برتری کوانتومی گوگل به‌معنای پایان کاربردهای رمزنگاری نیست
دستیابی گوگل به برتری کوانتومی زمین‌لرزه‌ای در دنیای فناوری ایجاد کرد؛ اما هنوز برای دیدن کاربردهای واقعی رایانش کوانتومی، به سال‌ها زمان نیاز داریم.
گوگل در چند روز اخیر، در صدر اخبار دنیای فناوری قرار داشت و دستیابی آن‌ها به مفهوم برتری کوانتومی به‌نوعی تاریخ‌سازی محسوب می‌شود. غول موتور جست‌وجو در چند سال گذشته، در رقابتی شدید حضور یافت که شرکت‌هایی همچون IBM و اینتل از بازیگران مهم دیگر آن بودند. آن‌ها برای توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی باهم رقابت می‌کردند که با استفاده از ظرفیت‌های فیزیک کوانتوم، قدرت زیادی در حل برخی از دشوارترین مسائل علمی دارند.
غول موتور جست‌وجو ادعا می‌کند تراشه‌های کوانتومی‌اش به مفهوم برتری کوانتومی (Quantum Supremacy) نزدیک شده‌اند. برتری کوانتومی به بیان ساده به رخدادی گفته می‌شود که در آن کامپیوتر کوانتومی توانایی شکست نمونه‌های سنتی را در فرایندی مشخص پیدا می‌کند. یکی از محققان ارشد گوگل قبلا پیش‌بینی کرده بود شرکتش تا سال ۲۰۱۷ به این هدف دست پیدا خواهد کرد.
فایننشنال‌تایمز در گزارش روز جمعه‌ی خود ادعا کرد به پیش‌نویس‌هایی از تحقیق گروه کوانتومی گوگل دست پیدا کرده است. مقاله‌ی مذکور در وب‌سایت ناسا منتشر شده بود و ادعای دستیابی محققان گوگل را به برتری کوانتومی مطرح می‌کرد. پس از گذشت چند ساعت، اندرو یانگ، نماینده‌ی حزب دموکرات برای انتخابات ریاست‌جمهوری سال ۲۰۲۰ آمریکا، هشدار داد برتری کوانتومی گوگل به ازبین‌رفتن مفاهیم رمزگذاری منجر می‌شود. در این میان، محققان پردازش هم تلاش می‌کردند بی‌خطربودن پیشرفت‌های کوانتومی برای کامپیوترهای سنتی و امنیت را اثبات کنند.
متخصصان و دانشمندان متعددی از پیشرفت گوگل هیجان‌زده شده‌اند. جان پرسکیل، استاد دانشگاه کلتک، در سال ۲۰۱۱ عبارت برتری کوانتومی را به دنیای علم معرفی کرد. وی رخداد اخیر را دستاوردی چشمگیر در فیزیک تجربی دانست. البته او و بسیاری از دانشمندان دیگر و حتی محققان گوگل می‌گویند کامپیوترهای کوانتومی هنوز برای کارهای عملی آماده نیستند. پرسکیل درباره‌ی فرایند تحقیق گوگل می‌گوید مسئله‌ی آزمایش‌شده به‌دقت و صرفا برای اثبات برتری کوانتومی انتخاب شده است.
هنوز مشخص نیست چقدر تا تجاری و کاربردی شدن کامپیوترهای کوانتومی فاصله داریم. رمزگشایی هم که همیشه به‌عنوان یکی از کاربردهای رایانش کوانتومی مطرح می‌شود، هنوز در هاله‌ای از ابهام قرار دارد. جاناتان داولینگ، استاد دانشگاه ایالتی لوییزیانا، اظهارنظر مشابهی می‌کند و دستیابی به کامپیوترهای کوانتومی واقعا کاربردی را تا چند سال آینده غیرممکن می‌داند.
محاسبات کوانتومی
برخی منابع اعتقاد دارند ماهیت خبر برتری گوگل هم به بررسی بیشتر نیاز خواهد داشت. داولینگ می‌گوید او و تعدادی از محققان دیگر هفته‌ی گذشته اعلانی از Google Scholar دریافت کرده‌اند که آن‌ها را به پیش‌نویس مقاله‌ای ارجاع داده است. شایان ذکر است گوگل با ناسا همکاری تنگاتنگی دارد و شاید سازمان فضایی مقاله را در فرایندهای بازبینی پیش از انتشار منتشر کرده باشد. به‌هرحال، ناسا و گوگل هیچ‌کدام درباره‌ی مقاله‌ی منتشرشده و اخبار حول‌وحوش آن اظهارنظری نکرده‌اند.
