کامپیوترهای کوانتومی چه کاربردی دارند؟

در یک کامپیوتر کلاسیک (یا معمولی)، اطلاعات به صورت بیت ذخیره می‌شوند. در یک کامپیوتر کوانتومی، آن را به صورت کوبیت (بیت کوانتومی) ذخیره می‌کند.

اصل اصلی محاسبات کوانتومی این است که می‌توان از ویژگی‌های کوانتومی برای نمایش و ساخت داده‌ها استفاده کرد و می‌توان مکانیزم‌های کوانتومی را برای انجام عملیات با این داده‌ها طراحی و ساخت.اگرچه محاسبات کوانتومی هنوز در مراحل ابتدایی خود است، آزمایشاتی انجام شده است که در آن عملیات محاسباتی کوانتومی بر روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها انجام شده است. رایانه‌های کوانتومی با رایانه‌های دیگر مانند رایانه‌های DNA و رایانه‌های سنتی مبتنی بر ترانزیستورها متفاوت هستند. بسیاری از آژانسهای تأمین بودجه دولت ملی و نظامی از تحقیقات محاسبات کوانتومی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی برای مقاصد امنیتی ملکی، مانند رمزنگاری پشتیبانی می‌کنند.

محاسبات کوانتومی

یک تراشه رایانه معمولی از بیت‌ها استفاده می‌کند. این‌ها مانند کلیدهای کوچک هستند که می‌توانند در حالت خاموش قرار بگیرند – که با صفر نشان داده شده است – یا در موقعیت خاموش – که توسط یکی از آنها نمایش داده می‌شود. هر برنامه‌ای که استفاده می‌کنید، وب سایتی که از آنها بازدید می‌کنید و از عکسی که می‌گیرید در نهایت از میلیون‌ها نفر از این بیت‌ها در برخی از ترکیب‌ها و صفر‌ها ساخته شده است.این برای بیشتر کارها بسیار عالی است، اما نحوه عملکرد جهان را نشان نمی‌دهد. در طبیعت، همه چیز فقط روشن یا خاموش نیست. آنها نامشخص هستند. و حتی بهترین ابر رایانه‌های ما نیز در برخورد با عدم اطمینان خیلی خوب نیستند. این یک مشکل است.در طول یک قرن گذشته، فیزیکدانان کشف کرده‌اند که وقتی به مقیاس واقعاً کوچک می‌روید، اتفاقات عجیب و غریب شروع می‌شود. آنها یک حوزه علمی کاملاً جدید را برای تلاش و توضیح آنها توسعه داده‌اند.

کامپیوترهای کوانتومی چگونه کار می‌کنند؟

به جای بیت، کامپیوترهای کوانتومی از کوبیت استفاده می‌کنند. به جای اینکه فقط روشن یا خاموش باشید، کابیت‌ها می‌توانند در آنچه که “ابرقابل” نامیده می‌شوند – باشند – جایی که در آن واحد هم خاموش و هم خاموش هستند یا جایی در طیف بین این دو قرار دارند.اگر از یک رایانه عادی بخواهید که راه خود را از پیچ و خم پیدا کند، هر شاخه‌ای را به نوبه خود امتحان می‌کند، همه آنها را به‌صورت جداگانه امتحان می‌کند تا اینکه یک مورد مناسب را پیدا کند. یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند به یکباره در هر مسیر پیچ و خم حرکت کند. کار دیگری که کوبیت‌ها می‌توانند انجام دهد، گرفتاری نامیده می‌شود. به طور معمول، اگر شما دو سکه را ضربه بزنید، نتیجه یک پرتاب سکه هیچ اثری در نتیجه دیگری ندارد. آنها مستقل هستند. در گرفتار شدن، دو ذره با هم پیوند دارند، حتی اگر از نظر جسمی از هم جدا باشند. اگر یکی سر بلند شود، دیگری سر نیز خواهد بود.

