انقلاب در قدرت محاسباتی با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی

اکسچنجر » انقلاب در قدرت محاسباتی با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی
کامپیوترهای کوانتومی
تعداد بازدید : 192

شاید در این سال ها شما هم به اسم محاسبات و کامپیوتر کوانتومی بر خورده باشید. احتمالا در یک متن هیجان انگیز راجع استفاده از اصول مکانیک کوانتومی در ساختار آن رو به رو شده باشید. اما مطلبی که اینجا روی آن تاکید داریم، یک انقلاب در محاسبه چیزهایی است که شاید در آینده نه چندان دور، مشکلات و امکانات بزرگی برای دنیای دیجیتال ما ایجاد کند. بزرگترین ربط کامپیوترهای کوانتومی به فعالیت ما کریپتو باز ها، قابلیت های بسیار جالبشان در حل مسائلی است که امروزه به عنوان رمزگذاری و استخراج ارز دیجیتال می شناسیم. اساسا رمزنگاری دیجیتال بخش اصلی در حفاظت از اطلاعات و اموال دیجیتال ما در این دنیای پیچیده است. به همین دلیل تلاش کردیم در یک متن علاوه بر اصول اولیه این تکنولوژی هیجان انگیز، نکاتی را هم راجع ارتباط آن با آینده کریپتو ذکر کنیم.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می کنند

همان طور که شاید خیلی از شما بدانید، اصول کوانتومی با اصول کلاسیک دنیای ما تفاوت های زیادی دارد. مثلا در دنیای واقعی ما برای هر شئ یک واقعیت در نظر می گیریم. مثلا می گوییم که جهت یک سکه شیر است یا خط. اگر یک سکه را به صورت افقی در دست خودم نگه داشته باشم، بعد از دیدن آن شاید خط ببینید. در این صورت به من می گویید که سکه در دست من در حالت خط وجود داشت و من این را الان دیدم.

کامپیوترهای کوانتومی

 

اما در دنیای کوانتومی چنین توصیفی امکان پذیر نیست. وقتی به ذرات و مقیاس به اندازه کافی پایین رجوع کنیم، موجودات نوع دیگری رفتار می کنند. یک خاصیت فیزیکی وجود دارد که خیلی شبیه همین شیر یا خط است اما مخصوص الکترون ها. با یک سری آزمایش می توان این خاصیت را اندازه گیری کرد. نکته جالب این جاست که الکترون ها می توانند در حالتی باشند، که بعد از اندازه گیری مثلا نتیجه خط بدهد، اما از نظر علمی نمی شود گفت که در حالت خط بوده، بلکه فقط می توان گفت که احتمال خط بودن ۲۰ درصد است و خوب توانستیم در نهایت آن را ببینیم. هیچ کس نمی تواند بگوید که الکترون خط بوده و ما دیدیم، بلکه ما دیدیم و خط در آمد. این همان توصیف احتمالی از دنیای زیراتمی است.

مقایسه محاسبات کوانتومی با محاسبات کلاسیک

نکته اساسی در مطالب بالا، نتایج ریاضی آن هاست. این نتایج کاملا از حوصله صحبت های ما خارج است، با این حال نتیجه آن را در تکنولوژی های مختلف دیدیم. از تکنولوژی نیمه هادی ها که به کامپیوترهای امروزی رسیدند و چیزی که در نهایت به کامپیوترهای کوانتومی منتج شده.

احتمالا شما راجع اصول کامپیوترهای امروزی مطالبی را بدانید. اساسا این کامپیوترها از ذرات الکترون با انرژی های مختلف برای نمایش دو حالت ۰ و ۱ استفاده می کنند. این ها می توانند مستقیما عدد تفسیر شوند یا اینکه صرفا یک نماد برای ذخیره کردن اطلاعات. سپس در تراشه های کامپیوتری این الکترون ها را از ساختاری به نام Gate یا همان دروازه خودمان عبور می دهند. این گیت های کلاسیکی همان کار محاسبه و ذخیره اطلاعاتی که امروزه می دانیم انجام می دهند. اما در دنیای کوانتومی همان طور که گفتیم فقط دو حالت صفر و یک وجود ندارند. بلکه می شود حالتی داشت که بین این هاست. با چنین موجودات فیزیکی می توان اعمال ریاضی خاصی هم انجام داد. این اعمال به گیت های کوانتومی می رسند. اما مهمترین خاصیت گیت های کوانتومی چیست؟

