تفاوت بیت کوین با کوانتوم

یکی از مواردی که به طور گسترده مورد بحث قرار می گیرد استفاده از الگوریتم معروف Shor برای تجزیه فاکتور (عامل) است که به طور بالقوه بسیاری از تکنیک های رمزگذاری معاصر را منسوخ می کند.

محققان انگلیسی: بیت کوین با رایانه های کوانتومی بسیار قدرتمند، هک می شود!

به گزارش ایندیپندنت، مارک وبر، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه ساسکس، استدلال می‌کند که شکستن رمزگذاری بیت‌کوین با ابررایانه‌های مربوط به آینده امکان‌پذیر است. در حال حاضر، این ارز دیجیتال پرچم‌دار کاملاً ایمن است. دستگاه‌های موجود تا رسیدن به‌اندازه موردنیاز برای هک بیت کوین، فاصله زیادی دارند. کامپیوترهای کوانتومی به‌جای بیت از کیوبیت ها استفاده می‌کنند که به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بی‌نهایت داده‌های بیشتری را در مقایسه با کامپیوترهای معمولی پردازش کنند. در ماه نوامبر، غول فناوری ایالات‌متحده، IBM، از یک تراشه محاسباتی کوانتومی ۱۲۷ کیوبیتی رونمایی کرد که برای اولین بار مانع ۱۰۰ کیوبیتی را شکست. وبر و همکارش تخمین می‌زنند که یک کامپیوتر کوانتومی باید حداقل ۱۳ میلیون کیوبیت داشته باشد تا بتواند رمزگذاری بیت کوین را در یک روز بشکند. قابل‌ذکر است، محققان بر این باورند که ۳۰۰ میلیون کیوبیت برای کامپیوترهای کوانتومی در آینده قابل‌دستیابی خواهد بود که تهدیدی برای بزرگ‌ترین ارز دیجیتال می‌باشد. نیاز تخمینی ما از ۳۰ میلیون‌تا ۳۰۰ میلیون کیوبیت فیزیکی نشان می‌دهد که بیت‌کوین در حال حاضر باید در برابر حمله کوانتومی ایمن در نظر گرفته شود، اما دستگاه‌هایی با این اندازه عموماً قابل‌دستیابی هستند و پیشرفت‌های آینده ممکن است این نیازها را کاهش دهد. وبر معتقد است که بیت کوین به‌طور بالقوه می‌تواند یک هارد فورک را انجام دهد تا در برابر کوانتوم مقاوم شود و مشکل ابررایانه خود را در آینده برطرف کند، اما او همچنین درباره مشکلات مقیاس شبکه نیز هشدار می دهد. این محقق متقاعد شده است که فن‌های رمزگذاری موجود به‌اندازه کافی امن نیستند: مردم در حال حاضر نگران هستند؛ زیرا می‌توانید پیام‌های رمزگذاری شده را اکنون ذخیره کنید و در آینده آن‌ها را رمزگشایی کنید. بیت کوین از الگوریتم هش SHA256 استفاده می‌کند که توسط آژانس امنیت ملی ایجادشده است. بیت کوین که اوایل ژانویه امسال، ۱۳ ساله شد، در تمام این سال‌ها به طرز باورنکردنی انعطاف‌پذیر بوده است. دن کامینسکی، کارشناس امنیتی، اعتراف کرد که در سال ۲۰۱۳ نتوانسته بیت کوین را هک کند.

یکی از نقاط قوت اصلی فناوری بلاکچین و اپلیکیشن‌های مبتنی بر بلاکچین این است که دفاتر (Ledgers) کل توزیع شده امن، تحت شرایط عادی غیر قابل شکست هستند و این خود باعث برتری تکنولوژی محاسباتی می‌شود. با این وجود، اعتبار آن به شدت به فرضیه “وضعیت تکنولوژی” وابسته است.

اگر یک تغییر پارادایمی (الگویی) در وضعیت محاسباتی صورت بگیرد، سیستم‌های کنونی مبتنی بر بلاکچین، ممکن است به تهدیداتی که در طراحی آنها شکل گرفته یا بهتر بگوییم، نهفته است، آسیب پذیر و شکننده باشند. اما از به وقوع پیوستن این اتفاق ما چقدر دور یا نزدیک هستیم؟

گام های عملی که فیزیکدانان در سه دهه گذشته برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی انجام داده اند، می تواند به زودی به چنین تغییراتی کمک کند. به عنوان یک نقطه عطف به نام “برتری کوانتومی”، یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند یک کامپیوتر سنتی را در انجام یک کار خاص به راحتی مغلوب نماید، بر همین اساس این سوال که آیا دستگاه‌های مبتنی بر پردازش کوانتوم در آینده قادر به شکست دادن و از بین بردن بلاکچین هستند یا نه، هر روز درکانون توجهات است.تفاوت بیت کوین با کوانتوم

آغازی در محاسبات کوانتومی

یک کامپیوتر کوانتومی، دستگاهی است که از اصول مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات استفاده می‌کند. برای ذخیره و دستکاری اطلاعات، رایانه‌های معمولی از واحدهای باینری به نام بیت استفاده می‌کنند که می تواند یکی از دو حالت ممکن را نشان دهد:

0 یا 1. ماشین‌های کوانتومی بر بیت‌های کوانتومی که به آنها کیوبیت (Qubit) گفته می‌شود تکیه می‌کنند، کیوبیت‌ها می‌تواند همزمان صفر و یک باشند. این پدیده که “برهم نهی” (Superposition) نامیده می شود، اجازه می دهد تا چنین دستگاه‌هایی انجام وظایف خاص را بسیار سریع تر از همتایان مبتنی بر بیت خود انجام دهند.

یکی دیگر از اصطلاحات بنیادی در نظریه کوانتوم، پیچیدگی (Entanglement) است. هنگامی که دو ذره درهم می آیند یا پیچیده می‌شوند، آنها در همان حالت کوانتومی که بودند باقی می‌مانند، مهم نیست که چقدر فاصله در فضای فیزیکی وجود دارد، آنها خود را به حالت کوانتومی تغییر می‌دهند.

در این حالت، کیوبیت‌هایی که جفت شده‌اند باعث رشد نمایی (exponential) در قدرت محاسباتی رایانه کوانتومی می‌شود. رسیدن به حالت برهم نهی که برای انجام محاسبات کوانتومی لازم است، به سختی انجام می‌گیرد. فیزیکدانان از پرتوهای لیزری و امواج مایکرو ویو برای قرار دادن کیوبیت‌ها در این حالت استفاده می کنند و سپس از تکنیک‌هایی برای حفظ آن بهره می‌برند که آنها را از کوچکترین نوسانات دمایی، نویز و امواج الکترومغناطیسی در امان نگه می‌دارد.

کامپیوترهای کوانتومی کنونی به علت شکنندگی شرایط کاری بسیار مستعد خطا (Error-prone) هستند، که البته با روشی به نام (Decoherence) قبل از شروع هر عملیات کوانتومی، آنها را از خطا پاک می‌کنند. قدرت محاسباتی کوانتومی یک ماشین کوانتومی با تعداد کیوبیت‌هایی که همزمان می‌توانند نفوذ کنند، سنجیده می‌شوند. با شروع و دستیابی به دو کیوبیت کوچک که در اواخر دهه 1990 کشف شد، امروزه قدرتمندترین کامپیوتر کوانتومی که توسط Google اداره می شود، می تواند از 72 کیوبیت استفاده کند!

