محاسبات کوانتومی از راه رسیده است؛ ما باید برای تاثیر آن آماده شویم

از زمان توسعه ماشین حساب الکترونیکی در دهه 1960، زمینه محاسبات شاهد پیشرفت های چشمگیری بوده است. در زمینه پردازش اطلاعات، چند سال گذشته به ویژه انقلابی بوده است. فناوری آنچه را که قبلاً رویاهای علمی تخیلی تلقی می شد، به واقعیت تبدیل کرده است. تجهیزات توانمندسازی ما کوچکتر و متنوع تر شده اند و محاسبات کلاسیک به طور چشمگیری سریعتر و توانمندتر شده اند.

ما اکنون در حال حرکت به عصر داده جدیدی به نام محاسبات کوانتومی هستیم که با محاسبات کلاسیک متفاوت است. پیش بینی می شود که محاسبات کوانتومی با تأثیرگذاری بر زمینه های هوش مصنوعی و تجزیه و تحلیل داده ها، ما را با سرعت بیشتری به آینده سوق دهد. سرعت و قدرت محاسبات کوانتومی ما را قادر می سازد تا با برخی از دشوارترین مشکلاتی که بشر تا به حال با آن روبرو بوده است، مقابله کنیم.

محاسبات کوانتومی مربوط به حوزه مرموز فیزیک زیراتمی است که محاسبات را بر اساس حالات عدم قطعیت در سطح اتمی بنا می نهد. محاسبات کوانتومی از یک مفهوم اساسی فیزیک کوانتومی به نام "ابر موقعیت" استفاده می کند، که به این معنی است که یک موجود واحد می تواند به طور همزمان چندین حالت را اشغال کند. محاسبات کوانتومی توسط گارتنر به عنوان "استفاده از حالات کوانتومی اتمی برای ایجاد محاسبات" تعریف می شود. کیوبیت ها (بیت های کوانتومی) که می توانند تمام حالات قابل تصور را به طور همزمان ذخیره کنند، برای ذخیره داده ها استفاده می شوند. حتی زمانی که از نظر فیزیکی جدا شده باشند، اطلاعات ذخیره شده در یک کیوبیت می تواند بر داده های ذخیره شده در کیوبیت دیگر تأثیر بگذارد. این پدیده به عنوان درهم تنیدگی کوانتومی شناخته می شود.

به عبارت ساده تر، رایانه های کوانتومی به جای بیت های باینری معمولی یک و صفر، از بیت های کوانتومی یا کیوبیت ها برای ارتباطات دیجیتال استفاده می کنند. از آنجایی که اتم ها یک سیستم فیزیکی هستند که ممکن است به طور همزمان در حالت های 0 و 1 وجود داشته باشند، در رایانه های کوانتومی استفاده می شوند.

اکتشافات علمی در تحقیقات کوانتومی در طول چند سال گذشته به ویژه انقلابی بوده است و منجر به رایانه هایی بسیار سریعتر و دقیق تر شده است. واقعیت های فناوری جایگزین چیزهایی شده اند که زمانی فانتزی های علمی تخیلی در نظر گرفته می شدند.

به تازگی، اولین انتقال بی سیم یک الگوریتم کوانتومی بین دو پردازنده کوانتومی متمایز توسط گروهی از محققان در دانشگاه آکسفورد انجام شد. این دو هسته با استفاده از ماهیت منحصر به فرد خود، برای ایجاد یک کامپیوتر قدرتمند که می تواند مسائلی را حل کند که هیچ کدام به تنهایی نمی توانند، ترکیب شدند. محققان آکسفورد با استفاده از درهم تنیدگی کوانتومی، توانستند داده های اساسی را بین رایانه ها تقریباً فوراً منتقل کنند.

علاوه بر این، محاسبات کوانتومی به لطف پیشرفت‌های اخیر که ساخت آن را ساده‌تر و در مقیاس‌بندی مؤثرتر می‌کند، به طور فزاینده‌ای امکان‌پذیر می‌شود. دو روش اصلی برای محاسبات کوانتومی، مدل دروازه و بازپخت کوانتومی هستند. راه حل های کوانتومی کاربردی که از سیستم های بازپخت استفاده می کنند اکنون در حال استفاده هستند. و مدل های دروازه ممکن است بسیار سریعتر از آنچه در ابتدا پیش بینی شده بود، برسند. تنها در سال گذشته، پیشرفت های بسیار چشمگیری در هر دو مدل بازپخت و دروازه وجود داشته است:

مایکروسافت اخیراً جدول زمانی تحقق محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ را پیش برده است. پردازنده جدید Majorana 1 آن از ذراتی استفاده می کند که مخالف یکدیگر هستند. استفاده مایکروسافت بستگی به حرکت هماهنگ بسیاری از الکترون ها دارد، گویی که یک ذره واحد هستند. این روش کیوبیت ها را قادر می سازد تا به سرعت برای کاربردهای عملی مقیاس بندی شوند. دامنه بسیار زیاد است: یک تراشه این پتانسیل را دارد که از عملکرد ترکیبی تمام رایانه های فعلی پیشی بگیرد.

