حال حاضر می‌ توان کامپیوترهای کوانتومی را با ظرفیت به مراتب بالاتر در مدل‌ های چند صد کیوبیت نیز مشاهده نمود.

پس از تغییرات زیاد، سرانجام در سال ۲۰۱۱ قدرتمندترین رایانه کوانتومی دنیا روانه بازار شد. یک شرکت کانادایی توانست یک رایانه کوانتومی را با توان و ظرفیت فوق العاده ۱۲۸ کیلوبیت تولید کرده و بیان کرد که دنبال آن است مشکل تمام مسائل حل نشده جهان را با استفاده از کامپیوتر کوانتومی خود خاتمه دهد.

اگر در خصوص کامپیوترهای کلاسیک اطلاعات کافی داشته باشید باید بدانید که ساخت آن ها بر اساس بیت صورت می‌ گیرد. در عین حال کامپیوترهای کوانتومی دارای کیوبیت هستند. هر اندازه مقدار کیوبیت در کامپیوترهای کوانتومی افزایش یابد، قدرت پردازش سیستم نیز روند افزایشی به صورت تصاعدی به خود خواهد گرفت.

مقایسه کامپیوتر کوانتومی با کامپیوتر کلاسیک

شاید برای شما نیز این سوال پیش آمده که کامپیوتر کوانتومی چه تفاوتی با کامپیوتر کلاسیک دارد. بدیهی است به واسطه ساز و کارهای ویژه‌ ای که در ساخت کامپیوترهای کوانتومی به کار گرفته می‌ شوند. به راحتی می‌ توانند مشکلات سنگین را حل کنند. بخش زیادی از این مشکلات توسط کامپیوترهای کلاسیک قابل حل نخواهند بود.

یکی از ویژگی‌ های کامپیوتر کوانتومی در مقایسه کلاسیک این است که از واحد کیوبیت استفاده کرده و قادر است در هر لحظه هم 0 و هم 1 باشد. همین لحظه که شما مشغول استفاده از سیستم کامپیوتر کلاسیک هستید باید بدانید که به واسطه قوانین باینری و ریاضی تمام اطلاعات درون آن با واحد پردازنده 0 و 1 خواهند بود. در حالت کلی می‌ توان گفت فیزیک کوانتوم شامل بخشی از فیزیک مدرن بوده که به هیچ عنوان از قوانین وضع شده در فیزیک کلاسیک پیروی نخواهد کرد.

از دیگر تفاوت‌ های کامپیوتر کلاسیک و کامپیوتر کوانتومی می‌ توان به نحوه عملکرد آن ها اشاره کرد. کامپیوترهای کلاسیک که برای عملکرد خود از ترانزیستورها استفاده می‌ کنند در نقطه مقابل رایانه کوانتومی قرار دارند که فعالیت خود را بر اساس قوانین فیزیک کوانتومی انجام می‌ دهد.

رایانه‌ های کوانتومی به واسطه قابلیت‌ هایی که از آنان بهره می‌ برند، قادر هستند محاسباتی را که برای حل آن ها با استفاده از کامپیوتر کلاسیک چندین سال طول می‌ کشد را به راحتی حل کند. عملکرد کامپیوتر کوانتومی به شکلی است که محاسبات سنگین را در عرض چند دقیقه به راحتی انجام داده و سوالات را حل خواهد کرد.

اگر بخواهید درک صحیح از کامپیوتر کوانتومی داشته باشید، مثال زیر را می‌ توانید مطالعه کنید. همین گوشی موبایل که در دست شما قرار گرفته است در مقایسه با ابر رایانه‌ های چند دهه قبل قدرت به مراتب بالاتری دارد. بدیهی است نسبت به کامپیوترهای کلاسیک رایانه کوانتومی نیز قدرت بالاتری دارد.