کامپیوترهای کوانتومی و بلاکچین

با فراگیر شدن و پذیرفته شدن موضوع بلاکچین، ایده عدم تغییرپذیری و غیرقابل انطباق بودن بلاکچین‌ها به طور گسترده پذیرفته شده است: اعتقاد عمومی به دارایی‌های دیجیتال (Digital assets)، ترویج پذیرش و تطابق پذیری با آنها.

با این حال، ظهور محاسبات کوانتومی به طور بالقوه می تواند یکپارچگی کلید عمومی رمزنگاری شده (public-key cryptography) که در اصل ستون اصلی امنیت بلاکچین است را به خطر بیندازد. در حالی که طیف برنامه های کاربردی بالقوه کامپیوترهای کوانتومی گسترده است، یکی از مهم ترین موضوعات در حوزه بلاکچین و رمزنگاری به طور کلی، توانایی اجرای الگوریتم های خاص بسیار سریعتر از هر سوپر کامپیوتری می‌باشد.

یکی از مواردی که به طور گسترده مورد بحث قرار می گیرد استفاده از الگوریتم معروف Shor برای تجزیه فاکتور (عامل) است که به طور بالقوه بسیاری از تکنیک های رمزگذاری معاصر را منسوخ می کند.

گروهی از محققان مرکز کوانتوم روسیه در مقاله مجله Nature عنوان کردند، یک خطر بالقوه در امنیت بلاکچین این است که امنیت آن، به توابع یک طرفه ریاضی به شدت وابسته است که در عمل به راحتی اجرا می‌شوند ولی روش معکوس آن به سختی امکان‌پذیر است. چنین توابعی برای هر دو مورد تولید امضاهای دیجیتال و اعتبار سنجی معاملات در Ledger ها (دفاتر توزیع شده) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

یک جنایتکار مجهز به یک دستگاه کوانتومی کاربردی قادر به انجام محاسبات معکوس بسیار سریعتر خواهد بود، که این امر آن را قادر می‌سازد تا بتواند امضا و هویت افراد را جعل کنند و به دارایی‌های دیجیتال آنها دسترسی پیدا کنند. همچنین در فرایند ماینینگ، یک فرد خرابکار می‌تواند فرایند به روز رسانی دفاتر کل توزیع شده را مختل کند، تاریخچه معاملات را تغییر دهد و حتی میتواند سکه (Coin) ها را دوباره خرج کند!

محققان روسی پیشنهاد کردند که معماران سیستم های رمزنگاری شده باید فورا اقدامات احتیاطی علیه این تهدید را آغاز کنند. یکی از راه حل‌هایی که می‌تواند جایگزین امضاهای دیجیتال معمولی با رمزنگاری مقاومتی کوانتومی (quantum-resistant cryptography) باشد، نوع الگوریتم‌های امنیتی است که به طور خاص برای مقاومت در برابر حملات یک کامپیوتر کوانتومی قدرتمند طراحی شده اند.

همچنین فیزیکدانان روس، یک راه حل دیگر را استفاده از اینترنت کوانتومی می‌دانند، هرچند که هنوز دهه ها برای دستیابی به آن فاصله داریم. این معماری در واقع آینده‌ی شبکه‌های ارتباطی بی‌سیم خواهد بود که براساس اتصال بین ذرات کوانتومی درهم آمیخته شده از راه دور عمل می‌کند و یک مدل جدید از ساختارهای بلاکچینی و اینترنت اشیا ارائه می‌دهد.

این در حالی است که دل راجان (Del Rajan) و مت ویسر (Matt Visser) از دانشگاه ویکتوریا نیوزیلند ایده‌هایی مشابه اینترنت کوانتومی منتشر کرده‌اند، ایده ای که عقل از هوش می‌برد! آنها پیشنهاد کردند که استفاده از رمزنگاری کوانتومی را کنار بگذارند و به طور مستقیم به ایجاد یک سیستم مبتنی بر سیستم کوانتومی بپردازند!

مدل آنها یک شبکه بلاکچین را بر اساس کیوبیت‌هایی که نه تنها در فضا، بلکه در زمان نیز درهم پیچیده‌ شده اند، تشریح میکند. تلاش برای تغییر رکورد معاملات به طور پیش فرض، که توسط ذرات در طول تاریخ کدگذاری شده اند، بدون از بین بردن کامل ذرات امکان پذیر نیست. با این وجود، تحقق این مدل بلاکچینی جدید تا زمانی که هنوز اینترنت کوانتومی به واقعیت نزدیک نشده، دور از تصور است.

وزن کشی شرکت کنندگان

راه حل‌های آینده نگری که توسط محققان دانشگاهی پیشنهاد می‌شود، نیازمند چندین سال زمان است تا بتوانیم بصورت عملیاتی از آن‌ها استفاده کنیم. با این وجود تحقیقات زیادی در محاسبات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی در حال حاضر اتفاق می افتد.

طی مصاحبه‌ای که اخیرا متخصصان محاسبات کوانتومی با کوین تلگراف (Cointelegraph) انجام داده‌اند، اظهار داشتند که خطر محاسبات کوانتومی بسیار نزدیک است و در این خصوص نظرات متفاوتی ارائه دادند. یانیو التشولر (Yaniv Altshuler، یک محقق در دانشگاه MIT, مدیر عامل و یکی از بنیانگذاران پلتفرم تجزیه و تحلیل Endor در مصاحبه با کوین تلگراف گفت:

“کامپیوترهای کوانتومی درحال قوی شدن هستند و رشدی سریعترتر از حد انتظار دارند. با این حال، قابلیت های آنها، فناوری بلاکچین را شکست نمی‌دهد. هر ساله هنگامی که سخت افزار جدید منتشر می شود، نگرانی ها درباره ی یکپارچگی بلاکچین مورد توجه قرار می‌گیرد، اما شواهدی مبنی بر این که محاسبات کوانتومی می‌تواند فناوری بلاکچین را به خطر بیاندازد وجود ندارد.”

استوارت الن (Stewart Allen) معاون عملیات شرکت محاسبات کوانتوم IonQ، بر این باور است که تا زمانیکه محاسبات کوانتومی به حدی قدرتمند شوند که یکپارچگی بلاکچین‌های امروزی را به خطر بیندازند، سیستم‌های امنیتی نیز به همان سمت الگوریتم‌های کوانتومی حرکت می‌کنند:

” خطری از سمت کامپیوترهای کوانتومی که بتواند رمزنگاری بلاکچین را در کوتاه مدت بشکنند، وجود ندارد. اگر روزی این اتفاق بیافتد، رمزنگاری به الگوریتم‌های کوانتومی مقاوم تر تبدیل خواهد شد. ما حداقل یک دهه از کامپیوترهای کوانتومی که قادر به شکستن رمزنگاری بلاکچین باشند دورهستیم.”

اما برخی دیگر چنین دیدگاه خوش بینانه ای ندارند. نوربرت گوفا (Norbert Goffa) مدیر اجرایی ILCoin نظر خود را در مورد ظهور بالقوه استخرهای استخراج (mining pool) کوانتومی اینگونه بیان می‌کند: “اگر کسی یک استخر استخراج کوانتومی داشته باشد خیلی راحت میتواند دیگران را به سلطه خود درآورد و در حال حاضر ما چنین استخر استخراجی در اختیار نداریم. از سوی دیگر، بسیاری از شرکت ها بر روی فناوری محاسبات مبتنی بر کوانتوم کار می کنند. ما معتقدیم که در پنج سال آینده چنین استخرج استخراجی ایجاد می‌شود. شاید هم در مدت زمان کوتاه تری، چه کسی می داند؟”

راکش راماچاندران (Rakesh Ramachandran) مدیر جرایی و بنیانگذار مجموعه QBRICS تاکید کرد که محاسبات کوانتومی تقریبا در هر حوزه ای که رمزنگاری استفاده می شود، تاثیری چشمگیر خواهد داشت. به گفته او، فن‌آوری بلاکچین ممکن است با یک تغییر سیستماتیک مواجه شود. یعنی کامپیوترهای کوانتومی، نه تنها رمزنگاری مبتنی بر بلاکچین را بازنویسی می‌کنند، بلکه هر جا که کاربرد رمزنگاری وجود دارد از جمله موارد ساده مانند پلتفرم‌های بانکی آنلاین را هم دستخوش تغییر قرار می‌دهند.