گوگل از استراتژی خود برای محاسبات کوانتومی رونمایی کرد و از Willow، جدیدترین تراشه کوانتومی خود با پیشرفت‌های مهم تصحیح خطا رونمایی کرد. Willow می تواند از کیوبیت های بیشتری برای افزایش مقیاس و کاهش خطاها استفاده کند. این توسعه توسط گوگل به عنوان یک پیشرفت بزرگ نامیده شد که قابلیت اطمینان سیستم های کوانتومی را افزایش می دهد. گوگل در ده سال گذشته در حال توسعه تراشه های کوانتومی بوده است. به گفته این شرکت، جدیدترین تراشه Willow آنقدر سریع است که می تواند محاسبه ای را در کمتر از پنج دقیقه به پایان برساند که یک ابررایانه درجه یک امروزی، مانند ابررایانه Frontier در تنسی، به 10 سپتیلیون سال نیاز دارد، از نظر فنی قدیمی تر از خود جهان.

Reimei، اولین ابررایانه کوانتومی هیبریدی در تاریخ، توسط مهندسان ژاپنی روشن شده است. ماشین کوانتومی 20 کیوبیتی در Fugaku، ششمین ابررایانه سریع جهان، ادغام شده است. کامپیوتر هیبریدی از معماری Quantinuum استفاده می کرد.

به منظور توسعه یک کامپیوتر کوانتومی مقاوم در برابر خطا، اینتل در حال برداشتن گام هایی برای ساخت پردازنده های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون مقیاس پذیر است، که راه را برای تولید انبوه و مقیاس بندی بیشتر پردازنده های کوانتومی مبتنی بر سیلیکون هموار می کند. آخرین کار اینتل بر سه حوزه کلیدی متمرکز است که برای توسعه محاسبات کوانتومی ضروری هستند: آزمایش با حجم بالا، قابلیت تکثیر و تراکم کیوبیت. کیوبیت های چرخشی سیلیکونی تولید شده توسط این شرکت کوچکتر و متراکم تر از نسخه های ابررسانا و یون های به دام افتاده هستند.

IBM اخیراً "IBM Quantum System Two" را ایجاد کرده است که به دلیل مراکز داده کوانتومی خود مشهور است. فناوری رایانه کوانتومی مدولار که IBM معرفی کرده است، مقیاس بندی و گسترش قابلیت های محاسبات کوانتومی را آسان تر می کند. IBM پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری عمده ای را در سیستم کوانتومی خود انجام داد. دانشمندان می گویند جدیدترین کامپیوتر کوانتومی این شرکت اکنون به اندازه کافی قدرتمند است که برای مطالعات علمی عملی استفاده شود. جدیدترین تراشه کوانتومی 156 کیوبیتی IBM می تواند 50 برابر سریعتر از نسخه قبلی خود اجرا شود.

پیشرفت بزرگی در محاسبات کوانتومی با کالیبراسیون و بنچمارک موفقیت آمیز پردازنده جدید 4400+ کیوبیتی Advantage2TM D-Wave Quantum حاصل شده است. این سیستم نسل ششم با توانایی حل مسائل 25000 برابر سریعتر و تولید نتایج پنج برابر بهتر برای کارهای با دقت بالا، از نظر عملکرد از سیستم AdvantageTM فعلی خود پیشی می گیرد. این پردازنده عملکرد چشمگیری در بهینه سازی، هوش مصنوعی و کاربردهای علم مواد نشان داد و در 99 درصد از آزمایش های مسئله رضایت پذیری از سیستم موجود بهتر عمل کرد.

Quantinuum اخیراً اولین رایانه کوانتومی 56 کیوبیتی یون به دام افتاده را راه اندازی کرده است. یک نقطه عطف مهم در اوایل سال گذشته به دست آمد که به تحمل خطا اجازه می دهد تا به آن دست یابد توسط سری H Quantinuum، که اولین شرکتی بود که به "سه 9" - 99.9٪ - وفاداری دروازه دو کیوبیتی در بین تمام جفت های کیوبیت در یک دستگاه تولیدی دست یافت. این توسعه وفاداری بالایی را برای پیشبرد زمینه الگوریتم‌های کوانتومی برای موارد استفاده صنعتی به طور گسترده و موارد استفاده مالی به ویژه فراهم می‌کند.