مقایسه مصرف انرژی رایانه کوانتومی با کامپیوتر معمولی

شاید تصور کنید توان بالای کامپیوترهای کوانتومی این مهم را می‌ طلبد که انرژی بسیار زیادی صرف آن ها شود. با این حال باید بدانید که رایانه‌ های کوانتومی در مقایسه با ابر کامپیوترهای معمولی مصرف انرژی به مراتب پایین‌ تری دارند. برای راه‌ اندازی یک ابر کامپیوتر نیاز به مصرف انرژی ۱ تا ۱۰ مگاوات خواهیم داشت. این مقدار برای کامپیوتر کوانتومی به مراتب کمتر بوده و تنها از ۲۰ تا ۳۰ کیلووات انرژی می‌ توان استفاده نمود. شرایط فوق نشان می‌ دهد که کامپیوترهای کوانتومی آسیب‌ های به مراتب کمتری به محیط زیست وارد خواهند کرد.

مقایسه سرعت پردازش رایانه کوانتومی و کامپیوتر معمولی

یکی از مهمترین دلایلی که موجب شده است دانشمندان نگاه خود را به کامپیوتر کوانتومی معطوف کنند، سرعت پردازش خارق العاده آن ها خواهد بود. با توجه به اینکه رایانه‌ های کوانتومی قادر هستند که بر خلاف کامپیوترهای معمولی محاسبات خود را به صورت موازی انجام دهند، از سرعت پردازش خیره کننده‌ ای بهره می‌ برند. الگوریتم های خاصی که در کامپیوتر کوانتومی اجرا می‌ شوند مانند شور و گراور این توان را دارند که زمان انجام محاسباتی که توسط ابر کامپیوترها به سال ها می‌ رسد را به میزان قابل توجهی کوتاه کنند.

ارتباط رایانش کوانتومی با شبکه بلاکچین

برای اینکه در خصوص این موضوع درک بهتری داشته باشیم مهم است که ابتدا به بررسی ساز و کار فعالیت شبکه بلاکچین پرداخت. در حالت کلی شبکه‌ های بلاکچین فعالیت خود را بر اساس توابعی انجام می‌ دهند که عملگرهای یک طرفه بوده و تابع قوانین ریاضیات هستند. به بیان ساده‌ تر می‌ توان گفت برای امنیت بلاکچین‌ ها، توابع ریاضیِ مورد استفاده جهت انجام دادن معاملات و تراکنش ها و همچنین ایجاد امضای دیجیتالی با وجود اینکه فرآیندی پیچیده است، نقاط ضعفی نیز دارد. یکی از این نقاط ضعف امنیت و مقاومت آن ها در برابر رایانه کوانتومی خواهد بود.

در واقع نمی‌ توان گفت توابع ریاضی پیچیده هنگام مقابله با کامپیوترهای کوانتومی مطمئن عمل می‌ کنند. در حال حاضر رایانه قدرتمند دیجیتالی وجود ندارد که بتواند برای شبکه‌ های بلاکچین توابع ریاضی بسیار پیچیده را حل کند. شرایطی که موجب شده است برای حل کردن مسائل پیچیده و سخت به سراغ کامپیوترهای کوانتومی رفته شود. کارشناسان حوزه کریپتوکارنسی و صاحب نظران معتقدند که امکان بروز اتفاقات خطرناک با ظهور کامپیوترهای کوانتومی بسیار بالاتر رفته و امنیت شبکه بلاکچین خدشه‌ دار شده است.

ویژگی‌ های کامپیوتر کوانتومی

همانگونه که عنوان کردیم کامپیوتر کوانتومی در مقایسه با کامپیوتر کلاسیک دارای ویژگی‌ های متفاوتی است. با هدف تحول در حل کردن محاسبات پیچیده کامپیوترهای کوانتومی تولید می‌ شوند. در حال حاضر می‌ توان بیان کرد که این سیستم‌ ها تا حد زیادی توانسته‌ اند برای انجام این کار به موفقیت برسند. مهندسین بر این باورند که نسل جدید کامپیوترهای کوانتومی قادر هستند دنیا را متحول کنند. از جمله ویژگی‌ های مهم و برتری‌ های کامپیوتر کوانتومی نسبت به کامپیوتر کلاسیک می‌ توان به توان بسیار بالاتر آن ها اشاره کرد.

