رایانش کوانتومی چیست؟ آشنایی با ویژگی‌های کامپیوترهای آینده
شاید ایده کامپیوتر کوانتوم بیش از حد پیشرفته و آینده نگرانه به نظر برسد. مثل فیلم‌های مرد مورچه‌ای که در آنها اسکات لنگ و تیمش وارد فضای عجیبی می‌شوند که قوانین معمولی فیزیک در آن برقرار نیست و قابلیت‌هایی خارق العاده‌ای و جادویی برای آنها ایجاد می‌کند.
رایانش کوانتومی هم مثل این قلمروی کوانتوم، درک ما را نسبت به قوانین دنیا به چالش می‌کشد. کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند با بهره‌گیری از اصول فیزیکی کوانتوم مثل برهم نهی (قابلیت قرار داشتن بیت‌ها یا کیوبیت‌ها در چند حالت مختلف به صورت همزمان) و در هم تنیدگی (فرایند ارتباط یافتن کیوبیت‌های مختلف طوری که وضعیت یکی از آنها، بلافاصله تغییرات دیگری را منعکس می‌کند) قابلیت انجام‌هایی به ظاهر غیرممکن را پیدا کنند.
دانشمندان و محققان، شروع به بهره‌گیری از قابلیت‌های حوزه کوانتوم کرده‌اند تا کامپیوترهایی قدرتمند بسازند که الگوریتم‌های رمزنگاری کنونی را در هم می‌شکنند.
قبل از آشنایی با کامپیوترهای کوانتوم، نگاهی داریم به فیزیک کوانتوم و مفاهیم پایه آن.
فیزیک کوانتوم چیست؟
فیزیک کوانتوم یا مکانیک کوانتوم، شاخه‌ای از فیزیک است که به بررسی رفتار مواد در مقیاس‌های بسیار کوچک مثل اتم‌ها و ذرات زیراتمی می‌پردازد. بر خلاف فیزیک معمولی که در آن همه رفتار مواد قابل پیش‌بینی و نتایج دقیق هستند، در دنیای کوانتوم فقط می‌توان از احتمالات برای پیش‌بینی رفتار مواد استفاده کرد.
در دنیای کوانتوم، ذرات می‌توانند از نظر تغییر حالت، همزمان به صورت واحدهای مجزا و همچنین امواج عمل کنند. کامپیوترهای کوانتوم از این اصول استفاده می‌کنند و محاسبات را بر اساس احتمالات حالت‌های کوانتومی انجام داده و از برهمی نهی و در هم تنیدگی بهره می‌برند.
در حوزه رایانش کوانتومی، برهم نهی باعث می‌شود که یک کوانتوم بیت – که به آن کیوبیت گفته می‌شود – تا وقتی که اندازه گیری می‌شود، همزمان مقدار 0 و 1 داشته باشد و در هم تنیدگی هم کیوبیت‌ها را طوری به هم پیوند می‌دهد که با دانستن وضعیت یکی از آنها، امکان تشخیص وضعیت دیگران صرف نظر از فاصله آنها فراهم شود. کیوبیت‌ها به کامپیوترهای کوانتوم امکان می‌دهند مسائل را به روش‌هایی حل کنند که کامپیوترهای سنتی قادر به انجام آن نیستند.
به گفته David Hayes یکی از کارشناسان این حوزه، “یک قلمروی کوانتومی در کامپیوتر شما وجود دارد که قوانین فیزیک نیوتون در آن برقرار نیست. این بخش کوچک، از سایر قسمت‌های سیستم تفکیک می‌شود. نباید این بخش با دنیای بیرون در ارتباط باشد – این تنها راه حفظ حالت کوانتومی آن است. این بخش باید کاملاً ایزوله باشد. این همان قلمروی کوانتوم یا همان قلمروی مرد مورچه‌ای است.”
شرکت Quantinuum که در نوامبر 2021 راه‌اندازی شد، توسعه دهنده راهکارهایی برای امنیت سایبری، کشف دارو، علم مواد، اقتصاد و پردازش زبان‌های طبیعی است.
طبق توضیحات Hayes محققان کوانتوم از لیزر و میدان‌های الکتریکی برای رسیدن به قلمروی کوانتوم استفاده می‌کنند.
به گفته او “در سیستم‌های کامپیوتری سنتی، به ترانزیستورها ولتاژ اعمال می‌شود. در اینجا، از پالس‌های لیزری استفاده می‌شود که به اتم‌ها برخورد کرده و اطلاعات به این روش دستکاری می‌شوند.”
