هر آنچه باید درباره برتری کوانتومی گوگل بدانید

هفته‌ی گذشته فایننشال‌تایمز گزارشی با موضوع برتری کوانتومی گوگل منتشر کرد. در آن مقاله ادعا شد گوگل پیش‌نویس مقاله‌ای مرتبط با رایانش کوانتومی را به‌صورت موقت در وب‌سایت ناسا منتشر کرده است. محققان در مقاله‌ی مذکور ادعا کرده بودند با کامپیوتر کوانتومی خود، قوی‌ترین ابرکامپیوتر موجود در جهان یعنی سامیت (Summit) شرکت IBM را شکست داده‌اند.

ادعای مذکور تعریف ساده‌ی برتری کوانتومی است. درواقع، برتری کوانتومی به موقعیتی گفته می‌شود که کامپیوتر کوانتومی در وظیفه‌ای مشخص، عملکرد بهتری از کامپیوتر سنتی از خود نشان دهد. طبق گزارش منتشرشده، کامپیوتر ۵۳ کیوبیتی گوگل یک وظیفه‌ی پردازشی را در سه دقیقه و ۲۰ ثانیه انجام داد؛ درحالی‌که ابرکامپیوتر سامیت برای انجام‌دادن وظیفه‌ی مذکور به ۱۰ هزار سال زمان نیاز داشت.

کارشناسان ابتدا دستیابی به برتری کوانتومی را برای پایان سال ۲۰۱۷ پیش‌بینی کرده بودند. به‌هرحال، گوگل با کامپیوتر ۷۲ کیوبیتی موسوم به Bristlecone نتوانست به این برتری دست یابد؛ چراکه کنترل آن قدرت پردازشی با دقت کافی ممکن نبود. به‌هرحال، کامپیوتر Sycamore با ۵۳ کیوبیت، موفق شد به برتری کوانتومی دست یابد.

مزیت‌های کامپیوتر کوانتومی

کامپیوتر کوانتومی برخلاف کامپیوترهای سنتی که برمبنای بیت‌های یک یا صفر کار می‌کنند، مفهوم کیوبیت را برای ذخیره‌سازی داده به‌کار می‌گیرد. هر کیوبیت یا بیت کوانتومی یک سیستم مکانیکی کوانتومی دوفازی است. این سیستم خصوصیت منحصربه‌فرد سوپرپوزیشن (برهم‌نهی) دارد که توانایی اتخاذ هم‌زمان حالت‌های صفر و یک را به آن می‌دهد. البته این فاز به‌محض اندازه‌گیری از بین می‌رود.

کامپیوترهای کوانتومی با سخت‌افزارهای دروازه‌ای مشابه کامپیوترهای کلاسیک ساخته می‌شوند. درواقع، در این سیستم‌ها نیز برای پیاده‌سازی توابع ریاضی از دروازه‌های NOT و AND استفاده می‌شود. خروجی‌‌های کوانتومی به‌صورت ذاتی احتمالی هستند؛ درنتیجه، برای افزایش دقت باید آن‌ها را بررسی و همچنین خطاها را نیز در خروجی‌ها اصلاح کرد. به‌علاوه، خاصیت سوپرپوزیشن به‌صورتی است که برای مشاهده‌ی کلی خروجی پردازش کوانتوم باید به‌نوعی آن را از بین برد.

سوپرپوزیشن و احتمال، کلیدهایی هستند که کامپیوتر کوانتومی را برای برخی وظایف ریاضی خاص کاربردی می‌کنند. با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، می‌توان میلیون‌ها حالت احتمالی را در زمان بسیار کوتاه پردازش کرد. از کاربردهای واقعی می‌توان به تجزیه‌ی اعداد بسیار بزرگ و محاسبه‌ی تبدیل فوریه و حل معادلات خطی اشاره کرد. به‌هرحال، کامپیوترهای کوانتومی در ذات خود برای مقاصد بسیار ویژه طراحی می‌شوند و درواقع، نمی‌توان آن‌ها را برای بسیاری از کاربردهای روزمره‌ی پردازش استفاده کرد.

تأثیر برتری کوانتومی بر امنیت

کامپیوترهای کوانتومی با تعریف و کارایی عجیب‌وغریب خود، کاربردهای جذابی در برخی از حوزه‌های پردازش دارند؛ خصوصا بخش‌هایی که به عملیات ریاضی پیچیده و تکراری نیاز داشته باشند، از مزیت‌های رایانش کوانتومی بهره خواهند برد. به‌عنوان مثال، مواردی همچون هواشناسی و مدل‌سازی فیزیکی و شیمیایی و رمزنگاری از حوزه‌های کاربردی رایانش کوانتومی هستند.

