«رایانش کوانتومی» را می‌توان دریچه‌ای برای ورود به دنیایی توصیف کرد که در آن پیچیده‌ترین پردازش‌ها در کسری از ثانیه انجام می‌شوند. این همان انقلاب عظیمی است که شاید با آن فاصله بسیاری داشته باشیم؛ اما به سرعت در حال نزدیک‌شدن به آن هستیم، همانطور که تا سال گذشته کمتر کسی حدس می‌زد به این سرعت وارد عصر هوش مصنوعی شویم.
اولین بار رهبر معظم انقلاب در سال 1397 به هوش مصنوعی اشاره و درباره بالا بردن جایگاه کشورمان در فناوری‌های هوش‌مصنوعی تأکید کردند. مهم‌ترین و صریح‌ترین اشاره امام خامنه‌ای نسبت به این موضوع هم به دو سال گذشته برمی‌گردد که معظم‌له فرمودند: «من پیشنهاد می‌کنم یکی از مسائلی که مورد تکیه و توجّه و تعمیق واقع می‌شود، مسئله هوش مصنوعی باشد که در اداره آینده دنیا نقش خواهد داشت؛ حالا یا در معاونت علمی رئیس‌جمهور یا در دانشگاه باید کاری کنیم که ما در دنیا حدّاقل در [بین] ده کشور اوّل در مورد هوش مصنوعی قرار بگیریم که امروز نیستیم.» ما به تازگی می‌بینیم که هوش‌مصنوعی به یکی از مباحث داغ دنیا تبدیل شده است.
همانند هوش‌مصنوعی، امام خامنه‌ای اولین اشاره‌های خود به کوانتوم را هفته پیش در مراسم سالگرد رحلت امام خمینی(ره) بیان فرمودند و این شاید نشان از قریب‌الوقوع بودن ورود به عصر کوانتوم باشد؛ عصری که دنیا با قبل خود تفاوت‌های زیادی خواهد داشت؛ اما کوانتوم چیست و چگونه بر زندگی مردم تأثیر خواهد داشت؟
رایانش کلاسیک
یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های کامپیوترهای کلاسیک به کوچک‌سازی ترانزیستورها مربوط می‌شود. درحال حاضر، شرکت‌های تراشه‌سازی واحدهای ترانزیستور را تقریباً به اندازه یک اتم کوچک کرده‌اند که پیشرفت شگرف و باورناپذیری به شمار می‌آید. کامپیوترهای امروزی از واحدهای پردازش موسوم به بیت استفاده می‌کنند. بیت جریانی از پالس‌های الکتریکی یا نوری نشان‌دهنده اعداد ۱ یا صفر است و در حقیقت، تمامی فعالیت‌های‌مان از توئیت‌ها و رایانامه‌ها گرفته تا آهنگ‌ها و محتوای ویدئویی، در اصل رشته‌های طولانی این ارقام باینری هستند. در این میان، ترانزیستورها وظیفه ذخیره و پردازش این اعداد باینری را بر عهده دارند. این سوییچ‌های بسیار کوچک را در دنیای روزمره می‌توان به کلیدهای پریز برق تشبیه کرد که می‌توانند روشن یا خاموش باشند. از حالت روشن آنها می‌توان برای ذخیره‌سازی اعداد باینری «۱» و از حالت خاموش آنها برای اعداد باینری «۰» استفاده کرد. آنچه گفته شد، شگفت‌انگیز به نظر می‌رسد؛ اما این همان جایی است که توان محاسباتی کامپیوترهای مرسوم به اشباع شدن نزدیک می‌شود. هرچه اطلاعات بیشتری برای ذخیره‌سازی نیاز باشد، به بیت‌ها و ترانزیستورهای بیشتری نیاز خواهد بود؛ بنابراین، ترانزیستورها وظیفه بسیار مهمی در کامپیوترهای کنونی بر عهده دارند و این در حالی است که ما به محدودیت کوچک‌سازی آنها نزدیک می‌شویم.
