برتری کوانتومی برای بشر

خبری دست به دست می‌شود مبنی بر اینکه گوگل کامپیوتری کوانتومی، آنقدر قدرتمند ساخته که که هیچ ابرکامپیوتری هم به گرد پایش نمی‌رسد. برتری کوانتومی چیست و چه پیامدهایی برای بشر در پی خواهد داشت؟

برتری کوانتومی برای بشر

گوگل مدعی است که به برتری کوانتومی دست یافته است. این یعنی گوگل کامپیوتری کوانتمی در اختیار دارد که از هر کامپیوتر دیگری در جهان قدرتمندتر است و هیچ کامپیوتر یا ابرکامپیوتر کلاسیکی نمی‌تواند حتی به گرد پایش هم برسد. مدتی است که محققان منتظر شنیدن این خبر بودند اما کسی تصور نمی‌کرد به این زودی‌ها برتری کوانتومی محقق شود.

متن مقاله‌ای روی وب منتشر شده است که بر اساس آن تیمی از دانشمندان گوگل توانسته‌اند به «برتری کوانتومی » دست‌یابند. این مقاله در یکی از خروجی‌های سایت ناسا منتشر و بعد از مدت کوتاهی حذف شد. گوگل تا کنون درباره این خبر سکوت کرده و این خود احتمالا به معنای معتبر بودن مقاله درز کرده به وب باشد. اگر گوگل صحت این خبر را در ساعات یا روزهای آتی تایید کند، این دستاوردی تاریخی برای بشر خواهد بود. دستاوردی قابل قیاس با آغاز دوران کامپیوترها، سفر به فضا یا کشف آنتی‌بیوتک.

در مقاله درز کرده به بیرون، اشاره به یک کامپیوتر کوانتومی ، ساخته شده با استفاده از ۵۳کیوبیت شده است. پس از توضیح درباره ساختار پردازنده کامپیوتر، در ادامه مسئله‌ای ریاضی مطرح می‌شود که حل آن توسط کامپیوترهای کلاسیک زمان زیادی می‌برد و دانشمندان تیم AI Quantum گوگل برای حل آن از کامپیوتر کوانتومی  ۵۳کیوبیتی خود استفاده می‌کنند. پیشتر برآورد می‌شد که یک کامپیوتر کوانتومی با استفاده از ۵۰ تا ۱۰۰کیوبیت احتمالا خواهد توانست از هر کامپیوتر کلاسیک دیگری سریعتر باشد و این اتفاقی است که اکنون شاهد آن هستیم. گرچه ابتدا قصد تیم گوگل ساخت کامپیوتری با ۷۴کیوبیت بود اما حتی کاهش تعداد کیوبیت‌ها هم باعث نشد تا برتری کوانتومی  دیرتر حاصل شود. خودتان را آماده کنید تا مقایسه قدرت این کامپیوتر را با قدرتمندترین ابرکامپیوتر جهان بشنوید! آماده‌اید؟

کامپیوتر کوانتومی  ۵۳کیوبیتی گوگل در ۲۰۰ثانیه محاسبه‌ای را انجام داد که ابرکامپیوتر Summit، (قدرتمندترین ابرکامپیوتر جهان که بیش از ۲۰۰هزار پردازنده دارد) برای انجام آن به ۱۰۰۰۰سال زمان نیاز خواهد داشت. می‌توان گفت این کامپیوتر کوانتمی از هر کامپیوتر کلاسیکی برتر است. برتری کوانتمی به دست آمده.

شکل اتصال کیوبیت‌های پردازنده جدید گوگل که در آن ۵۳کیوبیت به یکدیگر متصل شده‌اند.

شکل اتصال کیوبیت‌های پردازنده جدید گوگل که در آن ۵۳کیوبیت به یکدیگر متصل شده‌اند. هر کیوبیت (خاکستری) با استفاده یک اتصال با چهار کیوبیت همسایه خود ارتباط دارد. یکی از کیوبیت‌ها(سفید) به دلیل مشکل کار نمی‌کرد.

پردازش چیست و چرا اهمیت دارد؟

این روزها درباره اطلاعات و پردازش داده‌ها زیاد می‌شنویم. انقلاب اطلاعات طی تنها چند دهه تمامی جوانب زندگی بشر را متحول کرده است. از چشم کسانی که کارشان تحلیل و بررسی اطلاعات است، هر چیزی را می‌توان به صورت داده دید. تمام فعالیت‌های افراد در طول زندگی، وضعیت آب‌وهوا، میزان تولید و مصرف و … همه چیز داده است. اما داده‌ها به خودی‌خود دریافت مفیدی از جهان به ما ارائه نمی‌کنند. باید آنها را کاوید و بینشان روابط معنی‌داری کشف کرد. پیدا کردن این روابط می‌تواند به کشف علل و نتایج پدیده‌های مختلف بیانجامد و به ما کمک کند به شکلی مناسب دخالت‌هایی را برای بهبود اوضاع به نفع‌مان طراحی و پیاده کنیم. برای مثال کشف رابطه بین میزان مصرف غذاهای فرآوری شده و بیماری‌های قلبی‌عروقی می‌تواند راهنمایی برای یافتن یکی از دلایل این دست بیماری‌ها و توصیه و کنترل روی تولید و مصرف این نوع غذاها باشد. ممکن است در داده‌هایی از منابعی به کلی متفاوت، الگوهایی مرتبط بیابیم که دریچه‌ای از سوالات جدید به رویمان باز کند. 

