انقلاب ترسناک کوانتوم نزدیک است؟‌

به گزارش برنا؛ می‌گویند کامپیوتر‌های کوانتومی به راحتی قادر به شکستن الگوریتم رمزنگاری فعلی هستند و همین می‌تواند ساختار فعلی اینترنت را به‌طور کامل به هم بریزد. دو کشور آمریکا و چین برای دسترسی سریع‌تر به این سیستم تکنولوژیک میلیارد‌ها دلار سرمایه‌گذاری کرده‌اند. سیستمی که به کمک آن بتوانند صنعت پردازش و محاسبه جهان را متحول کنند. سوال، اما این است که چه کسی زودتر‌تر از بقیه به این تکنولوژی دست پیدا می‌کند.

سال ۱۹۹۴، زمانی‌که کامپیوتر‌ها به وفور امروز نبود، یک ریاضی‌دان به نام «پیتر شُر»، چیزی را اختراع کرد که یک اتفاق بزرگ محسوب می‌شود. وی در سیستم خود از نوعی عملیات پردازشی به نام factoring استفاده کرد، که بعد‌ها تبدیل به پاشنه آشیل اینترنت شد. البته آقای شُر آن زمان هیچ کامپیوتری نداشت که بتواند چنین سیستم پیچیده‌ای را روی آن پیاده کند.

او تنها یک الگوریتم و یک یک برنامه نوشته بود که مخصوص یک ماشین فرضی بود، دستگاهی که یک روز بتواند مانند آنچه در مکانیک کوانتوم آمده، اجزای اتم‌ها و دیگر قسمت‌های مربوط به اتم‌ها را نشان داده و همچنین بتواند محاسباتی را انجام دهد که کامپیوتر‌های معمولی از انجام آن عاجز هستند.

او حتی نمی‌دانست که پیاده شدن این الگوریتم ممکن است به هزاران و شاید حتی میلیون‌ها سال زمان نیاز داشته باشد. آقای شُر در سال ۱۹۹۴ در مقاله‌ای نوشت: «سوال اینجاست که آیا استفاده از مکانیک کوانتوم در یک کامپیوتر حقیقتا قدرت پردازشی کامپیوتر را بالا می‌برد؟» سوال آن روز او را حالا در دنیای امروز می‌توان پاسخ داد.

سال گذشته یک تیم از شرکت گوگل به دستاورد جدید پردازشی رسید که «quantum supremacy» یا «برتری کوانتومی» نام دارد و زمانی اتفاق می‌افتد که یک کامپیوتر کوانتومی محاسبه‌ای سریع‌تر از کامپیوتر‌های معمولی انجام می‌دهد.

دو کارمند گوگل، جاش مارتین و همکارش در پستی وبلاگی در این باره نوشتند: «ماشین ما محاسبه مدنظر را در ۲۰۰ ثانیه انجام داد، در حالی که حتی پرسرعت‌ترین سوپر کامپیوتر دنیا برای انجام چنین محاسبه‌ای ۱۰ هزار سال نیاز دارد.» ماه گذشته نیز یک تیم تحت مدیریت Pan Jianwei در دانشگاه علوم و تکنولوژی چین، در ژورنال Science اعلام کردند که سیستم کوانتومشان، محاسبه‌ای را ۱۰۰ تریلیون بار پرسرعت‌تر از کامپیوتر‌های معمولی انجام داد که رکورد گوگل را هم شکسته است.

در هر دو خبر، نمونه‌های اولیه یک ماشین نیز نمایش داده می‌شود که در یک آزمایشگاه مشغول انجام محاسبه هستند، محاسبه‌ای که از هر جنبه‌ای که فکرش را کنید، بعید به نظر می‌آید که روزی به درد انسان‌ها بخورد.

هنوز هیچ‌کس ادعا نکرده که می‌تواند از الگوریتم آقای شُر استفاده کند، اما ظاهرا سرمایه‌گذاری‌های سنگینی به این منظور انجام می‌شود و صد‌ها مهندس و متخصص از شرکت‌های بزرگی مانند گوگل، IBM و آمازون گرفته تا دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی تلاش می‌کنند تا اولین نفری باشند که این تئوری را عملی می‌کنند.