به تازگی یک تحقیق قابل توجه و کاربردی برای کاهش اثرات و حرکت به رمزنگاری کوانتومی مقاوم یا رمزنگاری پسا کوانتومی انجام شده است. این تحقیق نشان می‌دهد که چالش بلاکچین فقط در مورد تهدیدی نیست که کامپیوترهای کوانتومی مطرح می‌کنند، بلکه این بحث که چگونه بلاکچین به رمزنگاری جدید مهاجرت می‌کند نیز مطرح است.

تقریبا تمامی کارشناسان، از خطری که در طی 10 تا 15 سال آینده توسط محاسبات کوانتومی برای بلاکچین و ارزهای دیجیتال ایجاد می‌شود، پیش‌بینی‌های مشابهی ارائه ‌می‌کنند. آنها در دستورالعمل های خود برای مقابله با حملات بالقوه کوانتومی نیز نسبتا ثابت قدم بوده اند. اکثر کارشناسان موافقند که تغییر تدریجی رمزنگاری کوانتومی مقاوم و همچنین ایجاد تفاوت بیت کوین با کوانتوم زیرساخت هایی که از آن حمایت می کنند، ضروری است. بلاکچین باید تکامل یابد، اما بعید است که فناوری محاسبات کوانتومی اساسا تهدیدی برای آن باشد.

محاسبات کوانتومی و کامپیوتر کوانتومی چیست؟

با مطالعه این مقاله مقدار اندکی با دنیای شگفت انگیز و جذاب محاسبات کوانتومی آشنا می‌شوید. همچنین با کامپیوترهایی آشنا می‌شوید که منطبق بر قوانین فیزیک کوانتومی عمل می‌کنند.

شنبه, 17 اردیبهشت 1401 14:53

یکی از شگفت‌انگیزترین ساخته‌های بشر در قرن 21، کامپیوترهای کوانتومی بودند، که قوانین پایه‌ای آن‌ها براساس فیزیک کوانتومی است. در ادامه قصد داریم بیشتر با این نوع از کامپیوترها و به طور کلی محاسبات کوانتومی آشنا شویم.

با پیشرفت علم و کوچک‌تر شدن اندازه پردازنده‌ها به مرور سایز پردازنده مورد استفاده در تلفن‌های همراه به اندازه‌ای برابر ۷ نانومتر رسید و مرور شاهد رواج و استفاده از پردازنده‌های 5 نانومتری نیز خواهیم بود. این پردازنده‌ها علاوه‌بر سایز کوچکی که دارند، از پردازنده‌های سطح بالایی که در دهه 2000 میلادی روانه بازار شده‌اند نیز قوی‌تر هستند. این تغییر سایز شگفت‌انگیز فقط محدود به پردازنده‌های موبایل نمی‌شود بلکه پردازنده‌های دسکتاپ و سرور نیز در اندازه 10 و ۷ نانومتری در بازار موجود است.

با این‌که پردازنده‌های محاسباتی در کارایی و سرعت پیشرفت چشم‌گیری کردند، هنوز هم مسائلی وجود دارد که هیچ‌ سوپر تفاوت بیت کوین با کوانتوم کامپیوتری نمی‌تواند آن را حل کند. علاوه‌بر وجود این مسائل پیچیده، مشکل دیگری که در روند توسعه و ساخت تراشه‌ها ممکن است با آن رو به رو شویم، کوچک شدن ابعاد آن‌ها است. زمانی که اندازه این تراشه‌ها به قدری کوچک می‌شود که ساختار آن‌ها به زیر 10 نانومتر می‌رسد، ابعاد ترانزیستورها نزدیک به ابعاد اتمی شده و قوانین فیزیک کوانتومی در آن‌ها نمود پیدا می‌کند و قواعد محاسباتی تغییر می‌کند. برای نمونه در این ابعاد جدید ممکن است یک الکترون‌ از یک ترانزیستور به ترانزیستور دیگری برود، این پدیده‌ای است که اتفاق افتادن آن برای یک تراشه محاسباتی، اتفاق عادی و نرمالی نیست.

به مرور، این چالش‌ به یک فرصت‌، برای فیزیکدانان تبدیل شد. برای حل این مشکل فیزیکدانان راه حلی برای آن پیشنهاد دادند که در دنیای فیزیک کوانتومی و قوانین آن قابل توجیه است. ما قصد داریم در این مطلب به توضیح مختصری در مورد محاسبات و کامپیوترهای کوانتومی بپردازیم.

محاسبات رایج یا محاسبات باینری

تا به حال این سوال برایتان پیش آمده است که کارهایی که به طور معمول با رایانه یا گوشی همراه خود انجام می‌دهید، به چه صورت توسط پردازنده مرکزی (CPU) دستگاه مورد نظر شما تجزیه و تحلیل و در نهایت انجام می‌شود؟

تمام کاری که در کامپیوترهای متعارف انجام می‌شود برپایه اعداد (۰ و ۱) است و به عبارتی محاسبات آن‌ها از نوع باینری است و برپایه صفر یعنی نبودن و یک یعنی بودن عمل می‌کنند. این کامپیوترها اعداد گفته شده را در حافظه خود ذخیره کرده و با انجام عملیات ساده ریاضی روی آن‌ها عمل پردازش را انجام می‌دهند. عمل ذخیره‌سازی و پردازش در این کامپیوترها توسط سوییچ‌هایی به نام ترانزیستور انجام می‌گیرد. خود این ترانزیستورها را می‌توان یک نمونه‌ی میکروسکوپی و بسیار کوچک کلیدهایی که برای خاموش و روشن کردن چراغ‌ها استفاده می‌کنند، فرض کرد. در حقیقت یک ترانزیستور یا روشن است یا خاموش دقیقا مثل یک چراغ. از ترانزیستور روشن برای ذخیره یک (۱) و از ترانزیستور خاموش بودن برای ذخیره صفر (۰) استفاده می‌شود.

اما همه چیز به همین سادگی هم نیست، برای ذخیره هر عدد، نماد ویا هر حرفی یک رشته‌ طولانی از این صفر و یک‌ها استفاده می‌شود. مثالا در قواعد مربوط به کد اسکی (ASCII) برای نمایش حرف A رشته 1000001 و برای نمایش حرف a از رشته 01100001 استفاده می‌شود. به هر یک از ۰ و ۱ها یک رقم باینری یا بیت می‌گویند با در نظر گرفتن این موضوع پس می‌توان نتیجه گرفت به کمک یک رشته‌ی ۸ بیتی می‌توان ۲۵۵ کاراکتر مختلف را ذخیره کرد. لازم به ذکر است به هر 8 بیت به اصطلاح ۱ بایت گفته می‌شود.

