دكتر امين گلستاني
پژوهشگر و مشاور حوزه استراتژي فناوري اطلاعات
————————
مقدمه
از ديدگاه يك استراتژيست، همواره داشتن رويكرد آينده‌پژوهي، جهت بررسي و تحليل شرايط براي نيل به اهداف و ميل به سمت آرمان‌ها و چشم‌اندازها، اقدامي الزامي و ضروري است. لذا همواره بايد ظهور و بُروز علوم و تكنيك‌هاي مختلف را پايش و براساس تغيير شرايط و پاراديم‌ها، جهت‌گيري كند، در اين بين پديده‌هايي كه مي‌توانند در يك شاخة علمي، تغييرات راديكال و بنيادي ايجاد نمايند از اهم موارد اين بررسي به‌شمار خواهند آمد. از آنجاكه حوزه فناوري اطلاعات وابسته به ساير علوم مي‌باشد، با پيشرفت هر يك از علوم، بايد منتظر چالش‌ها و تغييرات جديد بود. يكي از مواردي كه امروزه در حال تحميل تغييرات اساسي و بنيادي به اين حوزه مي‌باشد، پيشرفت‌هاي بدست آمده در علوم فيزيك اتمي- مولكولي – اپتيكي و پيدايش كاربردهاي نظريه كوانتوم در دنياي فناوري اطلاعات است. اين تغييرات و قدرت‌نمايي‌هاي مهندسي كوانتوم، زماني ذهن همگان را به سمت خود متمايل ساخت كه نه‌تنها شركت‌هاي پيش‌رو در حوزه فناوري، بصورت جدي و متمركز به سمت كوانتوم متمايل شدند، بلكه نهادهاي امنيتي و ارگان‌هاي نظامي قدرت‌هاي جهان نيز با سرمايه‌گذاري‌هاي كلان، دست به توليد و اختراع محصولات جديد كوانتومي زدند، تا جائيكه كمسيون اتحاديه اروپا رسما اعلام مي‌كند، قصد دارد با سرمايه‌گذاري يك ميليارد يورو، هر آن چیزی که در ارتباط با فناوری‌های زیرساختی است، همچون، شبکه‌های ارتباطی ایمن، حس‌گرهای جاذبه بسیار دقیق، ساعت‌های کوانتومی، حس‌گرهای موجود در اسمارت‌فون‌ها، شکستن مجازی ارتباطات غیر قابل هک و… را تحت پوشش خود قرار دهد.
همانطور كه پيدايش ترانزيستورها و مدارات مجتمع، يادآور انقلاب بنيادي رايانه‌ها و خاتمه نسل سيستم‌هاي بزرگ حباب‌هاي خلاء است، نظريه‌هاي كوانتوم نيز كه در مقياس‌هاي فوق‌العاده كوچك كاربرد دارد، مي‌توانند پايه و اساس محاسبات صفر و يك را كه از خاموش و روشن لامپ‌ها حاصل شده، كاملا دگرگون ساخته، مقياس‌هاي سرعت و حساسيت را در هم نورديده، پاي انسان را به دنياي جديدي از قدرت و توانايي باز كند، لذا بديهي است كه قدرت‌هاي جهان به تكاپو و تلاش در اين حوزه بپردازند، چراكه فقط يكي از توانايي‌هاي سيستم‌هاي كوانتومي بدليل سرعت فوق بالا، كشف رمز و تحليل مسائل نظامي است.
دنياي فناوري اطلاعات، همواره با تغييرات و پيشرفت‌هاي زيادي مواجه بوده است و هربار تعداد زيادي از كسب و كارها، جاي خود را به نسل‌هاي بعدي داده‌اند، بنابراين فقط كساني توانسته‌اند در بازارهاي رقابتي باقي بمانند كه همواره به پايش و رصد شرايط مي‌پردازند و فعاليت‌هاي خود را منطبق و منعطف با شرايط انجام مي‌دهند، لذا ظهور فناوري‌هاي جديد با اهداف كوچك‌ترسازي و سريعترسازي سيستم‌هاي رايانه‌اي از طريق تلفيق نظريه اطلاعات و مكانيك كوانتوم، انقلابي ديگر را در عرصه فناوري‌هاي بنيادي ايجاد نموده و باعث شده تا نسل سيستم‌هاي كوانتومي در اساس و اصول، بسيار متفاوت‌تر از نسل قبل ديده شود، پس قطعا اين حوزه نه تنها در سطح زندگي افراد تاثيرگذار است، بلكه براي رشد و بقاي سازمان‌ها نيز اهميت زيادي دارد.