رایانش کوانتومی
نظریه کوانتوم شاخه‌ای از فیزیک است که به دنیای اتم‌ها و ذرات کوچک‌تر (زیر اتمی) درون آنها می‌پردازد. در حقیقت، محاسبات کوانتومی نیز مبنای خود را بر اصولی پایبند کرده است که دانشمندان سال‌ها در کوچک‌ترین ذرات طبیعت، نظیر اتم‌ها، فوتون‌ها یا الکترون‌ها مشاهده کرده‌اند. «باب سوتور» متصدی اصلی بخش کوانتومی IBM، به زیبایی می‌گوید که محاسبات کوانتومی راه ما برای تقلید از طبیعت برای حل مشکلات فوق‌العاده دشوار، اما قابل حل آنها است.
ایده اصلی نهفته در کامپیوترهای کوانتومی این است که می‌توان از خواص و قوانین فیزیک کوانتوم برای ذخیره‌سازی و انجام عملیات روی داده‌ها استفاده کرد. کامپیوترهای کوانتومی با تکیه بر ویژگی‌های کوانتوم ذرات زیراتمی، برخی محاسبات را سریع‌تر از کامپیوترهای کلاسیک انجام می‌دهند. در کامپیوترهای سنتی، محاسبات پردازشی در مبنای ۲ انجام می‌شود و هر بیت در وضعیت خاموش یا روشن قرار می‌گیرد؛ اما واحد اطلاعات کوانتومی، کیوبیت(qbit)، با استفاده از ویژگی‌های مبتنی بر کوانتوم می‌تواند وضعیت خاموش و روشن یا هر مقداری بین آنها را ارائه دهد که به آن «برهم‌نهی» می‌گویند.
به‌طور کلی، «برهم‌نهی» نشان می‌دهد کامپیوتری که از کیوبیت استفاده می‌کند، می‌تواند حجم عظیمی از اطلاعات را ذخیره کرده و از انرژی کمتری نسبت به کامپیوترهای کلاسیک استفاده کند. با ورود به حوزه کوانتومی محاسبات که دیگر به قوانین سنتی و محدودکننده فیزیک پایبند نیستند، می‌توانیم پردازنده‌هایی بسازیم که بیشتر از یک میلیون‌بار سریع‌تر از پردازنده‌های امروزی هستند. همچنین، در کامپیوترهای مرسوم فعلی، دو برابر شدن تعداد بیت‌ها قدرت پردازش آنها را دو برابر می‌کند؛ اما به لطف «درهم‌تنیدگی»، افزودن کیوبیت اضافی به کامپیوترهای کوانتومی موجب افزایش نمایی در قابلیت‌های آنها می‌شود و سپس کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت‌ها را در نوعی زنجیره کوانتومی درگیر کرده تا جادوی دیوانه‌وار خود را انجام بدهند.
ویژگی‌های کوانتومی تفاوت بسیاری با ویژگی‌های کلاسیک ذرات دارند. همین ویژگی‌های کوانتومی با قابلیت‌های قوی محاسباتی خود موجب پیدایش کامپیوترهای کوانتومی شده‌اند؛ البته دانشمندان به‌جای تلاش برای دستیابی به فرمول مدیریت‌کننده کامپیوترهای کوانتومی، سعی می‌کنند به ادراک مفهومی خصوصیات کوانتومی که قدرت کامپیوترهای کوانتومی را تأمین می‌کنند، دست یابند.
درهم تنیدگی و برهم‌نهی را می‌توان دو پدیده فیزیکی در نظر گرفت که می‌توانند رایانش کوانتومی را امکان‌پذیر کنند؛ اما متأسفانه بهره‌مندی از قدرت بدیهی و بالقوه ذرات کوانتوم به دلیل ناهمدوستی کوانتومی امکان‌پذیر نیست.
توضیح ویژگی‌های فنی کوانتوم‌ها و رایانش‌کوانتومی بسیار سخت است و بیش از این وارد آن نمی‌شویم. بیایید کمی درباره دنیای بعد از رایانش کوانتومی بدانیم.