در این کامپیوتر‌ها کار محاسبات و پردازش روی بیت‌ها به کمک مدارهای منطقی (Logic Gates) انجام می‌شود، خود این مدارهای منطقی هر یک از تعدادی ترانزیستور ساخته شده‌اند. به طور خلاصه می‌توان گفت کاری که در یک گیت منطقی انجام می‌شود این است که حالت یک بیت را تشخیص داده و در یک حافظه‌ی موقت که به آن رجیستر می‌گویند ذخیره می‌کند. سپس آن‌ را به یک حالت جدید تبدیل می‌کند. این تبدیل حالت در واقع همان عمل جمع، تفریق یا ضربی است که ما در ذهن خود انتظار داریم انجام شود. یک الگوریتم به صورت فیزیکی، در واقع از چندین گیت منطقی تشکیل شده‌است که باهم یک مدار الکترونیکی را ایجاد کرده‌‌اند.

در ابتدا نیز اشاره شد که، روند کوچک‌ شدن حجم ترانزیستورها به مشکل برخورد و کوچک‌تر شدن آن‌ها در ابعاد زیر 10 نانومتر مشکلاتی به همراه داشت. در سال 1947 یعنی قبل از به وجود آمدن ترانزیستورها، کار این قطعات را سوییچ‌ها انجام می‌دادند. این سوییچ‌ها‌ لامپ‌ خلأهایی بودند که اندازه بزرگی داشتند و فضای زیادی اشغال می‌کردند. با به وجود آمدن این ترانزیستورها و روند پیشرفت روز به روز آن‌ها امروزه کوچک‌تر شدن ابعاد آن‌ها، در کنار پیشرفت کارایی، می‌توان گفت روی یک تراشه پیشرفته با اندازه‌ای برابر با ناخن دست، میلیاردها ترانزیستور وجود دارد. در دهه 1960، گوردن مور که یکی از بنیانگذران شرکت بزرگ اینتل (Intel) است قانون مور(Moore’s law) را بیان کرد. طبق این قانون که یک قانون تجربی بود، می‌توان گفت به طور متوسط هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورها بر روی یک تراشه با مساحت ثابت، دو برابر می‌شود.

از دهه 1960 که قانون مور مطرح شد تا به امروز تعداد ترانزیستورها افزایش یافته و افزایش حافظه و بیشتر شدن سرعت محاسبات را برای کامپیوترها، به دنبال داشته است. پیشرفت کامپیوترها توانایی حل بعضی از مسائل پیچیده را به آن‌ها داده است. اما با تمام این تفاسیر هنوز هم مسائلی مطرح است که حتی سوپرکامپیوترها هم قدرت و توانایی حل آن‌ها را ندارند.

باتوجه به این که در سال‌های اخیر کمتر شدن تفاوت بیت کوین با کوانتوم اندازه ترانزیستورها از 10 نانومتر به بعد با مشکلاتی مواجه شد و سرعت تولید آن و پیشرفت‌ آن کندتر شد، می‌توان گفت قانون مور اعتبار خود را از دست داده‌است. در کنار راهکارهای کلاسیکی که برای رفع مشکلات به وجود آمده مطرح کردند، رویکردی عنوان شد که منطبق بر قوانین فیزیک کوانتومی و محاسبات کوانتومی بود.

محاسبات کوانتومی

بین اتم‌ها و ذرات زیر اتمی قوانینی حاکم است. مطالعه قوانین موجود در این دنیای میکروسکوپی، پایه و اساس علم فیزیک کوانتوم است. دلیل به وجود آمدن این علم و قوانین جدیدش این است که وقتی دنیای مطالعه و بررسی در نظریات فیزیک آن قدر کوچک می‌شود که به مقیاس‌های اتمی می‌رسیم، قوانین فیزیک کلاسیک دیگر کارایی نداشته و نیاز است تا قوانین جدیدی را برای آن‌ها در نظر بگیریم.

به طور مثال، در کتاب‌های اپتیک تعریفی از نور آمده‌است که آن را به دو بخش موج و ذره تقسیم می‌کند. در حقیقت این تعریف برای نور می‌گوید علاوه بر این‌که نور همان طور که می‌دانیم بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است، آن را یک ذره فوتون نیز می‌توان دانست. سوالی که اکنون ممکن است پیش آید این است که یک چیز واحد مگر می‌تواند دو موجودیت داشته باشد؟! در دنیای کوانتوم و مطابق قوانین حاکم بر آن چنین مواردی ممکن است. به طور مثال علاوه بر بحث دوگانگی موج – ذره برای نور، گربه شرودینگر یکی از مثال‌های معروف دنیای فیزیک کوانتوم است. در این مثال فرض می‌شود گربه‌ای در جعبه‌ای قرار دارد، که در هر لحظه در آن واحد هم ‌می‌تواند زنده باشد و هم مرده!

حال اگر تولید کنندگان توانایی تولید ترانزیستورها با ابعاد کوچک‌تر از 10 نانومتر را داشته باشند قانون مور پابرجا می‌ماند. اما کاری که این ترانزیستورهای کوچک انجام می‌دهند مطابق قوانین فیزیک کلاسیک نبوده و عملکردی که طبق این قوانین انتظار می‌رود را ندارند. آن‌ها از قوانین پیچیده‌تر مطرح شده در فیزیک کوانتومی، پیروی می‌کند. نکته مهمی که ممکن است توجه شما را جلب کند این است که آیا تراشه‌هایی که از قرار گرفتن چندین ترانزیستور کوانتومی ایجاد می‌شوند توانایی انجام مسائل پیچیده را دارند؟! طبق محاسبات ریاضی روی کاغذ بله این توانایی را دارند.

آغاز روند پیشرفت علوم کامپیوتر و محاسبات و درنتیجه مطرح شدن کامپیوترهای کوانتومی به عنوان گزینه‌ای جدی برای انجام محاسبات توسط دو فیزیکدان و محقق شرکت آی بی اِم (IBM) به نام‌های رالف لاندائور (Rolf Landauer) و کارلس بِنِت (Charles H. Bennett.) انجام شد. در ابتدا لاندائور در دهه 1960 این فرضیه را مطرح کرد که اطلاعات دارای ماهیتی فیزیکی هستند و هر تغییری که در آن‌ها صورت می‌گیرد طبق قوانین فیزیکی است.

یکی از نتایجی که از فرضیه لاندائور می‌توان برداشت کرد، این است که انجام محاسبات و تغییر اطلاعات(بیت ها) هدر رفتن انرژی را به همراه دارد. همین امر موجب می‌شود قسمت‌های پردازشی یک کامپیوتر مثل تراشه مرکزی (CPU) و تراشه گرافیکی (GPU) حتی برای انجام عملیات‌های ساده و سبک نیز انرژی زیادی مصرف کنند و گرم ‌شوند.

سپس بِنِت در دهه 1970 در ادامه‌ی طرح لاندائور، ثابت کرد اگر در کامپیوترها عملیات پردازش به طور برگشت‌پذیر انجام شود، به مقدار چشم‌گیری از اتلاف انرژی جلوگیری می‌شود. تعریف خیلی ساده برای پردازش یا محاسبات برگشت‌پذیر این است که از روی خروجی‌ اطلاعات (بیت‌های خروجی) بتوان به اطلاعات ورودی (بیت‌های ورودی) رسید. برای رسیدن به این هدف نیاز به گیت‌های منطقی‌ای داریم که به طور برگشت پذیر کار ‌کنند. تنها گیتی که در فیزیک و محاسبات کلاسیک به صورت برگشت‌پذیر عمل می‌کند، گیت NOT است. انتظاری که از کامپیوترهای کوانتومی دارند این است که، با انجام محاسباتی برگشت‌پذیر عملیات گسترده و سنگینی که وجود داشت را بدون صرف انرژی‌ زیاد و با حداقل انرژی انجام دهند. به طور مثال کامپیوتر کوانتومی D-Wave 2000Q که توسط یک شرکت کانادایی به نام دی وِیو (D-Wave) ساخته شده‌است تنها 25کیلووات انرژی مصرف می‌کند. در حالی که توان مصرفی سوپرکامپیوتر Summit که از تراشه‌های شرکت NVIDIA استفاده می‌کند 13مگاوات است.