با ديدگاهي گسترده‌تر، مي‌توان اهميت نظريات كوانتوم و تلفيق آن با فناوري اطلاعات را از لحاظ امنيت ملي كشورها نيز مورد بررسي و تحقيق قرار داد، چراكه اين فناوري و ابزارهاي حاصله مي‌توانند با تقويت قدرت تدافعي يا تهاجمي نظامي اعم از سايبري يا فيزيكي، در جايگاه تهديد سايرين نيز قرار گيرند، به‌همين منظور با روش‌هاي آينده‌پژوهي مي‌بايست تحقيقي دقيق در دستور كار قرار گيرد. لذا از آنجاكه يكي از راه‌هاي شناخت عمق نفوذ يك موضوع، شناسايي سرمايه‌گذاران و علاقمندان آن موضوع است، با بررسي و شناسايي سرمايه‌گذاران در حوزه كوانتوم در فناوري اطلاعات، مي‌توان به نتايج مهمي دست يافت، اينكه شركت‌هاي مهمي مانند D-Wave ، گوگل، مايكروسافت، آمازون، اينتل، لوك‌هيدمارتين و IBM وارد اين حوزه شده‌اند، از يك طرف و حضور فعال ناسا و شركت‌هاي وابسته با سازمان سيا مانند شركت In-Q-Tel و ارتش آمريكا نيز از طرف ديگر، اذهان را به اهميت استراتژيك موضوع كوانتوم در سطح جهاني منعطف مي‌سازد.
نظريه كوانتوم
كلمه كوانتوم به‌مفهوم بسته يا دانه، در فيزيك به معناي مقدار پايه يا كمترين مقدار كميت است، لذا فيزيك و مكانيك كوانتوم، شاخه‌اي از علم فيزيك نظري مرتبط با پديدهاي فيزيكي در مقياس ميكروسكوپي است و عمدتا در محدودة اتم و زيراتم به ارائه نظريه مي‌پردازد. برهمين اساس، قوانين و اصول در اين علم بسيار متفاوت از مكانيك كلاسيك يا حتي مكانيك نيوتني و الكترومغناطيس كلاسيك مطرح خواهند شد.
چنانچه قرار بود قوانين كلاسيك در اتم‌ها نيز صادق باشد، مي‌بايست الكترون‌ها به‌سرعت به‌سمت هسته اتم حركت كرده و با آن برخورد مي‌كردند، لذا كليه اتم‌ها همواره ناپايدار مي‌شدند، اما در حقيقت اينطور نيست. الكترون‌ها هميشه در فاصله مشخصي با هسته در حال حركت هستند و هرگز برخوردي حادث نمي‌شود. بنابراين لازم بود تا علم جديدي براي اين موضوع، توضيحي ارائه كند، پس نظريه كوانتوم در اوايل قرن بيستم با فرمول‌بندي ماتريسي و موجي مطرح شد و پيرو ظهور اين علم جديد، شيمي كوانتوم نيز با شاخه‌هاي شيمي- فيزيك، شيمي- آلي، شيمي- تجزيه و شيمي- معدني نيز پديد آمد ولي همواره بين نظريه كوانتوم و فيزيك كلاسيك، تضادهايي وجود دارد و فيزيك‌دانان براي تركيب يافته‌هاي مكانيك كوانتوم با نظريه نسبيت عام به‌دنبال توسعه نظريه وحدت يافتة نهايي هستند.
امروزه نظريه كوانتوم در علوم فناوري اطلاعات با نظريه‌هاي ميدان‌هاي كوانتومي، واپاشي، گسيل و اتصال تونلي كوانتوم، فراوضعيت، برهم‌نهي، درهم‌تنيدگي و ساير موارد در حال ايجاد تغييرات بنيادي و اساسي در انجام محاسبات، پردازش و انتقال اطلاعات مي‌باشد. البته در اين حوزه جديد با واژه‌هاي عجيبي مانند جهان‌هاي موازي يا خودكشي‌هاي كوانتومي نيز برخورد خواهيد كرد كه جهت حفظ روية تحقيق، در اين مقاله، تلاش مي‌گردد تا صرفا به بحث در خصوص نسل‌هاي آينده رايانه‌ها با نظريه كوانتومي تمركز شود.