چرا رایانش کوانتومی؟
معروف‌ترین الگوریتم‌هایی که دانشمندان را برای سرمایه‌گذاری روی پژوهش‌های مرتبط با کامپیوترهای کوانتومی به‌شدت ترغیب می‌کنند، «الگوریتم شر» برای انجام محاسبات مرتبط با تجزیه اعداد طبیعی و «الگوریتم گرور» برای پژوهش و تحقیق است. الگوریتم شر بسیار سریع‌تر از بهترین کامپیوترهای متداول عمل می‌کند و چنانچه استفاده از این الگوریتم به‌راحتی امکان‌پذیر شود، می‌توان در دنیای واقعی استفاده‌های جالبی از آن کرد؛ برای نمونه، چنانچه از کامپیوترهای کوانتومی برای اهداف مخرب استفاده شود، می‌توان امنیت رمزنگاری را کاملاً بی‌اثر کرد و در آن زمان اینترنت امروزی بدون استفاده خواهد شد!
الگوریتم گرور نیز به همین میزان نسبت به الگوریتم‌های کلاسیک مورد استفاده برای تحقیق برتری دارد. با وجود اینکه در صورت استفاده از الگوریتم‌های کلاسیک در هنگام انجام عملیات تحقیقاتی اکثر موارد مورد تحقیق باید بررسی شوند، اما با استفاده از الگوریتم گرور می‌توان با دست یافتن به جذر تمام موارد مورد تحقیق و مطالعه، پژوهش را با اطمینان بالا از درست بودن نتیجه به پایان رساند.
هک کردن پسوردها و دور زدن رمزنگاری‌ها تنها کاربرد کامپیوترهای کوانتومی نیست (البته محبوب‌ترین کاربرد به شمار می‌آید). در حال حاضر، بسیاری از مبانی کوانتومی ناشناخته باقی مانده است؛ اما به قطعیت می‌توان گفت، این حوزه ظرفیت بسیاری برای دگرگون کردن بسیاری از صنایع دارد. کنترل موفقیت‌آمیز این ذرات در کامپیوتر کوانتومی می‌تواند موجب انفجار قدرت محاسباتی شود که به‌طور خارق‌العاده‌ای نوآوری را در بسیاری از زمینه‌ها پیش می‌برد. با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی می‌توان کانال‌های ارتباطی بسیار امنی را طراحی کرد. یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای کامپیوترهای کوانتومی شبیه‌سازی رفتار ماده تا سطح مولکولی است. تولیدکنندگان خودرو از کامپیوترهای کوانتومی برای شبیه‌سازی ترکیب شیمیایی باتری‌های خودروهای برقی استفاده می‌کنند تا راه‌های جدیدی را برای بهبود عملکرد آنها پیدا کنند. در این میان، شرکت‌های دارویی از آنها برای تجزیه و تحلیل و مقایسه ترکیباتی که می‌تواند منجر به ایجاد داروهای جدید شود، بهره می‌گیرند.
کامپیوترهای کوانتومی برای مشکلات مربوط به بهینه‌سازی عالی هستند؛ زیرا می‌توانند تعداد زیادی از راه حل‌های بالقوه را به سرعت خرد کنند. برای نمونه، کامپیوترهای کوانتومی برای محاسبه به‌صرفه‌ترین مسیرهای صعود و فرود هواپیما می‌توانند استفاده شوند و مسیرهای بهینه برای اتوبوس‌ها و تاکسی‌ها را در شهرها محاسبه کنند تا ازدحام را به حداقل برسانند. برخی از محققان همچنین تصور می‌کنند می‌توان از این ماشین‌ها برای سرعت بخشیدن به هوش مصنوعی استفاده کرد.
آینده پیش‌رو
برتری کوانتومی نقطه عطفی است که در آن یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند محاسبات ریاضی را که به‌طور قابل ملاحظه‌ای حتی از توانایی قوی‌ترین ابر کامپیوتر‌ها نیز خارج است، تکمیل کند. هنوز دقیقاً مشخص نیست که چند کیوبیت برای دستیابی به این هدف لازم است؛ زیرا محققان الگوریتم‌های جدیدی را برای افزایش عملکرد کامپیوترهای کلاسیک پیدا می‌کنند و سخت‌افزارهای کنونی نیز همچنان بهتر می‌شوند. محاسبات کوانتومی سال‌ها در انحصار دانشمندان و در شرایط آزمایشگاهی در حال توسعه بوده است؛ اما پیشرفت‌های جدید، این فناوری انقلابی را به سمت کاربردهای عملی سوق می‌دهد.