این گروه‌ها صرفا به دنبال کامپیوتر‌های پرسرعت‌تر نیستند بلکه می‌خواهند روش اساسی متفاوتی برای صنعت پردازش ابداع کنند. کامپیوتر‌های کوانتومی می‌توانند منجر به انقلاب صنعتی مانند تولید ریزتراشه‌ها شوند، که توانست تاثیر عظیمی در صنعت اینترنت و تکنولوژی ایجاد کند. زیرمجموعه‌های کاربردی محاسبات دیجیتال به قدری وسیع است که می‌تواند قدرت زیادی در حوزه‌هایی مانند هوش‌مصنوعی وارد کند.

چین از آن دسته کشور‌هایی است که مدت‌هاست در تکنولوژی کوانتوم سرمایه‌گذاری کرده است. این کشور در سال ۲۰۱۶ ماهواره‌ای به فضا اعزام کرد که در آن قدرت رمزنگاری کوانتوم - و نه صرفا پردازش کوانتوم - به نمایش گذاشته شد. البته در این حوزه نوین رمزنگاری کوانتوم، از تکنولوژی مشابه حوزه پردازش کوانتومی استفاده می‌شود.

بسیاری در این بین نگرانند که آمریکا، در حوزه کوانتوم، جایگاه برتر خود را به چین واگذار کند، زیرا برخلاف چین که در این زمینه فعال بوده، آمریکا ظاهرا استراتژی‌های محافظه‌کارانه‌تر و کم سر و صداتری در این زمینه در پیش گرفته است.

اما یکی از اصلی‌ترین مسائلی که در زمینه این حوزه جدید نگران‌کننده است، مساله امنیت است. زمانی که تکنولوژی کوانتومی همه‌گیر شود، چه اتفاقی برای حریم شخصی و تمام رمز و راز‌های کاربران می‌افتد؟ آیا ممکن است یک روز از خواب بلند شویم و بفهمیم که چین تمام ایمیل‌های ما را خوانده است؟ آیا الگوریتم شُر می‌تواند تبدیل به تهدید شود؟

معنی «برتری کوانتومی»

جان مارتین از متخصصانی است که از دهه ۱۹۸۰ در زمینه کامپیوتر‌های کوانتوم تحقیق می‌کند. او می‌گوید: «قبل از اینکه حتی کلمه «کیوبیت» اختراع شود (کیوبیت qubit اساسی‌ترین قسمت اطلاعاتی در یک کامپیوتر کوانتوم است) -مشابه bit در کامپیوتر‌های معمولی، اما با تفاوت‌های مهم-یک بیت می‌تواند یا صفر یا یک باشد، یک کیوبیت می‌تواند همزمان، هر دو باشد یا هر چه که بین این دو عدد است.

یک بیت، یک قسمت کوچک از شارژ الکتریکی در یک تراشه سیلیکونی است، که کامپیوتر‌های کلاسیک از آن‌ها استفاده کرده و عملیات‌های پردازشی خود را انجام می‌دهند. اما یک کیوبیت، یک اتم یا ذره زیر اتمی است که اطلاعات را به روشی منحصر به فرد و بر اساس قوانین کوانتوم ذخیره می‌کند. به عبارت دیگر، بیت، قسمتی جداگانه از اطلاعات است و یک کیوبیت، جزئی از مجموع اطلاعات است که با دیگر کیوبیت‌ها گره خورده است.

آقای مارتین در فعالیت‌های اولیه خود در دانشگاه کالیفرنیا، سوال‌های اساسی مطرح کرد درباره اینکه چطور می‌توان از اجزای کوچکی مانند اتم‌ها و فوتون‌ها و ذرات نور، اطلاعات استخراج کرد. اما کار کردن با اجزای ظریف و کوچکی مانند اتم‌ها ذرات، بسیار چالش‌برانگیز است. چگونه باید کاری کرد که این ذرات کوچک به گونه‌ای با یکدیگر ارتباط برقرار کنند که بتوان از ارتباط آن‌ها محاسبات کامپیوتری مفید انجام داد. به گفته آقای مارتین، باید کیوبیت را ایزوله کرده تا منسجم بماند، اما اگر زیاد ایزوله و تفکیک شود دیگر امکان برقراری ارتباط با دیگر کیوبیت‌ها و انجام محاسبه وجود ندارد.