نه تنها عملكرد رايانه‌هاي كوانتومي با رايانه‌هاي سيليكوني متفاوت است، بلكه حتي شكل ظاهري و نحوه توليد آنها نيز با هم متفاوت مي‌باشد. براي ساخت تراشه‌هاي موجود، معمولا از اتاق‌هاي ايزوله و خاصي استفاده مي‌شود و افراد با پوشش‌هاي مخصوصي در اين اتاق‌ها تردد مي‌كنند، اما اين موضوع در ساخت قطعات مربوط به مكانيك كوانتومي از حساسيت بيشتري برخوردار است چراكه حتي نوري كه از چشم افراد به ذرات كوانتومي برخورد مي‌كند، مي‌تواند در شتاب و مسير آنها تاثيرات زيادي بگذارد، بنابراين از ابزارهاي ويژه‌اي براي شتاب‌دهي ذرات استفاده مي‌كنند تا دخالت انسان به حداقل ممكن برسد كه البته در مكانيك كوانتومي به‌همين موضوع، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ گفته مي‌شود.
رايانه‌هاي كوانتومي
رايانه‌هاي كوانتومي، سيستم‌هايي هستند كه بر پاية نظريه كوانتوم و ساز و كار اتم كار مي‌كنند، اين سيستم‌ها بر پاية ملاك‌هاي دي‌وينچزو به پردازش كوانتومي اطلاعات[۱] مي‌پردازند. واحد بيت در اين رايانه‌ها به كيوبيت و مقياس سرعت در حد پتافلاپس[۲] است، واحدي نزديك به واحد توان پردازش مغز يك انسان. اين واحد جهت اندازه‌گيري سرعت پردازش‌هاي كوانتومي به‌معناي تعداد عمليات نقطه شناور در ثانيه استفاده مي‌شود. یک اتم می‌تواند به‌عنوان یک بیت حافظه در رایانه عمل کند و جابجایی اطلاعات از یک محل به محل دیگر نیز توسط نور امکان‌پذير مي‌شود، با اين امكان، ديگر به زيرساخت‌هاي فيزيكي جهت برقراري ارتباط بين بيت‌ها مانند سيم، نيازي نيست. مشابه وضعيت روشن و خاموش در كامپيوترهاي سيليكوني را نيز مي‌توان در سيستم‌هاي كوانتومي اينطور درنظر گرفت كه اگر در يك اتم، میدان‌های مغناطیسی کوچک هسته و الکترون‌های بیرونی در یک جهت قرار بگیرند وضعيت روشن، و در خلاف جهت، وضعيت خاموش محسوب می‌شود پس يك الكترون، مي‌تواند داراي حركت چرخشي يا اسپيني با جهت خاص يا خلاف آن جهت باشد، يا حتي مي‌تواند داراي تركيبي از اسپين‌هاي مختلف باشد. همين ويژگي الكترون‌ها باعث شده تا براي مقداردهي، مورد استفاده قرار گيرند، با به‌کار بردن گيت‌هاي كوانتومي می‌توان یک واحد انتقال پیچیده از طریق مجموعه‌ای از کوبیت‌ها را در بعضی حالات ابتدایی ایجاد كرد، لذا برخلاف سيستم دودويي رايانه‌هاي سيليكوني كه يا وضعيت صفر و يا يك را داشتند، كيوبيت‌ها در سيستم‌هاي كوانتومي مي‌توانند در آن واحد، هم صفر باشند و هم يك. بنابراين با استفاده از جمع آثار و برنامه‌ريزي فوق متراكم، مي‌توان سرعت‌هاي فوق‌العاده بالايي را در انجام پردازش و محاسبات تجربه كرد. كامپيوتر كوانتومي به‌عنوان يك ماشين محاسبه‌گر، از گيت‌هاي منطقي براي پردازش اطلاعات بهره مي‌برد و اصلي‌ترين تفاوت ميان گيت‌هاي منطقي كلاسيك و كوانتومي آن است كه ورودي و خروجي گيت‌هاي كوانتومي مي‌تواند حالت برهم نهادة يك كيوبيت باشد. يكي از گيت‌هاي منطقي كوانتومي، گيت كنترل شده NOT يا به اختصارCNOT است. اين گيت، دوكيوبيت را به‌عنوان حالت ورودي دريافت مي‌كند كه يكي كيوبيت كنترل و ديگري كيوبيت هدف است. اگر ارزش كيوبيت كنترل، صفر باشد، كيوبيت هدف را تغيير نمي‌دهد، ولي اگر ارزش كيوبيت كنترل، يك باشد، گيت CNOT روي كيوبيت هدف، مانند يك گيت NOT عمل مي‌كند.
