*ترجمه شده از مجله کسب و کار هاروارد.
پردازش کوانتومی
پردازش کوانتومی در حال باز کردن جای خود در دنیای تکنولوژی است. شرکت گلدمن ساکس به تازگی اعلام کرده است که، تا پنج سال آینده به زودی الگوریتم های محاسبه کوانتومی برای انجام امور مالی را معرفی میکند. به طور مشابه شرکت هانیول پیشبینی میکند طی یک دهه آینده ارزش بازار صنایع کوانتومی به یک میلیارد دلار میرسد.
اما در شرایطی که به نظر میرسد سالها تا تولید کامپیوترهای کوانتومی فاصله داریم چرا شرکتهایی مثل گلدمن چنین جهشی انجام دادهاند و در حال سرمایهگذاری روی پردازشهای کوانتومی هستند؟
برای درک بهتر این سوال بهتر است کمی به عقبتر برگردیم و ببینیم یک کامپیوتر درواقع چهکار میکند.
اگر به تکنولوژی دیجیتال امروزه نگاه کنیم، کامپیوتر در قلب خود یک ماشین محاسبهگر است. کامپیوترها محاسبات ریاضی را با هزینه کم انجام میدهند. به لطف پیشرفتهایی که در زمینه نرمافزار و سختافزار به دست آمدهاست تقریبا برای انجام هرکاری یک سیستم کامپیوتری وجود دارد.
ماشین ظرفشویی، خودروها و دستگاههای صنعتی همه و همه یک کامپیوتر درون خود دارند. بدون داشتن کامپیوتر انسان هیچوقت نمیتوانست روی ماه قدم بگذارد و یا ماهوارهای را به مدار فضا بفرستد.
سیستمهای امروزی از سیگنالهای باینری (صفر و یک) استفاده میکنند و با تبدیل اطلاعات به ترکیبات باینری آن را منتقل کرده و یا پردازش میکنند.
حتی پیشرفتهترین سیستمهای هوش مصنوعی مثل اتومبیلهای خودران و یا شطرنجهایی که استادبزرگان جهان را شکست میدهند از همین روش سنتی پردازش استفاده میکنند. به همین دلیلِ افزایش روزافزون حجم اطلاعات و محاسبات کار را برای سیستمهای کامپیوتری سختتر و زمانبر کرده است. امروزه وظایفی وجود دارند که حتی در صورتی که بین میلیونها سیستم توزیع شوند همچنان برای کامپیوترها چالشبرانگیز هستند.
یکی از این مشکلها انجام محاسبات مربوط به ترکیبهاست، محاسبات در خصوص ترکیبات به معنی بررسی تعداد حالتهای ممکن برای بروز یک اتفاق، و انتخاب بهترین حالت است.
در این محاسبات با افزایش تعداد عوامل، تعداد حالتها به صورت نمایی افزایش پیدا میکند. یک مثال برای این موضوع پیدا کردن رمز عبور است که به ازای هر یک رقم، امکان وجود حدود 100 کاراکتر وجود دارد. با این مقایسه برای یک پسورد دو رقمی 10 هزار حالت ممکن است و برای یک پسورد 6 رقمی حدود یک میلیون حالت وجود دارد.
کامپیوترهای دیجیتال برای محاسبه ترکیبات محاسبات عظیمی انجام میدهند اما این محاسبات زمان زیادی میبرند و در مواردی که به پاسخ سریع نیاز است ایجاد مشکل میکنند. یکی از اصلیترین جاهایی که از ترکیبات استفاده میشود و لازم است محاسباتش با سرعت بالا انجام شوند در هوش مصنوعی است.
اینجاست که کامپیوترهای کوانتومی میتوانند نقش خود را نشان دهند. همانطور که کامپیوترهای دیجیتال با افزایش سرعت و کاهش هزینه محاسبات توانستند زندگی انسان را راحتتر کنند سیستمهای کوانتومی میتوانند یکبار دیگر این کار را تکرار کنند.
ارزش پردازش کوانتومی
سیستمهای کوانتومی و نرمافزارهای کوانتومی بر اساس منطقی متفاوت از مدل کار جهان کار میکنند. در فیزیک کلاسیک هر شیئی در حالت صحیح قرار دارد.
در فیزیک کوانتوم هرشیء تنها زمانی وجود دارد که در حالت صحیح دیده شده باشد. بر همین اساس رابطه دو موجودیت با یکدیگر تنها یک احتمال است و نه قطعیت. به همین صورت در دنیای کامپیوتر نیز با منطق متفاوتی در ارتباط هستیم به این معنی که داده به صورت متفاوتی روی کیوبیتها ذخیره میشود که در مقایسه با ذخیره بر روی بیتهای کامپیوتر دیجیتال امکان داشتن چندین وضعیت همزمان را به ما میدهد. این داشتن چندین وضعیت میتواند هزینه و زمان محاسبات را کاهش دهد.