گوگل و دیگر غول‌های فناوری با این هدف پروژه‌های کوانتومی را دنبال می‌کنند تا مسائل بسیار دشوار برای کامپیوترهای سنتی را به مسائلی ساده و بدیهی تبدیل کنند. رویکرد علمی آن‌ها مسیری است که مفاهیم ریاضی در پسِ رخدادهای مکانیک کوانتوم را شرح دهد. به‌عنوان نمونه‌ای از مفاهیم کوانتومی، می‌توان به شرح ماهیت فوتون‌ها اشاره کرد که به‌صورت هم‌زمان رفتارهای ذره‌ای و موجی از خود نشان می‌دهند.
مسئله‌ی حل‌شده‌ی گوگل به‌صورت اختصاصی برای کامپیوتر کوانتومی طراحی شده بود
در میانه‌ی دهه‌ی ۱۹۹۰، محققان تلاش‌های فراوانی برای نشان‌دادن توانایی‌های مفاهیم کوانتومی کردند و توانایی کوانتوم در پردازش اعداد را به‌عنوان دستاورد مهمی مطرح کردند. توجه به این زمینه از کاربردهای کوانتوم زمانی بیشتر شد که یکی از محققان مرکز آزمایشی بل لبز الگوریتمی برای شکستن کلیدهای بلند رمزنگاری با استفاده از رایانش کوانتومی تدوین کرد. او در الگوریتم خود نشان داد فناوری جدید به‌راحتی توانایی ایجاد جهش در دنیای رایانش را دارد.
در سال‌های اخیر، محققان متعدد آزمایشگاهی و سازمانی نمونه‌های اولیه از پردازنده‌های کوانتومی را تولید کرده‌اند. آن‌ها بیش از همه کاربردهای رایانش کوانتومی را در شیمی و یادگیری ماشین مطرح می‌کنند. دستگاه‌های مذکور امروز توانایی کارکردن با داده‌ها را دارند؛ اما هنوز بسیار کوچک هستند و همچنین میزان خطای آن‌ها نیز زیاد است. درواقع، دستاوردهای آزمایشگاهی هنوز توانایی شکست کامپیوترهای سنتی را ندارند.
همان‌طورکه گفته شد، پرسکیل در سال ۲۰۱۱ در یکی از سخنرانی‌ها مفهوم برتری کوانتومی را مطرح کرد و چگونگی اثبات برتری کامپیوترهای کوانتومی را نیز شرح داد. از آن زمان، غول‌های فناوری همچون گوگل، IBM، اینتل، مایکروسافت و استارتاپ‌های متعدد تلاش کرده‌اند با سرمایه‌گذاری‌های عظیم در حوزه‌ی کوانتوم، مفهوم برتری کوانتومی را به واقعیت تبدیل کنند. چنین فعالیت‌هایی باعث شد رسیدن به نقطه‌ی برتری کوانتومی اجتناب‌ناپذیر به‌نظر برسد. داولینگ در این باره می‌گوید:می‌دانستیم این مفهوم دیر یا زود محقق می‌شود.
رمزنگاری
یکی از دلایل انتظار جامعه‌ی علمی و عمومی برای رسیدن به نقطه‌ی برتری کوانتومی در اظهارنظرهای متعدد محققان خود گوگل دیده می‌شود. جان مارتینیز، مدیر تحقیقات سخت‌افزار کوانتومی شرکت، در سال ۲۰۱۷ پیش‌بینی کرده بود گروهش تا پایان آن سال به برتری کوانتومی دست پیدا خواهند کرد.
گوگل و IBM و اینتل هرکدام پردازنده‌های کوانتومی ۵۰ کیوبیتی معرفی کرده‌اند. چنین ابعادی ازنظر متخصصان برای رسیدن به برتری کوانتومی کافی به‌نظر می‌رسد. کیوبیت به اجزای تشکیل‌دهنده‌ی کامپیوترهای کوانتومی گفته می‌شود که داده را در فرم‌های صفر و یک و شبیه به بیت‌ها در کامپیوترهای سنتی ذخیره می‌کنند. در این میان، قدرت پردازنده‌ی کوانتومی وابسته به چگونگی دستیابی کیوبیت‌ها به فازی به‌نام برهم‌نهمی یا سوپرپوزیشن مربوط می‌شود. فاز برهم‌نهی تعریف کاملا علمی و شاید عجیبی دارد که فازی به‌صورت ترکیب هم‌زمان صفر و یک را توصیف می‌کند.