در سال 1981 پائول بِنیوف (Paul Benioff) از آزمایشگاه ملی (Argonne) تلاش کرد ماشینی مشابه یک کامپیوتر معمولی بسازد که قوانین فیزیک کوانتومی بر عملکرد آن حاکم باشد. پس از آن ریچارد فاینمنیکی (Richard Feynman) یکی از فیزیکدانان مطرح، با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی نشان داد چگونه با یک ماشین پایه می‌توان محاسبات کوانتومی را انجام می‌شود. چند سال بعد دِیوید دویچ (David Deutsch) از دانشگاه آکسفورد که از تاثیرگذارترین افراد در پیشرفت محاسبات کوانتومی است، مبانی ابتدایی یک کامپیوتر کوانتومی را به صورت نظری و تئوری مطرح کرد.

کامپیوتر کوانتومی

مشابه موجودیت‌ها و تعاریف اصلی‌ای که در یک کامپیوتر معمولی وجود دارد مثل بیت‌، الگوریتم، گیت‌های منطقی و غیره در یک کامپیوتر کوانتومی نیز وجود دارد. به اصلی‌ترین جزء که در واقع همان کوچک‌ترین واحد پردازش اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی است، بیت کوانتومی یا کیوبیت می‌گویند.

در تعریف بیت آمده‌است در هر لحظه فقط یکی از مقادیر ۰ و ۱ را دارد. درحالی که یک کیوبیت در هر لحظه می‌تواند هم مقدار ۰ را داشته‌باشد و هم مقدار ۱ ، یک کیوبیت می‌تواند حتی هر مقدار دیگری بین ۰ و ۱ را داشته باشد. در واقع اگر یک کیوبیت در حالت برهم‌نهی (Superposition) قرار داشته باشد، یکی از حالت‌های پایه ۰ و ۱ را دارد. برای این که مقدار یک کیوبیت را بدانیم باید آن را اندازه‌گیری کنیم، اگر این مقدار 0 یا 1 نباشد یعنی حالت برهم‌نهی فرو ریخته و کیوبیت اندازه گیری شده با یک احتمالی 0 است و یا با یه احتمالی مقدار ۱ دارد.

گفته شد یک کیوبیت می‌تواند مقادیر مختلفی را به طور هم‌زمان در خود ذخیره کند (برهم‌نهی از حالت‌های 0 و ۱)، از این رو می‌توان گفت در کامپیوتر کوانتومی زمانی که کیوبیت‌ها پردازش می‌شوند، در واقع اطلاعات جدید به صورت هم‌زمان پردازش می‌شوند. به طور کلی می‌توان گفت کامپیوترهای معمولی پردازش اطلاعات و محاسبات مربوط به آن را سری (Serial) انجام می‌دهند، یعنی هر محاسبه و پردازشی در انتهای پردازش قبل از خود انجام می‌شود. در حالی که کامپویترهای کوانتومی کار پردازش و محاسبات بر روی یک کیوبیت را به صورت موازی (Parallel) و همزمان می‌توانند انجام دهند.

پردازش بیت‌های معمولی برعهده‌ی گیت‌های منطقی است. پردازش کیوبیت‌ها هم در کامپیوترهای کوانتومی برعهده‌ی گیت‌های کوانتومی است. گیت‌های کوانتومی را می‌توان اینگونه تعریف کرد که آن‌ها عملگر یا اپراتورهای (Quantum Operators) تحول زمانی یکانی هستند که می‌توانند در یک بازه زمانی مشخص، نگاشت یک به یکی را انجام دهند و یک کیوبیت را از یک حالت کوانتومی به حالت دیگری تبدیل کنند. نگاشت انجام شده توسط گیت‌های کوانتومی یک به یک است، در نتیجه عملیات انجام شده برگشت‌پذیر است.

چگونگی عملکرد کامپیوترهای کوانتومی

مثال شفاف برای یک بیت، شما می‌توانید دو سطح مختلف ولتاژ مثلاً 0 و 5 ولت را در نظر بگیرید که روشن و یا خاموش بودن یک پالس لیزری را نشان می‌دهد. برای کیوبیت نیز، شما می‌توانید هر سیستم دو حالته فیزیکی (ریزمقیاس) را در نظر بگیرید مانند اسپین بالا و پایین برای یک الکترون یا قطبش عمودی و افقی برای یک فوتون.

این سیستم‌های ریزمقیاس و کوانتومی به شدت نسبت به نویز‌ حساس بوده و حالتشان تغییر می‌کند. با این اوصاف برای تعریف هر کیوبیت‌، پردازش و یا کنترل آن‌، نیاز به یک مکانیزم‌ خاص و پیچیده است تا بتوان شرایط قرار گرفتن این اتم، یون و … که به عنوان کیوبیت استفاده شده‌اند را در یک حالت خاص و یا حتی امکان تغییر حالت این کیوبیت‌ها را فراهم کرد. منظور از قرار دادن کیوبیت (اتم، یون، فوتون و …) در یک حالت خاص، همان ذخیره اطلاعات و تغییر حالت آن‌ها نیز همان عمل پردازش بر روی کیوبیت‌ها است. برای در امان ماندن اطلاعات از نویز تفاوت بیت کوین با کوانتوم در سیستم‌های کوانتومی باید آن‌ها را از محیط خارجی ایزوله کنیم، برای این کار تجهیزات گران‌قیمتی نیاز است تا بتوان خلأ بسیار بالا ایجاد کرد و یا دمای محیط مورد نظر را تا نزدیکی صفر مطلق پایین آورد.

روش‌های متفاوتی برای کنترل کیوبیت‌ها، پیاده‌سازی گیت‌های کوانتومی و الگوریتم‌های کوانتومی مطرح شده‌است. یکی از این روش‌ها، تعریف کیوبیت توسط نقاط کوانتومی است. منظور از نقاط کوانتومی ذراتی نانومقیاس از نیمه‌رسانا است که درون خود تعدادی الکترون و حفره دارند.

روش‌دیگری که می‌توان به آن اشاره کرد، تله اندازی یونی است. در این روش با اضافه کردن یا کندن الکترون ، اتم را به یون تبدیل کرده، سپس این اتم در داخل یک کاواک به وسیله پالس‌های لیزری به دام می‌افتاده و در یک حالت خاص قرار می‌گیرد. همچنین این یون می‌تواند به وسیله پالس‌هایی متفاوت در حالت‌های مختلف دیگری نیز قرار بگیرد.

یکی دیگر از این روش‌ها که کمی پیچیده‌تر از سایر روش‌ها است، تعریف کیوبیت و پیاده‌سازی گیت‌های کوانتومی با استفاده از سیستم‌های اپتیک خطی و غیرخطی است. هر فوتون نسبت به محیط بیرون و حتی نسبت به فوتون‌ دیگر ایزوله است، به همین دلیل گزینه‌ی مناسب و ارزان قیمتی برای تعریف کیوبیت‌ها می‌توانند باشند. با استفاده از آن‌ها دیگر نیازی به ایجاد دماهای خیلی پایین یا خلأ بالا نیست. اما این روش نیز مشکلات خاص خود را دارد. مثلا برای پیاده‌سازی گیت‌های چند کیوبیتی به برهم‌کنش فوتون‌ها نیازاست ولی برهم‌کنش فوتون‌ها نیاز به شرایطی خاصی دارد و که حتی اگر این شرایط را نیز برقرار کنند برهم‌کنش فوتون‌ها قطعی نبوده و با یه احتمالی صورت می‌گیرد.