کامپیوترهای کوانتومی چه کاری می‌توانند انجام دهند؟

کامپیوترهای کوانتومی فقط به این معنی نیستند که کارها را سریعتر یا مؤثرتر انجام دهند. آنها به ما اجازه می‌دهند کارهایی را انجام دهیم که حتی به فکر ما هم خطور نمی‌کرد. چیزهایی که حتی بهترین ابر رایانه نیز قادر به انجام آن نیست.آنها این ظرفیت را دارند که به سرعت در توسعه هوش مصنوعی تسریع کنند.

قبلاً از آنها برای بهبود نرم افزار اتومبیل‌های رانندگی استفاده می‌کرد. آنها همچنین برای مدل‌سازی واکنش‌های شیمیایی بسیار حیاتی هستند.درحال‌حاضر، ابر رایانه‌ها می‌توانند ابتدایی‌ترین مولکول‌ها را تجزیه و تحلیل کنند. اما رایانه‌های کوانتومی با استفاده از همان خصوصیات کوانتومی همان مولکولی را که می‌خواهند شبیه‌سازی کنند، کار می‌کنند. آنها حتی نباید با پیچیده‌ترین واکنش‌ها مشکلی داشته باشند.این می‌تواند به معنای محصولات کارآمدتری باشد مانند مواد جدید باتری در اتومبیل‌های برقی، داروهای بهتر و ارزان تر یا پنل‌های خورشیدی بسیار پیشرفته. دانشمندان امیدوارند که شبیه سازی‌های کوانتومی حتی بتواند به درمانی برای آلزایمر کمک کند.

کوبیت (qubit)

محاسبات کوانتومی از کوبیت به عنوان واحد اصلی اطلاعات به جای بیت معمولی استفاده می‌کند. مشخصه اصلی این سیستم جایگزین این است که اجازه ترکیب منسجم آنها و صفر‌ها را می‌دهد، ارقام سیستم دودویی که در آن همه محاسبات می‌چرخد. از طرف دیگر، بیت‌ها فقط می‌توانند یک مقدار داشته باشند – یک یا صفر -.این جنبه از فناوری کوانتومی بدان معنی است که یک کوبیت می‌تواند هم صفر و هم در یک زمان و در نسبت‌های مختلف باشد. این تعدد حالت‌ها باعث می‌شود که یک کامپیوتر کوانتومی با تنها ۳۰ کوبیت انجام شود، به عنوان مثال، ۱۰ میلیارد عملیات نقطه شناور در هر ثانیه انجام شود، این رقمی در حدود ۵.۸ میلیارد دلار بیشتر از قدرتمندترین کنسول بازی‌های ویدئویی پلی استیشن در بازار است.

شرایط عملیاتی رایانه کوانتومی

این رایانه‌ها بسیار حساس هستند و برای عملکرد صحیح به فشار و دما و عایق بسیار خاص نیاز دارند. هنگامی که این ماشین‌ها با ذرات خارجی تداخل می‌کنند، خطاهای اندازه گیری و پاک شدن هم پوشانی‌های حالت رخ می‌دهد، به همین دلیل آنها مهر و موم شده و باید با استفاده از رایانه‌های معمولی اداره شوند. کامپیوترهای کوانتومی تقریباً نباید فشار اتمسفر، دمای محیطی نزدیک به صفر مطلق (-۲۷۳ درجه سانتیگراد) و عایق کاری از میدان مغناطیسی زمین داشته باشند تا از حرکت اتم‌ها، برخورد با یکدیگر یا تعامل با محیط جلوگیری کنند. علاوه بر این، این سیستم‌ها فقط در بازه‌های زمانی بسیار کوتاهی کار می‌کنند، به طوری که اطلاعات آسیب دیده و ذخیره نمی‌شوند و بازیابی داده‌ها را حتی سخت تر می‌کند. با توجه به این مطالب، شرایط نگهداری از آنها بسیار دشوار می‌باشد.