سازگاری محاسبه کوانتومی و کلاسیک

قبل از اینکه ادامه دهیم، باید یک مطلب توضیح داده شود. از نظر علم کامپیوتر، هر مسئله ای که کامپیوتر کوانتومی بتواند حل کند را یک کامپیوتر کلاسیک هم می تواند حل کند و بالعکس. با این حال مسائلی وجود دارند که کامپیوتر کلاسیک به طرز قابل توجهی نسبت به مدل کوانتومی آهسته تر عمل می کند. شاید به نظرتان عجیب بیاید که پس چرا این همه به این تکنولوژی بها داده می شود. باید گفت که این اختلاف زمان برای بعضی مسائل بیش از تصور ماست. یک کامپیوتر کوانتومی قادر است مسائلی را در چند ساعت حل کند که مدل کلاسیک برای حلش به چندین هزار سال زمان نیاز دارد. چیزی که از عمر مفید ما انسان ها خیلی بیشتر است. به همین دلیل باید گفت که انقلاب جدید در زمان محاسبه است.

ماشین های کلاسیک برای محاسبه

 

الگوریتم های مخصوص کامپیوترهای کوانتومی

هر تکنولوژی محاسباتی در اصل روی الگوریتم ها بنا می شود. درست است که ما به یک سیستم برای انجام محاسبات نیاز داریم، با این حال سیستم فیزیکی بدون طراحی الگوریتم بی استفاده است. نکته کامپیوترهای کوانتومی این است که برایشان الگوریتم هایی با بهره وری بسیار بالا اختراع شده. البته روی کاغذ می شود این الگوریتم ها را با برنامه نویسی در یک رایانه کلاسیک هم اجرا کرد. مشکل این جاست که چنین عملی کاملا برتری الگوریتم را از بین می برد و ویژگی اصلی آن یعنی سرعت بالا را کاملا محو می کند.

یکی از این الگوریتم ها، به نام مخترع آن شور (Shor) شناخته می شود. این الگوریتم مسئله فاکتور کردن یک عدد به عوامل اول آن را حل می کند. همان طور که می دانید اعداد اول به اعداد صحیحی گفته می شود که فقط بر یک و بر خودشان قابل تقسیم هستند. مثلا ۲و ۳و ۵و ۷و … . این دنباله بی نهایت ادامه پیدا می کند. فاکتور کردن یعنی پیدا کردن اعداد اولی که یک عدد بر آن ها بخش پذیر است. مثلا ۱۵ بر اعداد اول ۳ و ۵ بخش پذیر است. ما در محاسبات کلاسیک هم روش هایی برای حل مسئله بالا داریم. با این حال این روش ها سرعتی خیلی کم، در مقایسه با الگوریتم شور، دارند.

مسائل دیگری هم وجود دارند که الگوریتم های کوانتومی شان به روش های کلاسیک قبلی کاملا غالب شده اند. مثلا مسئله جست و جو در یک دیتابیس یا پیدا کردن جواب معادلات ریاضی که برای ماشین های کلاسیک خیلی سخت است.

انقلاب در رمزشکنی، خطر برای دنیای آینده

شاید شنیده باشید که خیلی از سیستم های رمزنگاری بر پایه اعداد اول بنا شده اند. هر چه قدر عدد اول بزرگتری استفاده شود، هک کردن آن سختتر است. اما یک اتفاق جالب رخ داده. همان طور که بالاتر گفتیم، کامپیوترهای کوانتومی با استفاده از الگوریتم شور،‌ در یافتن اعداد اول استاد واقعی هستند. اینجاست که زنگ خطر جدی برای امنیت اطلاعات و البته اموال دیجیتال ما به صدا می آید. فردی که در آینده با کامپیوتر کوانتومی تجهیز شده باشد،‌ می تواند به صورت قابل توجهی برای دیگر اعضای دنیای دیجیتال مشکل ایجاد کند.

