بهينه ساز فناوري اطلاعات و ارتباطات دكتر امين گلستاني
كامپيوتر کوانتومی ماشینی است که از پدیده‌ها و قوانین مکانیک کوانتوم مانند برهم نهی (Superposition) و درهم تنیدگی (Entanglement) برای انجام محاسباتش استفاده میکند. کامپیوترهای کوانتومی با کامپیوترهای فعلی که با ترانزیستورها کار می‌کنند تفاوت اساسی دارند. ایده اصلی که در پس کامپیوترهای کوانتومی نهفته است این است که میتوان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. یک مدل تئوریک و انتزاعی از این ماشین‌ها، ماشین تورینگ کوانتومی(Quantum Turing Machine) است که کامپیوتر کوانتومی جهانی (Universal Quantum Computer) نیز نامیده می‌شود. 
واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا می‌آید که این نظریه به بعضی از کمیت‌های فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون) تحت شرایط خاص، مقدارهای گسسته‌ای نسبت می‌دهد. پایه‌های مکانیک کوانتومی در نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، لویی دوبروی، نیلز بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبه‌های بنیادی این نظریه هنوز هم در حال پیشرفت است.
اگر چه محاسبات کوانتومی تازه در ابتدای راه قرار دارد، اما آزمایش‌هایی انجام شده که در طی آنها عملیات محاسبات کوانتومی روی تعداد بسیار کمی از کوبیت‌ها اجرا شده است. تحقیقات نظری و عملی در این زمینه ادامه دارد و بسیاری از موسسات دولتی و نظامی از تحقیقات در زمینه کامپیوترهای کوانتومی چه برای اهداف غیرنظامی و چه برای اهداف امنیتی (مثل تجزیه و تحلیل رمز، Cryptanalysis) حمایت می‌کنند. اگر کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس بزرگ ساخته شوند، می‌توانند مسائل خاصی را با سرعت خیلی زیاد حل کنند (برای مثال الگوریتم شُور، Shor’s Algorithm). البته باید توجه داشت که توابعی که توسط کامپیوترهای کلاسیک محاسبه پذیر (Computable) نیستند، توسط کامپیوترهای کوانتومی نیز محاسبه پذیر نخواهند بود. این کامپیوترها نظریه چرچ-تورینگ را رد نمی‌کنند. کامپیوترهای کوانتومی فقط برای ما سرعت بیشتر را به ارمغان می‌آورند.
یک محاسبه گر کوانتومی دستگاهی است که به صورت مستقیم از پدیده مکانیک کوانتومی همانند انطباق و گرفتاری برای پردازش داده استفاده میکند. به تعریف دیگر اساسی ترین پایه محاسبات کوانتومی این است که میتوان از خواص کوانتومی برای ارائه، پردازش و ایجاد عمل روی داده ها بهره جست. شاید درک این موضوع کمی سخت باشد، اما به زبان بسیار ساده میتوان گفت دستگاههای محاسبه گر کوانتومی روی خود اتم ها عملیات مورد نیاز را برای پردازش اطلاعات انجام میدهند.
شرکت Intel با سرمایه گذاری روی کامپیوترهای کوانتومی که با مشارکت چند موسسه تحقیقاتی انجام می شود، قصد دارد به راه حل خیلی از مسائلی که در زمینه این کامپیوترها بی پاسخ است، برسد. هدف شرکت Intel، بالا بردن سطح تخصص تحقیقاتی است و معتقد است که یک شرکت یا موسسه به تنهایی نمی تواند در این مسیر به موفقیت برسد. به همین علت اینتل با موسسه تحقیقاتی Qu Tech و دانشگاه TNO قصد همکاری دارد. مبلغ سرمایه ای که برای این کار در نظر گرفته شده ۵۰ میلیون دلار است. توسعه و پیشرفت در این دانش، به شبیه سازی های پیچیده مثل تجزیه و تحلیل های مالی در مقیاس بزرگ و بیشتر از ان در صنعت دارو سازی استفاده خواهد داشت.