هر آنچه از کامپیوتر کوانتومی می‌دانید، احتمالا اشتباه است

شاید شنیده باشید کامپیوترهای کوانتومی اَبَرماشین‌های جادویی هستند که با امتحان تمام پاسخ‌های ممکن به‌طور هم‌زمان در چندین دنیای موازی، قرار است به‌زودی درمان سرطان و گرمایش زمین را پیدا کنند. این تصور اگرچه هیجان‌انگیز است، چندان با واقعیت کامپیوتر کوانتومی مطابقت ندارد. واقعیت کامپیوترهای کوانتومی از آنچه بسیاری از افراد تصور می‌کنند، ظریف‌تر اما در عین حال جذاب‌تر است.

شور و اشتیاقی که نسبت به کامپیوترهای کوانتومی ایجاد شده است، با گذر زمان بیشتر می‌شود. شرکت‌ها و دولت‌ها هم با سرمایه‌گذاری‌های میلیاردی در این زمینه و دستیابی به تکنولوژی ساخت دستگاه‌های ۵۰ کیوبیتی که حتی بزرگ‌ترین ابرکامپیوترهای دنیا هم به پایشان نمی‌رسند، آتش این اشتیاق را شعله‌ورتر کرده‌اند؛ و درست مثل اتفاقی که در حوزه رمزارز ها، یادگیری ماشین و دیگر موضوعات داغ روز افتاد، حوزه رایانش کوانتومی هم پر از افرادی شده که درباره قابلیت‌های این تکنولوژی طوری اغراق می‌کنند که ارتباط چندانی با واقعیت ندارد.

مشکل اینجا است که توضیح مختصر و در عین حال واقعی رایانش کوانتومی بدون پرداختن به محاسبات ریاضی و الگوریتم مربوط به آن،‌ بسیار دشوار است. همان‌طور که ریچارد فاینمن، پیشگام رایانش کوانتومی و برنده جایزه نوبل، در مورد تحقیقاتش در زمینه الکترودینامیک کوانتومی گفت، اگر توصیف رایانش کوانتومی در چند جمله امکان‌پذیر بود، لیاقت بردن جایزه نوبل را نداشت.

البته دشواری توضیح رایانش کوانتومی افراد را از تلاش برای این کار دلسرد نکرده است. از زمانی که پیتر شور در سال ۱۹۹۴ کشف کرد کامپیوتر کوانتومی می‌تواند قفل اکثر رمزنگاری‌هایی را که از تراکنش‌های مالی در اینترنت محافظت می‌کنند، بشکند و بدین ترتیب حتی امنیت بلاک‌چین بیت کوین را به خطر بیندازد، هیجان حول این تکنولوژی از سطح کنجکاوی علمی فراتر رفته است. در واقع، اکثر مطالعاتی که در حوزه رایانش کوانتومی انجام می‌شود، به‌عنوان اخبار تکنولوژی یا کسب‌وکار پوشش داده می‌شود تا اخبار علمی.

مقاله‌ی مرتبط:

بسیاری از این اخبار هم اغلب به مخاطب می‌گویند تنها چیزی که باید درباره مباحث بسیار پیچیده کوانتومی بدانند، این است که فیزیکدان‌ها در شرف توسعه کامپیوترهای بسیار سریعی هستند که قرار است همه چیز را متحول کنند؛ اما واقعیت این است که کامپیوترهای کوانتومی قرار نیست همه چیز را متحول کنند.

درست است که این کامپیوترها احتمالا روزی می‌توانند برخی مسائل خاص را که حلشان در کامپیوتر کلاسیک به اندازه سن جهان طول می‌کشد، تنها در چند دقیقه حل کنند؛ اما مسائل مهم زیادی وجود دارد که به گمان اکثر متخصصان، کامپیوتر کوانتومی می‌تواند فقط کمی به حلشان کمک کند یا اینکه اصلا نمی‌تواند از عهده آن‌ها برآید.

در ضمن، وقتی گوگل و غول‌های فناوری دیگر مدعی دستیابی به برتری کوانتومی می‌شوند، این موضوع فقط برای آزمایش‌های خاص و بسیار محدود است. احتمالا زمان زیادی طول خواهد کشید تا دانشمندان موفق به ساخت کامپیوتر کوانتومی شوند که به اندازه کافی بزرگ و قابل اطمینان باشد و بتواند نسبت به کامپیوترهای کلاسیک در زمینه‌های کاربردی چون شکستن قفل فایل‌های رمزنگاری‌شده و شبیه‌سازی واکنش‌های شیمیایی عملکرد بهتری نشان دهد.

حتی ادعای اخیر گوگل مبنی بر ساخت «کامپیوتر کوانتومی مفید و بدون خطا» تا سال ۲۰۲۹ تفاوت بیت کوین با کوانتوم که بتواند در حل بسیاری از مشکلات بزرگ بشر از جمله وضعیت تغذیه در جهان، تغییرات اقلیمی و تولید داروهای بهتر، مفید واقع شود هم در حد ابراز امیدواری است.

سؤال اینجا است که چطور می‌شود کامپیوتری فقط در حل برخی مسائل سریع عمل کند و در مورد مسائل دیگر کارایی نداشته باشد؟ اصلا از کجا می‌توان فهمید این مسائل قابل حل در کامپیوتر کوانتومی کدم‌اند؟ و کامپیوتر کوانتومی «بزرگ و قابل اطمینان» اصلا چه معنایی دارد؟ برای پاسخ به این سؤال‌ها باید به اعماق رایانش کوانتومی وارد شویم.

پدیده برهم‌نهی کوانتومی

بگذارید بحث را با مکانیک کوانتومی شروع کنیم که در واقع عمیق‌ترین و پیچیده‌ترین بحث رایانش کوانتومی است. اگر به فیزیک کوانتوم علاقه‌مند هستید و اخبار مربوط به این زمینه را دنبال می‌کنید،‌ مطمئنا با مفهوم برهم‌نهی (Superposition) به‌دفعات روبه‌رو شده‌اید. پدیده برهم‌نهی در اکثر بحث‌های مربوط به کامپیوترهای کوانتومی به چشم می‌خورد؛ اما توضیح آن با کلمات روزمره واقعا دشوار است.

حالت صفر یا یک در بیت کلاسیک در مقایسه با حالت صفر و یک در کیوبیت

به همین خاطر در اکثر این مقالات با توضیح بسیار ساده این پدیده مواجه می‌شوید: اینکه برهم‌نهی یعنی وجود «هر دو حالت به‌طور هم‌زمان»؛ در نتیجه هر بیت کوانتومی معروف به کیوبیت، می‌تواند هم‌زمان مقادیر صفر و یک را به خود بگیرد، درحالی‌که بیت کلاسیک در کامپیوترهای معمولی فقط می‌تواند یکی از این دو حالت را داشته باشد. در مقالات می‌خوانید کامپیوتر کوانتومی به این خاطر این‌قدر سریع است که از کیوبیت‌ها و قابلیت برهم‌نهی آن‌ها برای امتحان کردن تمام راه حل‌های ممکن یک مسئله به‌طور هم‌زمان یا در موازات همدیگر استفاده می‌کند.