اختلافات بین محاسبات کمی و محاسباتی

محاسبات کوانتومی و سنتی دو جهان موازی با برخی شباهت‌ها و تفاوت‌های زیادی مانند استفاده از کوبیت‌ها به جای بیت است. بیایید به سه مورد از مهم‌ترین آنها نگاهی بیندازیم:

زبان برنامه نویسی – محاسبات کوانتومی کد برنامه نویسی خاص خود را ندارد و نیاز به توسعه و اجرای الگوریتم‌های بسیار خاص دارد. با این حال، محاسبات سنتی دارای زبانهای استاندارد مانند جاوا، SQL و پایتون است، اما نام آنها معدودی است.

عملکرد – رایانه‌های کوانتومی بر خلاف رایانه‌های شخصی (PC) برای استفاده گسترده و روزمره در نظر گرفته نشده‌اند. این ابر رایانه‌ها آنقدر پیچیده هستند که فقط در زمینه‌های شرکتی، علمی و فناوری قابل استفاده هستند.

معماری – رایانه‌های کوانتومی معماری ساده تری نسبت به رایانه‌های معمولی دارند و حافظه یا پردازنده ندارند. این تجهیزات صرفاً از مجموعه‌ای از qubits‌ها تشکیل شده است که باعث می‌شود آن کار کند.

آیا بیت کوین باید زیرساخت‌های خود را به روز کند تا در برابر کوانتوم مقاوم شود؟

در حالی که رایانه‌های کوانتومی درحال‌حاضر تهدیدی برای بیت کوین نیستند، قدیمی‌ترین رمزنگاری ممکن است در آینده به بروزرسانی نیاز داشته باشد.بیت کوین از دو طرح امنیتی استفاده می‌کند، عملکرد hashing مورد استفاده در ایجاد بلوک و الگوریتم ECDSA که برای امضاها استفاده می‌شود. حالت دوم در برابر خطرات ناشی از رایانه‌های کوانتومی آسیب پذیرتر است و ممکن است در آینده نیاز به یک لایه محافظت بیشتر داشته باشد.در سال ۲۰۱۷، آندریاس آنتونوپولوس اظهارکرد که وقتی روشن شود که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند منحنی بیضوی را بشکنند، باید برای بروزرسانی اساسی در بیت کوین آماده باشیم. با این وجود، منطقی خواهد بود که قبل از نشان دادن نخستین نشانه‌های تهدیدهای احتمالی، ارتقاء را در نظر بگیرید. مسیر تأیید طرح‌های امضای مبتنی بر هش XMSS و LMS جداگانه از درخواست عمومی NIST برای طرح‌های امضاء پس از کوانتومی است، که احتمالاً در سال‌های بعدی، احتمالاً سال ۲۰۲۲ یا بعد از آن، نتیجه نهایی خواهد گرفت.

چه الگوریتم‌های رمزنگاری توسط محاسبات کوانتومی تهدید می‌شوند؟

رایانه‌های کوانتومی قدرتمند ممکن است برای همه بلاکچین هایی که به ECDSA) الگوریتم امضای دیجیتال الگتیک منحنی) متکی هستند تهدید شوند. ECDSA در ساخت کلیدهای تحت سیستم رمزنگاری کلید عمومی که به منظور ثبت نام در معاملات در بیشتر بلاکچین‌ها استفاده می‌شود، به استاندارد طلا تبدیل شده است. این سیستم به ما امکان ایجاد یک کلید خصوصی تصادفی ۲۵۶ بیتی و کلید عمومی مشتق را می‌دهد که می‌توانیم با هر شخص ثالث به اشتراک بگذاریم. پس از آن به سختی می‌توان کلید خصوصی را ایجاد کرد که کلید عمومی را ایجاد می‌کند، اما کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند از الگوریتمی برای آشکار کردن رابطه ریاضی بین یک کلید عمومی و یک کلید خصوصی استفاده کنند و بدین ترتیب کلید خصوصی را آشکار و به خطر بیاندازند. این واقعیت که بیت کوین به جریان اصلی رفته و بسیاری از سرمایه‌گذاران نهادی را به خود جلب کرده است، باعث می‌شود تا نخستین نامزد در بین ارزهای دیجیتال در برابر هرگونه تهدید احتمالی از جمله رایانه‌های کوانتومی محافظت شود.

منبع :‌ آی ماینر