ذخيره‌سازي داده‌ها نيز در مهندسي كوانتوم، بسيار متفاوت است و امکان ذخیرة بیش از یک داده به شكل‌هاي مختلف تعریف شده، روی یک ثبات در زمان واحد ميسر است. به‌اين معنا كه یک کامپیوتر کوانتومي با سه بیت می‌تواند در یک لحظه، در هشت حالت باشد ولی در کامپیوترهای دودویی، این سه بیت در هر لحظه، فقط در یکی از این هشت حالت قرار دارند. مزايايي مانند سرعت و همزماني باعث شده تا سيستم‌هاي كوانتومي بين فعالان حوزه فناوري، از طرفداران زيادي برخوردار باشد. به‌عنوان مثال در یک تست، یک کامپیوتر کوانتومی، مسئله The Travelling Salesman (یک تست شناخته شده در محاسبات) را در کمتر از نیم ثانیه حل کرد در حالی‌که یک کامپیوتر معمولی، سی دقیقه برای حل این مسئله زمان نیاز داشت. انجام محاسبات فاكتوريل اعداد بزرگ، فقط در كسري از ثانيه نيز گواه سرعت بالاي پردازشگر كوانتومي است و به عبارت دیگر در كل، کامپیوتر کوانتومی ۳۶۰۰ بار سریع‌تر از کامپیوتر متداول امروزی برای حل این مسئله است. یک کامپیوتر کوانتومي فقط با۳۰ کیوبیت، قدرتی معادل رايانه معمولی با توانایی انجام ۱۰ترا محاسبه بر روی اعداد اعشاری در یک ثانیه – ترافلاپس دارد درحاليكه سریع‌ترین ابَررايانه کنونی، سرعتی برابر ۲ ترافلاپس دارد. بنا به ادعاي شركت گوگل، اختلاف سرعت بين كامپيوترهاي نسل كوانتوم با نسل گذشته، بسيار زياد و در حد ۱۰۰ميليون برابر است. هارت‌مات نِوِن، مسئول تیم مهندسی گوگل در این خصوص می‌گوید:
” آنچه که یک رایانه کوانتومی D-Wave در یک ثانیه انجام می‌دهد، در رایانه‌های معمولی با پردازنده تک هسته‌ای به ده هزارسال زمان نیاز دارد.”
اين موضوع توسط پيتر شور، استاد ریاضیات کاربردی دانشگاهMIT در سال ۱۹۹۴ كه اولين الگوريتم محاسبات كوانتومي را مطرح نمود نيز قابل پيش‌بيني بود و حتي بعد از آن پيتر شور ثابت كرد كه ضرب عددي چهار صد رقمي، كه يافتن حاصل آن براي يك كامپيوتر معمولي ميلياردها سال به‌طول خواهد انجاميد، با استفاده از يك كامپيوتر كوانتومي فقط ظرف يك سال امكان‌پذير است. اين سرعت‌هاي بالا باعث شده تا بشر به انجام محاسبات غير ممكن فكر كند. تصوراتي از قبيل محاسبه و شبيه‌سازي زمان پيدايش يك كره يا منظومه‌اي در كهكشان و يا ساير مواردي كه تا به‌حال، غير ممكن بوده‌اند امروزه با ورود كوانتوم به فناوري اطلاعات، چهره‌اي اميدواركننده پيدا كرده است.
علي‌رغم همه موفقيت‌هاي دانشمندان و محققان پيرامون علوم كوانتوم، هنوز در توليد و بهره‌برداري از سيستم‌هاي كوانتومي، مشكلات فني و مسائل پيچيدة زيادي وجود دارد، سيستم‌هايي به شكل‌هاي عجيب و غريب كه حدود سه متر ارتفاع دارند و در دماهاي بسيار پايين، نزديك به صفر مطلق (منفي ۲۷۳ درجه سانتيگراد) و با ساختارهاي خاص از جنس الماس كار مي‌كنند و نفوذ هرگونه نور يا گرما، مي‌تواند كاملا عملكرد سيستم را مختل سازد حتي اگر اين نور، فقط در حد تابش يا انعكاس نور چشم يك انسان باشد. پيچيدگي‌هاي استفاده از علوم مختلف و متعدد و انجام محاسبات سرسام‌آور خطاهاي حركتي و وضعيتي الكترون‌ها و همچنين تحليل رفتار اتم‌ها از يك طرف و هزينه‌هاي بالاي تحقيقات از طرف ديگر، موجب گشته تا خيل عظيمي از صاحبان فناوري، نتوانند وارد اين بازار شوند.