و این درست همان جایی است که معروف‌ترین سوءبرداشت‌ها از رایانش کوانتومی تفاوت بیت کوین با کوانتوم سرچشمه می‌گیرد. درست است که پدیده برهم‌نهی اجازه می‌دهد هر کیوبیت هم‌زمان در دو حالت صفر و یک وجود داشته باشد و تمام جواب‌های ممکن را در کوتاه‌ترین زمان بررسی کند؛ اما سؤال مهمی که پیش می‌آید این است که کامپیوتر کوانتومی چگونه متوجه می‌شود کدام یک از این هزاران یا میلیون‌ها حالت ممکن،‌ جوابی است که ما دنبال آن می‌گردیم؟

اگر مسئله‌ای را در کامپیوتر کوانتومی وارد کنیم و از جواب آن خروجی بگیریم، کامپیوتر تمام حالت‌ها و جواب‌های ممکن را به ما نشان نمی‌دهد، بلکه تنها یکی از این جواب‌های ممکن با احتمال یک n-ام را به‌طور کاملا تصادفی انتخاب می‌کند و به ما می‌گوید چیست.

در نتیجه، مشاهده‌ تمام این حالت‌ها و جواب‌ها ممکن نیست و رایانش کوانتومی در پایان فرایند حل مسئله، تنها یک جواب را به‌صورت رندوم نمایش می‌دهد، چون برای این کامپیوتر در حالت کلی هیچ فرقی بین جواب درست و نادرست وجود ندارد.

برهم‌نهی کوانتومی؛ سازنده و ویرانگر

اینجا سؤال دیگری پیش می‌آید. وقتی گوگل از ساخت کامپیوتر کوانتومی «مفید» صحبت می‌کند، دقیقا منظورش از مفید چیست؟ باید گفت کامپیوتری مفید است که خروجی آن همان جوابی باشد که دنبال آن هستیم، نه جوابی تصادفی و به احتمال زیاد، اشتباه؛ اما طبق قانون مکانیک کوانتومی، جوابی که در کامپیوتر کوانتومی مشاهده تفاوت بیت کوین با کوانتوم می‌کنیم، نه تمام حالت‌های ممکن و نه جواب صحیح، بلکه تنها یک حالت تصادفی است که به احتمال زیاد راه حل مشکل ما نیست.

اگر بخواهیم پدیده برهم‌نهی را به‌درستی تعریف کنیم، باید بگوییم هر کیوبیت در واقع بیتی است که عدد مختلطی دارد که یک دامنه آن به احتمال صفر و دامنه دیگر آن به احتمال یک متصل است. این دامنه‌ها که شبیه دامنه امواج عمل می‌کنند، ارتباط نزدیکی با احتمالات دارند، از این لحاظ که هرچه دامنه نتیجه‌ای دورتر از صفر باشد، احتمال مشاهده آن نتیجه بیشتر است؛ اما دامنه‌ها دقیقا احتمالات نیستند و از قوانین متفاوتی پیروی می‌کنند. برای مثال، اگر برخی داده‌های ورودی به دامنه، مثبت و برخی دیگر منفی باشند، داده‌ها دچار تداخل یا برهم‌نهی ویرانگر (Destructive interference) شده و یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ در این حالت، دامنه صفر می‌شود و جواب مسئله هیچ‌گاه مشاهده نمی‌شود.

برهم‌نهی‌ ویرانگر (سمت راست) و برهم‌نهی‌ سازنده در رایانش کوانتومی، احتمال مشاهده نتیجه‌ای را صفر یا یک می‌کنند.

به همین ترتیب، داده‌های ورودی می‌توانند در حالت برهم‌نهی سازنده (Constructive interference) قرار بگیرند و احتمال مشاهده نتیجه خاصی را افزایش بدهند. در واقع، هدف از طراحی الگوریتم برای کامپیوتر کوانتومی، تهیه الگویی از برهم‌نهی‌های سازنده و ویرانگر است، به‌طوری‌که برای هر پاسخ اشتباه، داده‌های اضافه‌شده به دامنه یکدیگر را خنثی و برای پاسخ صحیح، یکدیگر را تقویت کنند. تنها در این حالت است که می‌توان احتمال مشاهده جواب صحیح را در رایانش کوانتومی بالا برد.

بخش دردسرساز قضیه این است که باید این الگوریتم را بدون دانستن جواب درست از قبل و سریع‌تر از کامپیوتر کلاسیک نوشت. ۲۷ سال پیش، پیتر شور موفق شد الگوریتمی برای مسئله فاکتورگیری از اعداد صحیح طراحی کند؛ روشی که کدهای رمزنگاری بخش عمده‌ای از تراکنش‌های آنلاین را می‌شکند. ما اکنون می‌دانیم چگونه این کار را برای حل برخی از مسائل دیگر نیز انجام دهیم؛ اما این دانش را فقط با بهره‌گیری از ساختارهای ریاضیاتی موجود در این مسائل به دست آورده‌ایم، نه با امتحان کردن تمام پاسخ‌های ممکن به‌طور هم‌زمان.

اثبات دشواری حل مسئله

در کنار این پیچیدگی، مسئله دیگری که صحبت درباره رایانش کوانتومی را دشوار می‌کند، نیاز به استفاده از واژگان مفهومی علوم کامپیوتری نظری است. سؤالی که افراد عموماً درباره کامپیوتر کوانتومی می‌پرسند این است که سرعت آن چند برابر بیشتر از سرعت کامپیوترهای امروزی است. یک میلیون برابر؟ یک میلیارد برابر؟

اما این سؤال این نکته درباره کامپیوترهای کوانتومی را در نظر نمی‌گیرد که بحث برتری سرعت رایانش کوانتومی تنها در مقادیر بزرگ صادق است. اگر مقدار n کوچک باشد، حل آن در کامپیوتر کوانتومی بسیار کندتر و پرهزینه‌تر از کامپیوتر معمولی است. تنها زمانی که مقدار n بزرگ باشد، سرعت رایانش کوانتومی بر کامپیوتر کلاسیک چیره می‌شود.

اما از کجا معلوم برای حل مسائل با مقادیر بزرگ n، نمی‌توان الگوریتمی نوشت که قابلیت اجرا در کامپیوتر کلاسیک را نیز داشته باشد؟ موضوعی که اغلب در اخبار پربازدید رایانش کوانتومی نادیده گرفته می‌شود؛ اما در واقع بخش حیاتی تحقیقات الگوریتم کوانتومی است، دشواری اثبات این نیست که کامپیوتر کوانتومی می‌تواند فلان مسئله را به‌سرعت حل کند، بلکه دشواری اصلی، اثبات این است که این مسئله را کامپیوتر کلاسیک نمی‌تواند حل کند.

متأسفانه اثبات دشوار بودن حل مسئله خود بسیار دشوار است و این موضوع به‌خوبی در مسئله حل‌نشده و یک میلیون دلاری «P در مقابل NP» نمایان است که می‌پرسد آیا هر مسئله‌ای که صحت جواب‌های آن را بتوان به‌سرعت تفاوت بیت کوین با کوانتوم تفاوت بیت کوین با کوانتوم ارزیابی کرد، به‌سرعت هم قابل حل شدن است.

گوگل مدعی است کامپیوتر کوانتومی آن مسئله‌ای که ابرکامپیوتر IBM Summit در ده هزار سال حل می‌کند، در ۳ دقیقه حل کرده است

این مشکل فقط در سطح تحقیقات دانشگاهی نیست. در طول چند دهه گذشته، پیش‌بینی‌های سرعت حل مسئله در کامپیوتر کوانتومی با حل آن با همان سرعت در کامپیوتر کلاسیک به‌دفعات نادرست از آب درآمده است.