ایده مکانیک کوانتوم، به تحقیقی که سال 1900 توسط Max Planck انجام شد برمی گردد که از او به عنوان پدر نظریه کوانتوم یاد می‌شود. کامپیوترهای کوانتوم، بعداً در دهه‌های 70 و 80 میلادی ابداع شدند، یعنی زمانی که Paul Benioff اثبات کرد که می‌توان کامپیوتری ساخت که تحت قوانین فیزیک کوانتوم کار کند. در سال 1994، Peter Shor استاد ریاضیات کاربردی دانشگاه MIT الگوریتم Factoring را ابداع کرد که بعدها اسم آن به الگوریتم شور تغییر یافت. این الگوریتم نشان داد که کامپیوتر کوانتوم می‌تواند اعداد صحیح بزرگ را تجزیه کرده و رمزنگاری RSA را در هم بشکند – این رمزنگاری، سنگ بنای رمزنگاری مدرن است.
کشف شور که همچنان برای رایانش کوانتوم کاربرد زیادی دارد، قدرت چشمگیر چنین کامپیوترهایی را نشان داد و باعث افزایش سرمایه گذاری و تحقیقات در این حوزه شد. در نتیجه پیشرفت تکنولوژی کامپیوترهای کوانتوم شدت گرفت.
کامپیوتر کوانتوم چیست؟
بر خلاف ابر کامپیوترهایی مثل El Capitan در آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (سریع‌ترین کامپیوتر جهان که اخیراً رونمایی شده و توانایی اجرای 2700 کوادریلیون عملیات در ثانیه را دارد)، کامپیوترهای کوانتوم برای انجام محاسبات، همزمان چندین راهکار مختلف را بررسی می‌کنند. این قابلیت به این دلیل فراهم شده که کیوبیت‌ها می‌توانند در وضعیت برهم نهی حالت‌های مختلف قرار داشته باشند که به آنها امکان می‌دهد همزمان چندین محاسبات را انجام دهند.
اما به گفته Hayes از نظر سرعت کلاک واقعی، یعنی تعداد سیکل‌هایی که سی پی یوی یک کامپیوتر در هر ثانیه تکمیل می‌کند، کامپیوترهای کوانتوم سریع‌تر از کامپیوترهای سنتی نیستند.
او می‌گوید “ممکن است هر عملیات به تنهایی آهسته‌تر انجام شود اما برای حل یک مسئله نیاز به انجام عملیات بسیار کمتری دارید.”
کامپیوترهای کوانتوم چطور ساخته می‌شوند؟
کامپیوترهای سنتی از میلیون‌ها سوئیچ ظریف ساخته شده‌اند که جریان الکترون‌ها را مدیریت می‌کنند. اما وقتی این گیت‌ها در سطح زیر اتمی کوچک می‌شوند، کنترل اینکه الکتریسیته از یک گیت عبور کند یا نه، بسیار دشوار می‌شود. با استفاده از تونل زنی کوانتومی، وقتی به سطح زیر اتمی می‌رسیم، الکترون‌ها می‌توانند به دلخواه از روی گیت جهش کنند و به این ترتیب، توانایی دستگاه برای مدیریت این جریان بی فایده می‌شود. به همین دلیل، طرز ساخت کامپیوترهای کوانتوم بسیار متفاوت است.
بر خلاف گیت‌های منطقی سنتی که فقط سیگنال‌ها را به صورت صفر یا یک پردازش می‌کردند، گیت‌های کوانتومی یکسری کار پیچیده را انجام می‌دهند. این گیت‌ها، کیوبیت‌ها را آماده کرده، آنها را برای برقراری اتصالات کوانتومی در هم تنیده، احتمالات آنها را از طریق عملیاتی دقیق دستکاری کرده و در نهایت، نتایج را ارزیابی می‌کنند تا به داده‌هایی دقیق برسند. به این ترتیب، کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند محاسباتی بسیار پیچیده و فراتر از محدوده کامپیوترهای سنتی را انجام دهند.
به گفته Hayes کامپیوترهای کوانتوم مثل سیستم‌های مورد استفاده در شرکت Quantinuum به جای کنترل جریان الکترون‌ها در گیت‌ها، یون‌های اتمی را مدیریت می‌کنند. این یون‌ها به دقت در یک محفظه خلأ که بسیار ساکت‌تر از جو است قرار می‌گیرند.
به گفته او “فشار این محفظه خلأ از بیشتر قسمت‌های جو بسیار بهتر است. این یون‌ها بالای سطح یک میکروچیپ طلایی کوچک شناور هستند که حدود 71 میلیونیومِ متر است.”
این تراشه‌ی دارای روکش طلایی، با استفاده از ولتاژهایی که به شکل دقیق به الکترودهای روی تراشه اعمال شده‌اند، در جای خود ثابت می‌شود. این تنظیمات باعث می‌شود که یون‌ها، سطح را لمس نکنند و موقعیت لازم و مناسب را برای دستکاری و تغییر داشته باشند.