شايد رايانه‌هاي كوانتومي در ابتداي مسير توليد، نتوانند همه وظايف يك رايانه روميزي را ايفا نمايند، ولي مطمئنا قرار است به‌دنبال پردازش‌هاي بسيار پيچيده و وقت‌گير باشند، لذا با اينكه هنوز هم اهداف اساسي اين سيستم‌ها در هاله‌اي از ابهام است، فقط مي‌توان از اعلام جهت‌گيري‌ها و افشاي اطلاعات توسط برخي از محققين، تا حدود زيادي پي به اهداف برد. اين اهداف در دو سطح جزئي و كلي تعريف و دسته‌بندي شده‌اند. اهداف جزئي، اهدافي هستند كه در سطوح پايه علوم قرار گرفته و با لحاظ تغييرات در جزئيات فني مي‌توانند به‌عنوان گام‌هاي اوليه در دست‌يابي به ساير اهداف، موثر باشند مانند كنترل اتم‌هاي منفرد، ولي اهداف كلي، به اهدافي گفته مي‌شود كه در نتيجة انجام مجموعه‌اي از اقدامات به دست‌يابي نتايجي محسوس و مشهود در يك حوزه مشخص، منتج مي‌شود مانند تحليل مسائل پيشرفته نظامي.
ساخت پاد ماده، تغيير قوانين رمزنگاري، افزايش سرعت در رمزگشايي، افزايش سرعت در جست و جو، انجام شبيه‌سازي‌هاي پرحجم، انجام پردازش‌هاي نجومي، پيش‌بيني و تخمين آينده‌هاي موضوعي، دستكاري در ساختار اتم‌ها، كاهش شديد حجم رايانه‌ها، ارتقاء هوشمندي روباتيك، قدرت‌هاي فرازماني، چندزماني و همزماني، تغيير مبنا در كدگذاري‌ها، ساخت تركيبات پيچيدة دارويي، شناسايي كليه حالات پروتئين و ساير بافت‌ها، سيستم‌هاي تحليل آب و هوا، حل مسائل پيچيده نظامي، توسعه علم نجوم از طريق شبيه‌سازي‌هاي كهكشاني، محاسبه و تخمين عمر اجرام آسماني، دخالت الكترومغناطيسي در يون‌ها، همگي از جنس اهدافي هستند كه تاكنون براي سيستم‌هاي كوانتومي درنظر گرفته شده است، اما قطعا به‌محض فراگير شدن اين نوع سيستم‌ها، اهداف و كاربردهاي غافلگيركنندة بيشتري به مرحله ظهور خواهند رسيد.
نتيجه‌گيري
همواره تاريخ گواه اين موضوع بوده كه سرعت پيشرفت‌هاي انسان در دست‌يابي به اهدافش، چنان زياد است كه گاهي اصول علمي و قوانين جاري علوم در توجيه و حل مسائل مطرحه، ناكارآمد مي‌شوند، مانند زمانيكه نظريه زمين مركزي بطلميوس در توصيف مدار مريخ ناتوان ماند، يا بي‌اعتباري فيزيك كلاسيك در توجيه ظرفيت گرماي جامدات در دماهاي بسيار پايين و گردش الكترون‌ها به دور هسته، و ناكارآمدي مكانيك كلاسيك در توضيح حركت ذرات در سرعت‌هاي بالا، كه همگي نمونه‌هايي از لزوم توسعه و پيدايش علوم مدرن با قوانين به‌روز هستند. امروز هم انسان به‌دنبال دست‌يابي به سرعت‌هاي نجومي و ظرفيت‌هاي تمام‌نشدني براي حل مسائل خود است، بنابراين بديهي است كه مي‌بايست براي رسيدن به اهداف خود، ابزار و يراقي توانمندتر مهيا سازد. براين اساس، نظريات كوانتوم را با قوانين فناوري اطلاعات آميخته و بدنبال بهره‌برداري و ادغام حداكثر توان مهندسي كوانتوم در مهندسي فناوري اطلاعات است كه البته همانند گذشته در ابتداي اين مسير بايد معماها و پيچيدگي‌هاي زيادي را حل كند تا انقلابي ديگر را در عرصه علم و فناوري رقم بزند. مطالعه و بررسي اين حوزه بدلايل استراتژيك و راهبردي براي سازمان‌ها، شركت‌ها و حتي كشورها الزامي است چراكه بايد آماده مواجه شدن با تغييرات بنيادين در زيرساخت‌ها، محصولات و خدمات باشند، از اين رو، آينده‌پژوهي حوزه نظريات كوانتوم در نسل‌هاي آيندة فناوري اطلاعات، يك الزام استراتژيك محسوب مي‌شود.
[۱] QIP: Quantum Information Processing
[۲] FLOPS: Floating-Point Operation Per Second