ارتباط رمزنگاری و ارزهای دیجیتال

مثلا همین ارزهای دیجیتال را در نظر بگیرید. اول اینکه ما از کیف پول های خود با رمزگذاری محافظت می کنیم. خیلی از سایت های اینترنتی، نهادهای دولتی، بانک ها و امثالهم با این الگوریتم های توضیح داده شده مجهز شده اند. حالا فرض کنید که عصر کامپیوترهای کوانتومی آغاز شود. در این صورت دیگر نمی توان به روش های قدیمی اکتفا کرد. امروزه تلاش های زیادی می شود که الگوریتم های جدیدی که بر پایه اعداد اول کار نکنند برای رمزنگاری اختراع شوند. هر چند کامپیوترهای کوانتومی در خیلی مواقع ما را شگفت زده کرده اند.

رمزنگاری کوانتومی

 

مسئله دیگر هم راجع عملکرد خود ارز دیجیتال است. می دانیم که دلیل اصلی استخراج یا همان ماینیگ کریپتو، یک رمزگذاری روی تراکنش های شبکه بلاک چین است. البته در این مورد حرف ها و مطالب خیلی زیادی وجود دارد. اما اگر کامپیوترهای کوانتومی وارد دنیای امنیت سیستم های دیجیتال شوند، بعید نیست که شاهد انقلاب های بزرگی درشان باشیم. آن وقت است که تراکنش های مالی هم دچار دستخوش تغییرات می شوند.

جمع بندی

بالاتر توضیحات مختصری راجع اصول مکانیک کوانتومی و کاربرد آن ها در محاسبه و تولید کامپیوتر ها حرف زدیم. گفتیم که الگوریتم هایی بر مبنای این اصول طراحی شده اند که برای حل مسائل خاصی، خیلی بهتر از نمونه های کلاسیک عمل می کنند. بعد هم وارد آینده نگری این قضایا شدیم. مثلا میزان تاثیر شگرف رمزنگاری کوانتومی بر آینده اینترنت، امنیت دیجیتال و ارزهای دیجیتال. اینکه چه قدر به عصر کامپیوترهای کوانتومی نزدیک هستیم، هنوز مسئله مهمی است. این تکنولوژی به سرعت در حال پیشرفت بوده و انتظار می رود که در چند دهه آینده، شاهد تجاری سازی آن باشیم. با این حال هنوز راه درازی تا رسیدن به یک سطح قابل اعتنا برای کاربرد کامپیوترهای کوانتومی در زندگی دیجیتال روزمره باقی مانده است.

سوالات متداول راجع کامپیوترهای کوانتومی

کامپیوترهای کوانتومی چگونه عمل می کنند؟
مکانیک کوانتومی به عنوان بخشی از علم فیزیک یک توصیف ریاضی جدید از حالت ذرات کوچک مهیا کرده است. این توصیف ریاضی وقتی برای ساخت محاسبه گر ها استفاده می شود، به کامپیوترهای کوانتومی می رسد.

مهمترین برتری کامپیوترهای کوانتومی نسبت به ماشین های کلاسیک در چیست؟
این ابزار قادرند بر پایه اصول مکانیک کوانتومی یک رده از الگوریتم های خاص را به سریعترین حالت ممکن اجرا کنند، چیزی که از محدوده قدرت ماسین های کلاسیک خارج است.

کیوبیت چیست؟
در محاسبات کلاسیک از یک واحد داده ی صفر یا یک به عنوان یک بیت یاد می شود. مثال کوانتومی آن را کیوبیت یا همان qbit می نامند.

امتیاز دهید
اشتراک در
اطلاع دهید
0 نظرات
بازخوردهای درون خطی
نمایش تمام کامنت ها