اگر نسبت به ساز و کار و نحوه عملکرد کامپیوتر کلاسیک آشنایی داشته باشید باید بدانید که عملیات‌ ها بر روی آن ها به صورت متوالی پردازش می‌ شوند. این شرایط برای کامپیوتر کوانتومی کاملا متفاوت است. با توجه به قدرت بسیار بالای رایانه کوانتومی، به صورت همزمان می‌ تواند چندین عملیات را روی مقادیری خاص انجام دهد. مواردی که عنوان کردیم تنها بخشی از ویژگی‌ های کامپیوتر کوانتومی هستند. از دیگر ویژگی‌ های این ابر رایانه‌ ها می‌ توان به گزینه‌ های زیر اشاره کرد.

• قدرت بسیار بالا در مقایسه با کامپیوتر کلاسیک
• توانایی حل محاسبات سخت و پیچیده
• سرعت پردازش به مراتب بالاتر از کامپیوتر کلاسیک
• انجام محاسبات کامپیوتری در کمترین زمان ممکن
• عدم پیروی از قوانین فیزیک استاندارد

در خصوص مورد آخر یعنی پیروی نکردن کامپیوتر کوانتومی از قوانین فیزیک استاندارد می‌ توان هنگام استفاده از آن انعطاف پذیری به مراتب بیشتری را مشاهده نمود.

مهمترین کاربردهای کامپیوتر کوانتومی

کاربردهای کامپیوتر کوانتومی متنوع هستند. تقریبا می‌ توانیم بگوییم که هر آنچه قبلا قادر به مدل سازی و محاسبه آن نبودیم را امروزه با استفاده از رایانه‌ های کوانتومی می‌ توانیم انجام دهیم. دانشمندان برای مدل سازی ذرات اتم‌ ها و مولکول‌ های مختلف از این سیستم کمک می‌ گیرند. علاوه بر این در صنایع دارویی و غذایی نیز می‌ توان کاربرد این کامپیوترهای قدرتمند را مشاهده کرد. هنگامی که با مولکول‌ ها و اتم‌ ها سروکار داشته باشیم، رایانه‌ های کوانتومی با قدرت بلامنازع خود قادر به شبیه‌ سازی واحد مدل‌ های مختلف بوده و کمک فراوانی به علم پزشکی خواهند کرد.

کاربردهای کامپیوتر کوانتومی بسیار گسترده‌ تر از موارد نام برده خواهند بود. به عنوان مثال این روزها در هواشناسی و رمزنگاری نیز می‌ توان کاربردهای این سیستم‌ های قدرتمند را مشاهده کرد. در مدل سازی شیمی و انجام محاسبات فیزیک نیز تاثیر بسیار زیاد کامپیوترهای کوانتومی را شاهد هستیم.

تاثیر کامپیوتر کوانتومی بر شبکه بلاکچین و ارز دیجیتال

فعالان در حوزه ارز دیجیتال نگرانی‌ های زیادی را در خصوص گسترش کامپیوتر کوانتومی و محاسبات آن دارند. با توجه به اینکه رایانه‌ های کوانتومی می‌ توانند سخت‌ ترین مسائل را به راحتی حل کنند، به احتمال فراوان در آینده‌ ای نزدیک ارزهای دیجیتال را مورد حمله قرار می‌ دهند. از این رو دانشمندان تلاش می‌ کنند که در مقابله با تهدیدات کامپیوتر کوانتومی، ایمنی شبکه بلاکچین را بالاتر ببرند. هم اکنون دانشمندان در حال مطالعه بر روی سازوکارهایی هستند تا بتوانند امنیت شبکه بلاکچین را به بهترین شکل تضمین کنند. هر چند توانایی فوق العاده رایانه کوانتومی در یافتن عوامل اول اعداد می‌ تواند برای سیستم رمزنگاری یک خطر بزرگ باشد. با این حال اقداماتی هم اکنون در حال انجام است تا سرمایه‌ گذاران در دنیای کریپتوکارنسی و ارز دیجیتال با خیالی آسوده تر مشغول به فعالیت در آن شوند.