Quantum Computing Inc. یک تجارت راه حل های کوانتومی کامل را برای تسریع در ارائه سیستم های سخت افزاری برای پردازش اطلاعات کوانتومی ارائه می دهد که مزایای عملکرد تجزیه و تحلیل و امنیت سایبری را ارائه می دهد. مزیت محاسبات کوانتومی فوتونی این است که عملیاتی است و می تواند در دمای اتاق انجام شود زیرا ذرات پایدارتر هستند. QCI اخیراً اعلام کرد که در حال ساخت تراشه محاسباتی کوانتومی فوتونی خود در مقیاس بزرگ است.

Rigetti Computing از طریق پلتفرم "Forest" دسترسی ابری به سیستم های محاسبات کوانتومی خود را فراهم می کند و پردازنده های کیوبیتی ابررسانا را ایجاد می کند. Forest طوری ساخته شده است که برنامه هایی را فعال کند که از یک پردازنده کوانتومی برای ارائه قابلیت های جدید به نرم افزار سنتی استفاده می کنند، شبیه به اینکه چگونه یک کامپیوتر ممکن است کارت گرافیک داشته باشد. به گفته ریگتی، این معماری ترکیبی برای کاربردی کردن فناوری ضروری خواهد بود. برنامه نویسان می توانند الگوریتم های کوانتومی را روی پلتفرم ایجاد کنند تا یک دستگاه کوانتومی 36 کیوبیتی را شبیه سازی کنند.

IonQ نرم افزار و رایانه هایی را برای فناوری کوانتومی یون های به دام افتاده ایجاد می کند. کیوبیت های IonQ اتم های یونیزه شده عنصر خاکی کمیاب نقره ای رنگ ایتربیم هستند. در جهان، هر اتم ایتربیم با هر اتم ایتربیم دیگری یکسان است. آنها را می توان در یک حالت کوانتومی پایدار خاص ایجاد کرد و برای مدت طولانی در آنجا ماند.

در سال 2022، من این افتخار را داشتم که در کنفرانس "تجاری سازی کوانتومی" صحبت کنم، که توسط ویراستاران The Economist میزبانی شد و بر این موضوع متمرکز بود که چگونه کسب و کارها می توانند برای دنیای مدرن آماده شوند. پیام من این بود که ما باید آماده سرمایه گذاری باشیم تا اطمینان حاصل کنیم که قابلیت های کوانتومی برای امنیت ملی و توسعه اقتصادی تحت عناصر آینده فناوری های کوانتومی توسعه می یابند.

بسیاری اکنون بر این باورند که قدرت و سرعت محاسبات کوانتومی ما را قادر می سازد تا به بزرگترین و دشوارترین مشکلاتی که تمدن ما با آن روبرو است، رسیدگی کنیم. حل مسئله با سرعت پردازش بی سابقه و تجزیه و تحلیل پیش بینی کننده محاسبات کوانتومی امکان پذیر خواهد شد. این یک پتانسیل قابل توجه در کوتاه مدت است. پیش بینی های شرکت Mckinsey & Company نشان می دهد که فناوری های کوانتومی می توانند تا سال 2035 ارزش اقتصادی تا 2 تریلیون دلار در بازار ایجاد کنند.

اندازه گیری و سنجش کوانتومی یکی از زمینه هایی است که فناوری های کوانتومی قبلاً در آن ظاهر شده اند. دستگاه های ناوبری و تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) در حال حاضر از آن استفاده می کنند. حسگرهای کوانتومی تغییرات جزئی در زمان، گرانش، دما، فشار، چرخش، شتاب، فرکانس و میدان های مغناطیسی و الکتریکی را با استفاده از کمترین مقدار ماده و انرژی تشخیص و کمیت می کنند.

کوانتوم تأثیر مستقیمی بر بسیاری از زمینه های علمی، از جمله زیست شناسی، شیمی، فیزیک و ریاضیات خواهد داشت. کاربردهای صنعتی بر طیف گسترده ای از زمینه ها، از جمله مراقبت های بهداشتی، بانکداری، ارتباطات، تجارت، امنیت سایبری، انرژی و اکتشافات فضایی تأثیر خواهد گذاشت. به عبارت دیگر، هر بخشی که داده در آن یک جزء باشد.

به طور خاص، فناوری کوانتومی پتانسیل باورنکردنی برای تبدیل طیف گسترده ای از زمینه ها، از جمله علم مواد، لیزر، بیوتکنولوژی، ارتباطات، تعیین توالی ژنتیکی و تجزیه و تحلیل داده ها در زمان واقعی دارد. انتظار می رود که محاسبات کوانتومی از طریق تأثیرگذاری بر چشم انداز Metaverse و هوش مصنوعی، آینده را سرعت بخشد.