در کامپیوترهای کوانتوم از پالس‌های لیزر استفاده می‌شود که یون‌ها را کنترل کرده و بین حافظه و واحدهای پردازشی جابجا می‌کنند تا تعاملات لازم را برای محاسبات ممکن کنند. برای خواندن اطلاعات کوانتوم، کامپیوتر اشعه لیزر را روی یون می‌تاباند. اگر وضعیت یک باشد، نور پخش می‌شود. همین قابلیت کنترل گیت‌های کوانتوم و یون‌هاست که چنین قدرت خارق العاده‌ای به کامپیوترهای کوانتوم داده است.
به گفته Hayes اگر اطلاعات (یون‌ها) از این فضای خلأ فرار کنند، رفتار سیستم از یک کامپیوتر کوانتوم فاصله گرفته و به کامپیوترهای سنتی شباهت پیدا می‌کند.
“پس باید بسیار سریع عمل کرده و محاسبات را با سرعت کافی انجام دهیم تا این اطلاعات به سایر بخش‌های جهان درز پیدا نکنند. البته، در نهایت باید این اطلاعات درز کنند تا به پاسخ برسید اما این اتفاق باید در آخرین مرحله یا به روش بسیار کنترل شده انجام شود.”
مثلاً گوگل برای کنترل این فرایند از یک فلز ابررسانا استفاده می‌کند که در دمایی 8 برابر خنک‌تر از فضا کار می‌کند؛ دمایی که با دمای کار کامپیوترهای معمولی اختلاف بسیار زیادی دارد. بنابراین بعید است که به این زودی کامپیوترهای کوانتوم را خارج از آزمایشگاه‌ها ببینیم.
تهدید کامپیوترهای کوانتوم برای رمزنگاری
یکی از ترس‌های صنعت بلاک چین، توانایی کامپیوترهای کوانتوم برای دور زدن و شکستن رمزنگاری شبکه‌هایی مثل بیت کوین و اتریوم است. به غیر از بلاک چین، کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند امنیت سیستم اقتصاد جهانی، سازمان‌های فوق سری و حتی داده‌های کاربران معمولی را تهدید کنند.
با اینکه ابرکامپیوتر El Capitan سرعت فوق العاده زیادی دارد، کارشناسان می‌گویند شکستن رمزنگاری بیت کوین توسط این ابرکامپیوتر بیشتر از 10 میلیارد سال زمان می‌برد. این در حالیست که یک کامپیوتر کوانتوم می‌تواند با بهره‌گیری از کیوبیت‌ها، این کار را ظرف کمتر از 10 دقیقه انجام دهد!
به گفته دکتر Erik Garcell مدیر توسعه کوانتومی در شرکت Classiq “با در نظر گرفتن ساختار امروزی بلاک چین و کامپیوتر کوانتوم 10 سال آینده، امکان در هم شکستن رمزنگاری مورد استفاده برای تولید کلیدهای خصوصی بر اساس کلیدهای عمومی فراهم می‌شود. مثلاً رمزنگاری RSA جزء الگوریتم‌هایی است که قطعاً کامپیوتر کوانتوم توانایی شکستن آن را خواهد داشت.”
رمزنگاری RSA جزء تکنیک‌های پرکاربرد برای ایمن سازی داده‌ها است. این رمزنگاری با استفاده از یک کلید عمومی برای رمزنگاری اطلاعات و یک کلید خصوصی برای رمزگشایی کار می‌کند و برای حفظ امنیت، متکی بر تجزیه اعداد بزرگ است.
شرکت Classiq که سال 2020 تأسیس شد، ابزارهای نرم‌افزاری و الگوریتم‌های طراحی و بهینه سازی اپلیکیشن‌ها و مدارهای کوانتوم را تولید می‌کند. در ژوئن 2024، قرار شد که این شرکت با همکاری BMW Group و انویدیا از کامپیوترهای کوانتوم برای تقویت سیستم‌های مکانیکی در صنعت خودروسازی استفاده کند.
طبق توضیحات Garcell در بیت کوین و اتریوم بیشتر از رمزنگاری منحنی بیضوی استفاده می‌شود، اما تکنولوژی‌هایی مثل بلاک چین و رمزارزها بر اساس این ایده طراحی شده‌اند که حل یکسری مسائل خاص، برای کامپیوترهای سنتی فوق العاده سخت است.