اگر این مسئله کمی گنگ و مبهم به نظر میرسد به این دلیل است که واقعا گنگ و مبهم است. حتی تا به امروز بسیاری از فیزیکدانها نتوانستهاند ذهن خود را با مفاهیم کوانتوم و قابلیتهای غیرطبیعی (در حال حاضر به نظر غیرطبیعی) این مفهوم تطبیق دهند.
اما میتوان گفت که مکانیک کوانتوم پدیدههای طبیعی را خیلی بهتر از فیزیک کلاسیک تشریح میکند و فرضیههای فیزیک کلاسیک را نیز در بر میگیرد.
در دنیای کامپیوترهای صنعتی میتوان گفت با پردازش کوانتوم میشود کارهای کامپیوترهای معمولی را انجام داد و علاوه بر این میتوان محاسبات ترکیبات را به سرعت انجام داد، قابلیتی که کامپیوترهای دیجیتال ندارند.
پردازش کوانتومی در مهندسی شیمی و زیست
مهندسی شیمی و زیستشناسی شامل کشف نتایج دستکاری ساختار مولکولهاست. که سبب میشود مهندسان شیمی با ذرات ریز اتمی سروکار داشته باشند این یعنی کار در زمینه کوانتوم.
کار مهندسان شیمی که با ذرات ریز اتمی بود الهامبخش ریچارد فیمن شد تا اولین بار نظریه ساخت کامپیوتر کوانتومی را ارائه کند. هربار که یک مولکول ساختار پیچیدهتری میگیرد تعداد حالات ممکن برای ذراتش نیز افزایش مییابد و این اتفاق پای مسئله ترکیبات را به میان میکشد. این موضوع باعث میشود استفاده از کوانتوم در یک سیستم کامپیوتری به حل مسائل ترکیبات منجر شود.
برای مثال در نسخههای ابتدایی ساختهشده از کامپیوتر کوانتومی این سیستم توانسته است اتفاقات درون یک راکتور اتمی را شبیهسازی کند. در آینده و با عملی شدن ساخت کامپیوتری کوانتومی صنعت شیمی تغییر چشمگیری میکند چرا که زمانی که امکان شبیهسازی رفتار مولکولها وجود داشته باشد سرعت انجام آزمایشات و تولید مواد جدید افزایش مییابد.
پردازش کوانتومی در امنیت مجازی
بیش از هزار سال است که ترکیبهای ریاضی هسته اصلی الگوریتمهای رمزنگاریاند. الخلیلی در کتاب «نامههای رمزنگاریشده» در قرن 8 میلادی از همین شیوه استفاده از ترکیبها استفاده کرده است و امروزه نیز همچنان داشتن ترکیبهای فراوان به معنی داشتن کار سخت و پیچیده برای پیدا کردن ترکیب اصلی است.
با ظهور کامپیوترهای کوانتومی و تسهیل انجام محاسبات ریاضی در خصوص ترکیبها امنیت تمامی الگوریتمهای رمزنگاری به خطر میافتد. به همین دلیل در حال حاضر صنایعی در حال گسترش هستند که هدف آنها تامین امنیت در دنیای کوانتومی است.
به طور کلی هرچقدر دنیا به سمت کوانتومی پیش میرود شرکتهای بیشتری در زمینه پردازشهای کوانتومی فعالیت میکنند و امیدوارند با پیادهسازی این تکنولوژی حرفهایی برای گفتن داشته باشند.
پردازش کوانتومی در خدمات مالی و تجاری
خدمات مالی و تجاری یکی از اولینهایی بودند که به محاسبات دادههای بزرگ احتیاج پیدا کردند. پیشبینی تغییرات لحظهای بازارهای مالی مثل بورس در حال حاضر امکانپذیر نیست و فرمول های ارائهشده برای این منظور به داده های عظیم و محاسبات عظیمتری نیاز دارند. به همین دلیل یک شرکت سرمایه گذاری مانند گلدمن ساکز در زمینه پرداز کوانتومی سرمایهگذاری کرده است.
تصور کنید یک شرکت بتواند در لحظه اتفاقات آینده بازار سهام را شبیه سازی کند و بر اساس این شبیه سازی ها به تجارت بپردازد، سود بهدستآمده غیرقابل تصور خواهد بود.
توانایی تبدیل مسائل سنگین و پیشرفته به مسائلی از جنس ترکیب های ریاضی و حل کردن آنها در کسری از زمان به کمک پرداز کوانتومی باعث شده است که تا امروز میلیاردها دلار در زمینه توسعه کامپیوترهای کوانتومی سرمایهگذاری شده باشد. در حال حاضر داغ ترین بخش پردازش کوانتومی ساخت یک سیستم کامپیوتری کوانتومی نیست بلکه ساخت نرم افزارهایی است که از این سیستم استفاده می کنند و پیشرفت هایی که با این نرم افزارها حاصل میشود. طبق گفته پروفسور آلن آسپورو گوزیک استاد شیمی و علوم کامپیوتر دانشگاه تورنتو : مسئله امروز ما این نیست که چند کیوبیت در اختیار داریم بلکه سوال اصلی این است که چند نفر میتوانند با این سیستم ها کار کنند.