موفقیت محاسبات کوانتومی همسو با برتری کوانتومی نیز می تواند خطراتی را به همراه داشته باشد. ایالات متحده و سایر کشورها نگران این هستند که هکرها در حال حاضر داده ها را می دزدند تا بتوانند توسط رایانه های کوانتومی در عرض یک دهه هک شوند. همان قدرت پردازشی که امکان رمزگشایی یا حل سریع مشکلات پیچیده را فراهم می کند، می تواند برای به خطر انداختن امنیت سایبری نیز استفاده شود. این امر مستقیماً سیستم های مالی و سایر زیرساخت های حیاتی را تهدید می کند.

یک کامپیوتر سنتی برای شکستن رمزگذاری استاندارد RSA-2048 امروزی به یک میلیارد سال زمان نیاز دارد. اگر یک رایانه کوانتومی کاربردی داشته باشید، از نظر تئوری می تواند در کمتر از دو دقیقه شکسته شود.

رویدادی که محققان کوانتومی از آن به عنوان روز Q یاد می کنند، جایی است که رایانه های کوانتومی در مقیاس بزرگ می توانند از الگوریتم Shor برای شکستن تمام سیستم های کلید عمومی که از رمزنگاری مبتنی بر فاکتورسازی اعداد صحیح (و سایر) استفاده می کنند، استفاده کنند.

ما در مسیر نوظهور به عصر جدید محاسبات کوانتومی هستیم. و زودتر از آنچه فکر می کردیم به اشکال مختلف در حال رسیدن است. فناوری‌های کوانتومی ناگزیر با هوش مصنوعی ترکیب می‌شوند. پیامدهای آن همگرایی دگرگون کننده خواهد بود. ما اکنون باید به دلیل ماهیت بالقوه مخرب آنها، برای مزایا و خطرات نمایی فناوری های کوانتومی آماده شویم.

در زیر برخی از سازمان هایی وجود دارند که اطلاعات زیادی برای بررسی عمیق تر موضوعات کوانتومی دارند.

دانشگاه ها نیز بیشتر درگیر تحقیق و توسعه کوانتومی می شوند. در یک توسعه مهم، دانشمندان Chicago Quantum Exchange (CQE) در شبکه دانشگاه شیکاگو به عنوان یکی از اولین بسترهای آزمایشی در دسترس عموم برای فناوری امنیت کوانتومی به دانشگاه ها و صنعت باز خواهند شد. ماموریت CQE "هدایت ملت به سمت یک اقتصاد کوانتومی فراگیر و پایدار از طریق ارتباط دادن استعدادهای آکادمیک پیشرو، برترین امکانات علمی و یک پایگاه صنعتی متنوع است که شامل شرکت‌های Fortune 500، استارت‌آپ‌های کوانتومی و طیف گسترده‌ای از بخش‌های آماده برای پذیرش فناوری‌های کوانتومی می‌شود".

موسسه استراتژی کوانتومی یک شبکه بین المللی از متخصصان بین رشته ای با تخصص غنی و متنوع است که علاقه زیادی به فناوری های کوانتومی دارند. آنچه ما را متحد کرد، چشم انداز و انگیزه برای بررسی و پیشبرد درک کاربردهای عملی محاسبات کوانتومی در صنایع و کمک به پر کردن فضای سفید بین پتانسیل و عملی بودن بود.

همچنین، QSI Founder Brian Lenahan on LinkedIn را دنبال کنید. برایان صدای استراتژی برتر لینکدین، صدای برتر کوانتومی برای سال 2022، 2023 و 2024، نویسنده پرفروش 3x آمازون، آموزش دیده در MIT، مدیر اجرایی سابق، سخنران شناخته شده، مشاور و مربی در زمینه هوش مصنوعی و محاسبات کوانتومی است.

ائتلاف امنیت کوانتومی برای گرد هم آوردن دانشگاه ها، صنعت، محققان و نهادهای دولتی ایالات متحده برای شناسایی، تعریف، همکاری، مبنا، استانداردسازی و محافظت از کشورهای مستقل، جامعه و افراد در برابر تأثیرات گسترده محاسبات کوانتومی تشکیل شده است.

IEEE Quantum یک ابتکار IEEE Future Directions است که در سال 2019 راه اندازی شد و به عنوان انجمن پیشرو IEEE برای همه پروژه ها و فعالیت ها در مورد فناوری های کوانتومی عمل می کند. IEEE Quantum توسط رهبری و نمایندگی در سراسر جوامع و OU های IEEE پشتیبانی می شود. این ابتکار یک طرح پروژه برای رسیدگی به چشم انداز فعلی فناوری های کوانتومی، شناسایی چالش ها و فرصت ها، استفاده و همکاری با ابتکارات موجود، درگیر کردن جامعه کوانتومی در مقیاس بزرگ و حفظ ابتکار کوانتومی در بلندمدت تدوین کرده است.

من را در توییتر یا لینکدین دنبال کنید. وب سایت من را بررسی کنید.