آیا کامپیوتر کوانتومی ساخته شده است؟

یکی از سوالات دیگری که ممکن است به ذهن برسد این است که آیا کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده‌ اند یا خیر؟ برای پاسخ به این سوال باید بیان کنیم که تاکنون چند شرکت توانسته‌ اند در زمینه تولید کامپیوتر کوانتومی فعالیت گسترده‌ ای انجام دهند. گوگل یکی از این شرکت‌ ها بوده که کامپیوتر کوانتومی را طراحی کرده است. این کامپیوتر ۵۳ کیوبیت بوده و در مدت ۲۰۰ ثانیه توانست یک تسک را انجام دهد. جالب است بدانید بر اساس اعلام گوگل انجام این تسک که توسط کامپیوترهای قدرتمند کلاسیک حدود ۱۰۰0۰ سال زمان می‌ برد. با توجه به اینکه گوگل برای توسعه و ارتقای پردازنده توانمند و کامپیوتر کوانتومی خود بودجه زیادی را کنار گذاشته است، در آینده می‌ توان عملکرد آن را با قدرت بیشتر مشاهده نمود.

شرکت دیگری که فعالیت خود را در زمینه تولید کامپیوتر کوانتومی انجام می‌ دهد، IBM نام دارد. این شرکت نیز اخیرا یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند و بی‌ همتای ۴۳۳ کیوبیتی را طراحی کرده است.

کاربرد احتمالی کامپیوتر کوانتومی در آینده

پتانسیل بالای کامپیوترهای کوانتومی موجب شده است که نگاه خوشبینانه ای به آن برای حل مسائل روز دنیا در آینده داشته باشیم. به احتمال فراوان در آینده نه چندان دور در زمینه رمزنگاری و یادگیری ماشین با تحول در کاربردهای این سیستم مواجه خواهیم شد. با توجه به اینکه رایانه‌ های کوانتومی به راحتی می‌ توانند خروجی ها را تولید کنند، جایگزین کامپیوترهای کلاسیک در این زمینه می‌ شوند. علاوه بر این به واسطه جبر خطی که محاسبات کوانتومی بر اساس آن ها صورت می‌ گیرد، می‌ توان یادگیری ماشین را با استفاده از این سیستم انجام داد. دانشمندان ابراز امیدواری کرده‌ اند که در ساخت کامپیوتر کوانتومی از روش‌ هایی استفاده کنند تا عملکرد الگوریتم یادگیری ماشین و همچنین سرعت آن افزایش یابد.

آیا احتمال جایگزین کردن کامپیوتر کوانتومی با کامپیوتر عادی وجود دارد؟

به احتمال فراوان برای شما نیز این سوال پیش آمده که تا چه اندازه احتمال جایگزین کردن کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای عادی وجود دارد؟ با توجه به اینکه سیستم‌ های کوانتومی را در کاربردهای خاص استفاده می‌ کنند، بعید است که به این زودی ها آن ها را جایگزین کامپیوترهای عادی نماییم. یکی از محدودیت‌ هایی که به هنگام استفاده از رایانه کوانتومی با آن مواجه می‌ شویم، نحوه نگهداری از کیوبیت ها خواهد بود.

کیوبیت ها را باید در شرایط خاص نگهداری کرد. به عنوان مثال برای نگهداری کیوبیت ها از دمای صفر مطلق و یا شرایط خلا بالا استفاده می‌ کنند. مسئله‌ ای که در این زمینه بسیار دشوار و پرهزینه است. فراموش نکنید که کاربردهای زیاد رایانه کوانتومی موجب شده است که امروزه علاوه بر بخش دولتی، بخش خصوصی نیز توجه زیادی به آن داشته باشد. در همین راستا تلاش‌ های گسترده‌ ای را فعالان در این حوزه انجام داده‌ اند تا بتوانند محدودیت‌ های کامپیوتر کوانتومی را از میان بردارند.