هواشناسی و مدل‌سازی فیزیکی و شیمیایی از کاربردهای رایانش کوانتومی هستند

کاربرد رمزنگاری کامپیوترهای کوانتومی اغلب مردم را می‌ترساند. کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند جایگشت‌های ریاضیاتی بسیار زیادی را در لحظه مرور کنند؛ درنتیجه، چنین رایانشی توانایی شکستن استانداردهای مرسوم رمزنگاری را در کسری از زمان در مقایسه با کامپیوترهای سنتی خواهد داشت. کامپیوتر کوانتومی در طول چند ساعت یا حداکثر چند روز، عملیات چندین‌ساله‌ی رمزگشایی را انجام می‌دهد؛ ازاین‌رو، احتمالا برای حفظ اطلاعات بسیار حساس، باید در آینده‌ی نزدیک به‌دنبال پروتکل‌های رمزنگاری جدید و پیچیده‌تر باشیم که درمقابل کامپیوترهای کوانتومی مقاوم باشند.

الگوریتم‌‌های رمزنگاری امروز در بازار رمزارزها هم کاربرد دارند و برای حفاظت از کیف‌پول‌ها و تأیید تراکنش‌ها استفاده می‌شوند. هنوز مشخص نیست آیا کامپیوتر گوگل توانایی شکستن الگوریتم‌های کنونی را دارد؟ به‌هرحال، ظرفیت رشد سریع رایانش کوانتومی احتمال شکسته‌شدن پروتکل‌ها را در سال‌های پیش‌ رو تقویت می‌کند.

خوشبختانه کامپیوترهای کوانتومی هنوز فاصله‌ی زیادی تا تجاری‌شدن دارند. آن‌ها هنوز در مرحله‌ی توسعه قرار دارند و بیشتر برای تحقیقات عملی و نه شکستن رمزهای امنیتی کاربران استفاده می‌شوند. درنهایت، استانداردهای رمزنگاری خواه‌ناخواه باید بهبود پیدا کنند تا از هرگونه سوءاستفاده در آینده جلوگیری شود.

بررسی ادعای برتری کوانتومی گوگل

اگرچه گوگل دسترسی به برتری کوانتومی را به‌عنوان دستاوردی بزرگ مطرح می‌کند، بسیاری از رقبا اعتقاد زیادی به موفقیت نهایی آن‌ها ندارند. همان‌طورکه گفته شد، برتری کوانتومی، یعنی کامپیوترهای کوانتومی از نمونه‌های سنتی قدرت و کارایی بیشتری داشته باشند؛ تعریفی که در ذات خود محل مشاجره است.

گوگل مسئله‌ای مناسب کامپیوترهای کوانتومی را در آزمایش وارد کرده است

داریو گیل، مدیر تحقیقات IBM واز فعالان جدی بازار رایانش کوانتومی، ادعای گوگل را از اساس اشتباه می‌داند. او تحقیق گوگل را تجربه‌ای آزمایشگاهی می‌خواند که از ابتدا و با هدف مشخص برای پیاده‌سازی روند کوانتومی طراحی شد و کاربرد واقعی ندارد. به‌ بیان دیگر، تحقیق گوگل روی حوزه‌ی بسیار محدودی از رایانش متمرکز بود که اطلاعات زیادی از ظرفیت‌های بیشتر کامپیوتر به‌دست نمی‌دهد.

چاد ریگتی، از مدیران اجرایی سابق IBM، درمقابل اظهارنظر پیشین می‌گوید خبر جدید لحظه‌ای مهم و تاریخی برای بشر و علم محسوب می‌شود. دنیل لیدار، استاد مهندسی دانشگاه کالیفرنیای‌جنوبی، هم به اهمیت دستاورد گوگل اذعان می‌کند. گوگل در فرایند آزمایش خود تداخل کیوبیت (crosstalk) را کاهش داد که درنتیجه، نرخ خطای کامپیوتر را در مقایسه با رقبا به‌میزان چشمگیری کاهش می‌دهد. همین رویکرد صرف‌نظر از کاربردی‌بودن دستاورد، قدم رو به جلو مهمی در رایانش کوانتومی محسوب می‌شود.

پیامد موفقیت گوگل در آزمایش اخیر و دستیابی به نرخ خطای کمتر، در مرحله‌ی اول به‌صورت توانایی آن‌ها در افزایش ابعاد کامپیوترهای کوانتومی دیده می‌شود. کیوبیت‌های بیشتر با نرخ خطای کمتر به‌معنای افزایش قدرت پردازش کامپیوترهای کوانتومی خواهد بود که آن‌ها را برای حل مسائل بسیار پیچیده آماده می‌کند. درنهایت، فعالیت‌های بیشتری هم باید در آینده در بخش قابلیت برنامه‌ریزی کامپیوترها انجام شود.

درپایان، فراموش نکنید کامپیوترهای کوانتومی برای برخی وظایف محدود مناسب هستند؛ چراکه هزینه‌ی ساخت و به‌کارگیری و برنامه‌نویسی آن‌ها بسیار زیاد است. پیچیدگی اینچنینی، یعنی رایانش کوانتومی احتمالا تنها در وظایف بسیار خاص کاربرد خواهد داشت؛ البته هیچ‌یک از این موارد، باعث کاهش اهمیت برتری کوانتومی گوگل نمی‌شوند. ناگفته نماند با توجه به خبر منتشر شده، امروز می‌دانیم کامپیوترهای کوانتومی بیش از همیشه به واقعیت نزدیک شده‌اند.