بين كامپيوتر هاي كوانتومي و كامپيوتر هاي كلاسيك تفاوت هاي اساسي وجود دارد:
۱- در کامپيوتر هاي كوانتومي به جاي استفاده از ترانزيستورها و مدارهاي رايانه اي معمولي از اتم ها و ساير ذرات ريزمانند نانو ذرات نيمه رسانا((نقاط کوانتومي- Quantum dots)) براي پردازش اطلاعات استفاده مي كنند.يك اتم مي تواند به عنوان يك بيت حافظه در رايانه عمل كند و جا به جايي اطلاعات از يك محل به محل ديگر نيز توسط نور امكان مي پذيرد. ذخيره اطلاعات در کامپيوترهانيز به صورت سري هايي از بيت هاي با حالت هاي روشن و خاموش صورت مي گيرد.
۲- در مقايسه اين ۲نوع کامپيوتر مي توان گفت،مسائلي که زماني تصور مي شد درکامپيوترهاي کلاسيک غير قابل حل است،درکامپيوتر هاي کوانتومي حل خواهد شدو شبيه سازي هاي صورت گرفته به واقعيت نزديک تر مي شود.حتي ابر کامپيوترها هم در برابر آنها رقيبي محسوب نخواهند شد. به عنوان مثال ،به روز رساني نرم افزار ،Email،بانک هاي آنلاين و تمام قلمرو رمز نگاري عمومي و امضاهاي ديجيتال،فقط از دوروش رمز نگاري براي ايمن نگاه داشتن خود استفاده مي کنند.
RSAوECC (رمزنگاري منحني بيضي) دوروشي هستند که کشف رمز اين روشها،براي کامپيوترهاي کلاسيک تا حد زيادي ناشدني است.ولي يک کامپيوتر کوانتومي به اندازه کافي براي شکستن هردوي اين کدها،قدرتمند است.
(ECCبراي امضاهاي ديجيتال استفاده مي شود،که اطمينان ميدهد يک پيغام واقعا توسط فرستنده مدعي،فرستاده شده است.RSAبراي بيشتر سيستمهاي رمزنگاري کليد عمومي استفاده ميشود،که در آن يک پيغام ،با يک کليد عمومي مجاز کدگذاري مي شود و بايد با قوانين رياضي مبتني بر کليد سرّي رمزگشايي شود. )
۳-کامپيوترهاي کوانتومي از يک خاصيت ديگر هم سود مي برند که آنها را از کامپيوترهاي کلاسيک مستثني مي کند و آن انتقال از راه دور است.انتقال از راه دور موجب مي شود، اطلاعات يک ذره به ذره ديگري منتقل شود.درنتيجه کامپيوترهاي کوانتومي براي انتقال بيت در درون و بيرون ساختار خود ،نيازمند سيم نيستند.
۴-تفاوت ديگر کامپيوترهاي کوانتومي با کامپيوترهاي کلاسيک اين است که،اندازه ترانزيستورها هر سال کوچکتر ميشود.وقتي اندازه ترانزيستورها به ابعاد اتمي نزديک مي شود،ديگر قوانين حاکم بر فيزيک کلاسيک بر رفتار اتم ها حاکم نيست.
به طور مثال کسي نميداند يک الکترون در زمان مشخصي ،دقيقاً در کجا قرار دارد يا کسي نميتواند به درستي تشخيص دهد که الکترون در يک سيم به کجا ميرود. يعني وقتي به ابعاد اتمي نزديک مي شويم،فيزيک کوانتومي رفتار اتم ها را توضيح ميدهد و ديگر قوانين فيزيک کلاسيک کاربرد ندارد.در واقع اين نوع کامپيوترها با استفاده از فناوري هاي ميکروسکوپي ذره ها کار مي کنند.