او می‌گوید تصور ما این بوده که اگر مسائل به قدری سخت باشند که حل آنها نیاز به زمانی فوق العاده زیاد داشته باشد – یعنی تا پایان دنیا – رمزنگاری در برابر حملات کامپیوترهای سنتی امن خواهد بود. اما کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند چنین مسائلی را با بهره وری بیشتر حل کنند و به این ترتیب، فرضیاتی را که قبل از این بر اساس آن کار می‌کردیم، به چالش می‌کشند.
آیا صنعت بلاک چین باید نگران کامپیوترهای کوانتوم باشد؟
Hayes و Garcell معتقدند که در ده سال آینده، رایانش کوانتومی عملی می‌شود. این رقم با رقم اعلام شده در گزارش شرکت McKinsey Digital در آوریل 2024 همخوانی دارد که اعلام کرده بود احتمالاً صنایع شیمیایی، علوم زیستی، اقتصاد و حمل و نقل زودتر از سایر صنایع تحت تأثیر رایانش کوانتومی قرار گرفته و می‌توانند تا سال 2035 تا 2 تریلیون دلار درآمد کسب کنند.
Garcell می‌گوید “احتمالاً صنعت امور مالی بیشترین بازده را در مدت زمانی کمتر از این تحول به دست خواهد آورد، چون این صنعت نسبت به کوچکترین مزایای محاسباتی حساس است.”
در حال حاضر، بانک‌های بزرگ حرکت به سمت رایانش کوانتوم را برای تحول اقتصاد آغاز کرده‌اند. ولز فارگو در سال 2019 همکاری با IBM و MIT را آغاز کرد. جی پی مورگان چیس، در سال 2020 شروع به همکاری با Quantinuum کرد و گلدمن ساکس هم از سال 2021 تحقیق و بررسی در این زمینه را آغاز کرده است.
با اینکه صنعت بلاک چین نگران آخرالزمان کوانتومی است، به گفته Garcell ممکن است در هم شکستن رمزنگاری بیت کوین حتی جزء اهداف توسعه دهندگان کامپیوترهای کوانتومی نباشد. او معتقد است که ممکن است توسعه دهندگان از کامپیوترهای کوانتوم برای ماین کردن بیت کوین استفاده کنند.
به گفته او “مردم به دنبال پول هستند. در نتیجه خیلی‌ها سعی دارند بیت کوین را ماین کنند و به همین دلیل، باید راهی پیدا شود که انجام این کار را برای کامپیوتر کوانتوم سخت‌تر کند. با سخت‌تر شدن این محاسبات، ممکن است برای ماین کردن بیت کوین در آینده، نیاز به کامپیوتر کوانتوم داشته باشید.”
Garcell می‌گوید با اینکه از نظر اقتصادی، انگیزه در هم شکستن شبکه بیت کوین وجود ندارد، باز هم صنعت بلاک چین باید برای آینده‌ای که در آن کامپیوترهای کوانتوم فراگیر می‌شوند، آماده باشد.
کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند سیستم‌های رمزنگاری را در هم بشکنند اما در عین حال، رمزنگاری قوی‌تر را هم ممکن می‌کنند. در همین زمینه، توسعه دهندگان بلاک چین در حال برنامه ریزی آپگریدهایی برای مقاوم کردن این شبکه‌ها در برابر حملات کوانتوم هستند.
در سال 2019، ویتالیک بوترین هم‌بنیانگذار اتریوم اعلام کرد که کامپیوترهای کوانتوم مثل پروژه‌های گوگل، آی‌بی‌ام و مایکروسافت بیشتر حالت آزمایشی دارند. اما سه سال بعد یعنی در سال 2022، بوترین گفت که کامپیوترهای کوانتوم می‌توانند یکسری از روش‌های رمزنگاری خاص مثل RSA و رمزنگاری منحنی بیضوی را در هم بشکنند که جزء مهم‌ترین اجزای بسیاری از سیستم‌های رمزنگاری هستند.
در ماه مارس، بوترین ایده اجرای هارد فورک را برای مقاوم سازی بلاک چین اتریوم در برابر تهدید کامپیوتر کوانتوم مطرح کرد. این طرح شامل معکوس کردن بلاک‌ها پس از حمله، توقف یکسری تراکنش خاص و اضافه کردن روش‌های اعتبارسنجی مقاوم در برابر کوانتوم است.
جمع بندی
علیرغم اینکه در حال حاضر بلاک چین‌ها ایمن هستند، دنیای کریپتو مایل نیست که ریسک کند. همین حالا هم برای مقابله با پیامدهای این آخرالزمان کوانتومی، یکسری بلاک چین مقاوم در برابر کوانتوم مثل Praxxis، QAN و QRL طراحی شده‌اند تا حداقل مطمئن باشیم که دنیای کریپتو در صورت وقوع چنین شرایطی در امان خواهد بود.