مارتین سال هاست با آزمایش‌هایی که با مواد مختلف و در محیط‌های مختلف انجام می‌دهد، تلاش می‌کند این تعادل را برقرار کند. مرحله بعد، به کار‌گیری کیوبیت‌ها و ارتباط آن‌ها با یکدیگر در یک کامپیوتر است. او که بالاخره راهش را به شرکت گوگل باز کرد بقیه تحقیقات خود را آنجا و با کوانتوم کامپیوتر Sycamore (پردازنده کوانتومی که توسط گوگل توسعه داده شده) ادامه داد.

Sycamore ۵۴ کیوبیتی در داخل مجموعه‌ای از آزمایشگاه‌های شرکت گوگل در Goleta ایالت کالیفرنیا نگهداری می‌شود. این کامپیوتر کوانتومی در دمای یک درجه زیر صفر مطلق نگهداری می‌شود- کمترین دمای ممکن- یعنی ۵۰۰ درجه فارنهایت زیر صفر. این ماشین، از طریق اشعه‌های مایکروویو، در داخل دالان برنامه‌ریزی می‌شود، ذراتی که نقش کیوبیت‌ها را ایفا می‌کنند.

یکی از مسائلی که مارتین و دیگر مهندسان حوزه کوانتوم با آن روبه‌رو هستند این است که چه کار کنند که کیوبیت‌ها مدت زمان مناسبی را با یکدیگر در ارتباط باشند تا محاسبه به‌صورت صحیح انجام شود.

Superposition عبارتی است که به قابلیت قرار‌گیری کیوبیت‌ها به‌صورت همزمان در دو حالت صفر و یک اطلاق می‌شود که یک قسمت مهم از انجام عملیات کامپیوتر است. کوچک‌ترین مزاحمتی باعث می‌شود که یک کیوبیت به داخل صفر یا یک افول کرده و کل ارتباط کیوبیت‌ها با اختلال روبه‌رو شود.

دمای نگهداری این دستگاه‌ها به طرز غیرقابل‌تصوری سرد است، اما کیوبیت‌ها به کوچک‌ترین اشتباه حساس هستند و سریع از هم گسیخته می‌شوند و باعث می‌شوند که کل عملیات پردازش با شکست روبه‌رو شود. ساخت یک کامپیوتر کوانتوم به اندازه کافی سخت است، اما اینکه چگونه باید با آن رفتار کرد که عملیات‌ها بدون خطا و مشکل انجام شوند، آن‌قدر مشکل است که بسیاری اوقات مهندسان را کلافه می‌کند.

حتی با وجود اینکه کامپیوتر‌های کوانتومی امروز در دوران کودکی خود هستند، اما با این وجود نگرانی بابت مساله امنیت، همچنان پابرجاست. این دستاورد در قرن پیش رو به‌طور قطع پیشرفت‌های چشمگیری می‌کند و از همین حالا زنگ خطر را به صدا درآورده است.

آژانس امنیت ملی و دیگر سازمان‌های اطلاعاتی در آینده نزدیک چشم امید زیادی به این تکنولوژی دارند، اما نگرانی‌هایشان نیز بابت راز‌ها و اسرار امنیتی همزمان افزایش می‌یابد. آمریکا برنامه‌هایی دارد که روش‌های جدید رمزگذاری را توسعه دهد، روش‌هایی که حتی دربرابر کامپیوتر‌های کوانتوم نیز غیرقابل رسوخ باشد. اما متقاعد کردن دولت‌ها و آژانس‌ها به استفاده از شیوه‌های نوین رمزنگاری، کار ساده‌ای نیست، زیرا تهدید، هنوز به وضوح معرفی نشده و حتی وجود خارجی ندارد.