۵-همان طورکه مي دانيم دريک کامپيوتر کوانتومي نسبت به کامپيوترهاي کلاسيک ،اصول حاکم تغيير نموده اند.نه تنها،يک بيت کوانتومي، موسوم به کيوبيت مي توانددرحالت هاي صفرويک کلاسيک وجودداشته باشد بلکه همچنين مي تواننددرحالت برهم نهي قرارداشته باشد.هرگاه هر کيوبيت دريک کامپيوترکوانتومي درحالت برهم نهي واقع شده باشد ،آنگاه کامپيوتررامي توان درهرحالت ممکني مجسم کرد که آن کيوبيت هامي توانندازخودنشان دهند.درواقع کامپيوتر هاي کوانتومي مي تواند در يک زمان چندين حالت داشته باشد و اين امکان راايجادمي کند که ميليون ها بار سريع تر و قدرتمند تر از ابرکامپيوتر هاي فعلي کار کند. چند حالت پذيري کيوبيت ها همان دليلي است که باعث مي شود کامپيوتر هاي کوانتومي ذاتاً از پردازش موازي بهره ببرند. پردازش موازي امکان کار کردن بر روي ميليون ها محاسبه در يک لحظه را به اين کامپيوتر ها مي دهد در حالي که کامپيوتر شخصي شما فقط يک محاسبه در لحظه انجام مي دهد.
با توجه به ماهيت ساختار کامپيوترهاي کوانتومي،روش برقراري ارتباط آنها کاملاً متفاوت با کامپيوترهاي امروزي است. بدين صورت که پالس هاي راديويي نقش صفحه کليد را دارند،که به وسيله آن اطلاعات وارد کامپيوتر مي شود و دستگاه تشديد مغناطيسي که شبيه به دستگاه MRI بيمارستان است،نقش صفحه نمايش را ايفا مي کند و با ارائه تصوير مغناطيسي از توده مولکولها ، کامپيوتر توده محاسبات را به ما ميدهد.
از سوي ديگر بايد تلاش کرد ترانزيستورهايي از جنس مورد نظر ساخت، زيرا ترانزيستورها،عامل تقويت ولتاژ در مدارهاي الکترونيکي هستند و قدرت تقويت کنندگي آنها موجب افزايش سرعت کامپيوتر ها است.
اين ترانزيستورها تاثير مهمي در توليد کامپيوترهاي آينده دارند و در صورتي که در ابتدا يا انتهاي ساختار آنها،ترکيبي با ديگر نيمه هادي ها به خصوص طلا ايجاد شود يا حتي روي پوسته آنها نيمه هادي مهمي چون «روي» قرار داده شود،گام مهمي براي توليد قدرتمندترين ترانزيستورها برداشته ايم.
در واقع زماني که اين نيمه هادي هاي ترکيب شده،به يک باطري متصل مي شوند و الکتريسيته دريافت مي کنند،همچون يک ترانزيستور عمل کرده و موجب تقويت ولتاژ در مدار و همچنين موجب افزايش سرعت کامپيوتر مي شوند.از آنجايي که جريان ورودي به اين نيمه هادي ها قابل کنترل است،جريان خروجي از آنها هم قابل کنترل است. اين ترکيب ها اين قابليت را دارند که در ساخت نقاط کوانتومي مورد استفاده در کامپيوترهاي نسل آينده استفاده شوند.
اين نقاط کوانتومي در واقع کريستال هايي از نوع نيمه هادي هستند،که قابليت ذخيره کردن الکترون ها در آنها فوق العاده بالاست.اين نقاط کوانتومي بهترين مکان براي ذخيره سازي اطلاعات در کامپيوترهاي پيشرفته هستند. از سوي ديگر در صورتي که بتوان نقاط کوانتومي را با يکديگر پيوند داد، مي توان آنها را به اندازه تنها چند سانتي متر مربع در ساختار سخت افزاري کامپيوترها جاي داد.به اين ترتيب هر سانتي متر مربع از درايورهاي ما مي توانند صدها گيگا بايت از اطلاعات را در خود ذخيره کنند.
… ادامه دارد
نویسنده: دکتر امین گلستانی، مشاور و مدرس استراتژی های فناوری و امنیت اطلاعات