برهم‌نهی به مجموعه‌ی کیوبیت‌های پردازنده‌ی کوانتومی امکان می‌دهد در مسائل مشترک، فرایندهایی بسیار بیشتر را در مقایسه با بیت‌های برابر در کامپیوترهای سنتی انجام دهند. هرچه تعداد کیوبیت‌ها افزایش پیدا کند، ترکیب‌های محتمل به‌صورت نمایی بیشتر می‌شود. با دستیابی به قدرت ۵۰ کیوبیت، حتی شبیه‌سازی قدرت کامپیوتر کوانتومی برای کامپیوترهای سنتی دشوار خواهد بود.
پدیده‌های مذکور پایه‌های آزمایش برتری کوانتومی گوگل را شکل می‌دهند. محققان این شرکت پردازنده‌ی کوانتومی موسوم به Sycamore مجهز به ۵۴ کیوبیت را به رقابت دعوت کردند تا خروجی تولیدکننده‌ی عدد تصادفی کوانتومی را نمونه‌سازی کنند. آن‌ها همین رقابت را برای چند خوشه‌ی سرور گوگل و ابرکامپیوتر سامیت (Summit) در آزمایشگاه Oak Ridge نیز تعریف کردند. سامیت از زمان شروع فعالیت در سال گذشته، به‌عنوان سریع‌ترین ابرکامپیوتر جهان شناخته می‌شود.
گوگل ادعا می‌کند کامپیوترهای سنتی تنها موفق شدند حل مسئله را شروع کنند. ابرکامپیوتر قدرتمندی همچون سامیت برای حل مسئله‌ی مذکور نیاز به ۱۰ هزار سال زمان داشت؛ درحالی‌که پردازنده‌ی سیکامور مسئله را در ۲۰۰ ثانیه حل کرد.
ابررایانه Summit
همان‌طورکه پرسکیل می‌گوید، شرایط رقابت کامپیوتر کوانتومی با کامپیوترهای سنتی برابر و عادلانه نبوده است. گوگل مسئله را کاملا هوشمندانه انتخاب کرد تا برای کامپیوتر کوانتومی مناسب باشند. به‌علاوه، متن مقاله هم می‌گوید برای درک نهایی توانایی‌های رایانش کوانتومی، به پیشرفت‌های فناورانه‌ی بیشتری نیاز خواهد بود. داولینگ و محققان دیگر اعتقاد دارند برای شکست کامل مفاهیم رمزنگاربی، میلیون‌های کیوبیت نیاز خواهد بود؛ چراکه الگوریتم‌ها پیچیدگی درخورتوجهی دارند.
شبیه‌سازی‌های شیمیایی و یادگیری ماشین به‌عنوان مهم‌ترین کاربردهای رایانش کوانتومی مطرح می‌شوند
اسکات آرانسون، استاد دانشگاه تگزاس، می‌گوید برای اثبات برتری کوانتومی، به اسناد معتبر بیشتری نیاز خواهد بود. او می‌گوید بدون انتشار جزئیات مقاله‌ی گوگل نمی‌توان درباره‌ی برتری کوانتومی آن‌ها اظهارنظر قطعی کرد.
گوگل و دیگر فعالان حوزه‌ی کوانتوم ادعاهای متعددی درباره‌ی کاربردهای مفید رایانش کوانتومی می‌کنند. به‌عنوان مثال، آن‌ها بهبود شبیه‌سازی‌های شیمیایی برای کاربردهایی همچون ساخت باتری و کشف دارو را مثال می‌زنند. به‌علاوه، پیشرفت در حوزه‌ی یادگیری ماشین به‌عنوان کاربرد مهم رایانش کوانتومی مطرح می‌شود. شرکت‌هایی همچون جی‌پی مورگان و دایملر از سخت‌افزار رایانش کوانتومی IBM استفاده می‌کنند و ناسا در حوزه‌ی کوانتوم با گوگل همکاری می‌کند. سازمان فضایی آمریکا امیدوار است کامپیوترهای کوانتومی در مسائلی همچون برنامه‌ریزی مأموریت‌های فضایی و کشف سیاره‌ها کاربرد داشته باشند.
زمان دستیابی کامپیوترهای کوانتومی به هریک از مفاهیم مذکور هنوز مشخص نیست. داریو گیل، مدیر تحقیقات IBM، به‌خاطر خبر اخیر به گوگل تبریک گفت. او همچنین ابراز نگرانی کرد اکه ستفاده از واژه‌ی برتری به ایجاد انتظارات غیرواقعی در خارج از دنیای رایانش کوانتومی منجر خواهد شد. او درباره‌ی پیشرفت‌های کوانتومی و کاربردهای واقعی گفت: باید ماشین‌هایی بسازیم که ارزش کاربردی ارائه کنند و این هدف در آینده‌ی نزدیک ممکن نخواهد شد.