به همین خاطر است که وقتی گوگل ادعا می‌کند کامپیوتر کوانتومی آن موفق به حل مسئله‌ای در ۳ دقیقه شده که در پیشرفته‌ترین کامپیوتر حال حاضر جهان موسوم به ابرکامپیوتر IBM Summit ، ده هزار سال طول می‌کشد، رقیب این شرکت یعنی IBM این ادعا را رد می‌کند و می‌گوید گوگل از تمامی ظرفیت‌ ابرکامپیوترهای مدرن استفاده نکرده است و Summit درواقع توانایی حل مسئله‌ی مذکور را در ۲/۵ روز دارد.

ناهمدوسی کوانتومی

تازه تمام این مشکلات به کنار، ما هنوز حرفی درباره دشواری ساخت کامپیوترهای کوانتومی نزده‌ایم. مشکل در یک کلمه، ناهمدوسی (Decoherence) است. ناهمدوسی به معنی تعامل ناخواسته بین کامپیوتر کوانتومی با محیط اطراف است که شامل میدان‌های الکتریکی نزدیک، اجسام گرم و سایر مواردی است که می‌توانند اطلاعاتی درباره کیوبیت‌ها را در خود ثبت کنند. این امر می‌تواند منجر به «اندازه‌گیری» و مشاهده زودهنگام کیوبیت‌ها شود که حالت تفاوت بیت کوین با کوانتوم برهم‌نهی آن‌ها را از بین می‌برد و آن‌ها را به بیت‌های کلاسیک که یا صفر هستند یا یک، تبدیل می‌کند.

عوامل محیطی باعث ناهمدوسی کوانتومی می‌شود و کیوبیت صفر یا یک را به بیت صفر و یک تبدیل می‌کند

به عبارت دیگر، قدرت کامپیوتر کوانتومی در کیوبیت‌های آن است که می‌توانند به لطف پدیده برهم‌نهی، هم‌زمان هم صفر و هم یک باشند؛ اما اگر این کیوبیت‌ها در مواجه با عوامل محیطی پیش از رسیدن به نتیجه مورد نظر، محاسبه شوند، به بیت‌های معمولی تبدیل می‌شوند و دیگر نمی‌توان مدعی شد تمام حالت‌های ممکن پیش از رسیدن به جواب، بررسی شده است.

تصحیح خطای کوانتومی

تنها راه حل شناخته‌شده برای مشکل ناهمدوسی، «تصحیح خطای کوانتومی» است؛ این روش که اواسط دهه ۱۹۹۰ مطرح شد، به‌طور هوشمندانه‌ای هر کیوبیت حاضر در رایانش کوانتومی را به حالت جمعی ده‌ها یا حتی هزاران کیوبیت فیزیکی رمزنگاری می‌کند؛ اما این روش به‌تازگی در تحقیقات مورد استفاده قرار گرفته و زمان زیادی طول خواهد کشید تا تأثیر خود را در رایانش کوانتومی نشان دهد.

وقتی خبری در مورد آخرین آزمایش‌ها و تحقیقات دانشمندان با ۵۰ یا ۶۰ کیوبیت فیزیکی می‌خوانید، مهم است این نکته را در نظر بگیرید که این کیوبیت‌ها هنوز تصحیح خطا نشده‌اند و تأثیر عوامل محیطی بر آن‌ها به‌طور کامل حذف نشده است. تا زمانی که این اتفاق نیفتد، نمی‌توان انتظار داشت بتوانیم رایانش کوانتومی را با بیش از چند صد کیوبیت انجام دهیم.

تنها زمانی که این مفاهیم را درباره رایانش کوانتومی بدانیم، می‌توانیم در مورد مقالات و تحقیقات این زمینه قضاوت درستی داشته باشیم. فهم این مسائل هم البته کار غیرممکنی نیست. به هر حال قرار نیست که آپولو هوا کنیم؛ فقط می‌خواهیم از رایانش کوانتومی سر در بیاوریم!

پیش‌بینی قیمت بیت کوین با تحلیل‌ هاوینگ‌های آن

نگاهی مقایسه‌ای به چرخه‌های قبلی هاوینگ بیت کوین نشان می‌دهد که بازار هنوز منتظر است تا رسیدن این ارز دیجیتال با بالاترین قیمت را مشاهده کند.

یک شرکت تحلیلی در زمینه مدیریت دارایی با نام کوانتوم اکونومیس در روزهای اخیر بررسی مهم را انجام داده است. آن‌ها در مطالعه‌ای را با هدف پاسخ به این سؤال که آیا دستیابی بیت کوین به قیمت 100 هزار دلار در سال 2022 امکان‌پذیر است یا خیر، انجام داده‌اند.

رویکرد آن‌ها برای پاسخ به این سؤال بررسی دوره‌های زمانی هاوینگ بیت کوین بوده است. همان طور که می‌دانید بعد از استخراج هر 21 هزار بیت کوین، پاداش ماینینگ نصف می‌شود و این روند تا زمان صفر شدن پاداش استخراج ادامه خواهد داشت.

آخرین هاوینگ بیت کوین در 11 می سال 2020 اتفاق افتاد که منجر به کاهش پاداش استخراج به 6.25 بیت کوین رسید. داده‌های موجود نشان می‌دهد که روند قیمت بیت کوین بعد از آخرین هاوینگ، در مقایسه با دفعه‌های قبل تضادهایی را نشان می‌دهد.

رشد قیمت بیت کوین بعد از زمان هاوینگ در سال 2020، نشان می‌دهد که علی‌رغم شروع رشد نسبتا قوی، در مقایسه با هاوینگ‌های قبلی عملکرد ضعیف‌تری را به ثبت رسانده است.

رشد قیمت بیت کوین بعد از هاوینگ

بعد از اولین هاوینگ بیت کوین 367 روز طول کشید تا قیمت آن به بالاترین حد خود از زمان عرضه در آن برهه زمانی برسد. این عدد بعد از دومین هاوینگ بیت کوین به 527 روز افزایش پیدا کرد. مقایسه این دو عدد نشان می‌دهد که بعد از هاوینگ دوم دستیابی به رکورد جدید قیمت بیت کوین حدود 160 روز بیشتر به طور انجامید.

با توجه به چرخه‌های قبلی که بیت کوین پشت سر گذاشته است، خالی از لطف نیست که تحلیل‌ها نسبت به چرخه فعلی را بررسی کنیم. اگر چرخه اول تکرار می‌شد در ماه می 2021 بیت کوین به سقف قیمت تاریخی خود می‌رسید و اگر چرخه دوم تکرار می‌شد این اتفاق در اکتبر سال 2021 به وقوع می‌پیوست.

اما اگر فرض کنیم که تکرار سقف قیمت بیت کوین در چرخه هاوینگ سوم نیز 160 روز بیشتر از چرخه دوم به طول بینجامد، بعد از 757 روز یعنی در ماه ژوئن سال 2022 این اتفاق تکرار خواهد شد. در حال حاضر که در ژانویه قرار داریم، حدود 5 ماه تا رسیدن به این زمان فاصله وجود دارد.

البته این تحلیل کاملا خطی است و با توجه به اینکه صرفا دو نقطه برای ترسیم این خط وجود دارد، حتما با خطا همراه خواهد بود. علاوه بر ان عوامل مؤثر در قیمت بیت کوین آن قدر زیاد است که می‌تواند زمان دستیابی به سقف تاریخی 100 هزار دلار را طولانی کند.

آنچه مسلم است، این نکته می‌باشد که هنوز 120589 بلاک دیگر در شبکه بیت کوین برای استخراج باقی مانده است و بیش از 770 روز تا هاوینگ بعدی فرصت باقیست. بنابراین فرصت زیادی برای شگفتی بیت کوین باقی مانده است.