اما آنچه داده خام را به اطلاعات بدل می‌کند، پردازش است. همانطور که مواد خام از معدن به کارخانه می‌روند تا در ساخت محصولی مشخص استفاده شوند، داده‌ها به صورت خام وارد کامپیوترها (محاسبه‌گرها) می‌شوند تا در تولید محصولات اطلاعاتی مورد استفاده قرار گیرند. اگر افزایش توان تولید خط تولید یک کارخانه به معنای امکان تولید محصولات بیشتر است، افزایش توان پردازش کامپیوترها هم به معنای امکان پردازش سریعتر و تولید موثرتر محصولات اطلاعاتی است.

کامپیوترهای امروزی محصول دو دستاورد بزرگ در قرن بیستم میلادی هستند، اختراع ترانزیستور در سال ۱۹۴۷میلادی و مدارهای مجتمع در سال ۱۹۵۹میلادی. ترانزیستورها در واقع کلیدهایی الکتریکی هستند که امکان طراحی مدارهای الکتریکی محاسبه‌گر را ممکن ساختند. مجموعه‌ای از ترانزیستورها در مدارهای مجتمع (ICها) در سال ۱۹۵۹میلادی امکان ساخت دستگاه‌هایی فشرده را فراهم آورد که می‌توانستند داده‌ها را بسیار سریعتر از انسان پردازش کنند. عصر کامپیوترهای مبتنی بر نیمه‌هادی‌ها از دهه ۶۰میلادی آغاز شد و تا امروز ادامه دارد. در دهه ۷۰میلادی بود که «گوردون مور» (یکی از موسسان شرکت اینتل) متوجه الگویی در رشد تعداد ترانزیستورهای موجود در کامپیوترها شد. او دریافت که «تعداد ترانزیستورها در پردازنده‌های مبتنی بر مدارات مجتمع هر دو سال، دو برابر می‌شود». این یعنی رشد تصاعدی قدرت پردازش در هر دو سال. این پدیده به «قانون مور» مشهور شد و تا امروز پایدار باقی مانده است. امروز در یک پردازنده معمولی که در گوشی‌های هوشمند به کار می‌رود چند میلیارد ترانزیستور وجود دارد. اما کوچکتر و کوچکتر کردن ترانزیستورها تا جایی شدنی است. قانون مور دارد به پایان دوران خود می‌رسد و امکان ساخت پردازنده‌های مبتنی بر نیمه‌هادی‌های سیلیکونی با قدرت بسیار بیشتر ناممکن به نظر می‌رسد.

برتری کوانتومی  چیست و چرا اهمیت دارد؟

در میان ناامیدی پایان دوران قانون مور برای پردازنده‌های سیلیکونی، نوع جدیدی از پردازش شکل گرفته است. در سال ۱۹۸۰میلادی، ریچارد فاینمن یکی از برجسته‌ترین فیزیک‌دانان قرن ۲۰ام، گمانه‌زنی کرد که اگر یک کامپیوتر کوانتومی  وجود داشت، می‌توانستیم از آن برای پردازش مباحث پیچیده مربوط به فیزیک و شیمی استفاده کرد. تنها چند دهه پس از این گمانه‌زنی، نخستین پردازنده‌های کوانتومی ساخته شده و منتظر تجاری شدن آنها هستیم.

کامپیوترهای کلاسیک همه اعمال ریاضی و منطقی را با دستکاری اعدادی متشکل از ۰ و ۱ پیاده می‌کنند. به هر یک از خانه‌های حافظه که یکی از ۰ها یا ۱ها را ذخیره می‌کند یک بیت می‌گوییم. فرض کنید قرار باشد یک کامپیوتر از میان ۱۰هزار عدد، بزرگترین را برایمان پیدا کند. برای این کار باید یک به یک آن اعداد را دریافت، به شکل توالی صفرها و یک‌ها تبدیل و بعد قیاس کند. این جایی است که قدرت کامپیوترهای کوانتومی به چشم می‌آید. یک کامپیوتر کوانتومی می‌تواند همه ده هزار عدد را یک‌جا در رشته‌ای از بیت‌های کوانتومی ‌اش (کیوبیت) جا دهد و به جای آنکه یک به یک اعداد را با هم قیاس کند، تمامی آنها را باهم بررسی کند!

کامپیوترهای کوانتومی  برای حل هر نوع مسئله‌ای الزاما سریعتر و بهتر از کامپیوترهای فعلی نیستند. اما برای حل مسائلی خاص که به درستی طراحی شده باشند، آنقدر سریع هستند که قدرتمندترین ابرکامپیوترهای امروز هم به گرد پایشان نمی‌رسند. این دست مسائل هم اندک نیستند. از مسائل فیزیک و شیمی تا شاخه‌های مختلف دانش برساخته آنها مانند علم مواد، ژنتیک و زیست، پردازش و اطلاعات و چیزهای دیگر، همه می‌توانند از این امکان پردازشی خارق‌العاده استفاده کنند.

آنچه به نام برتری کوانتومی  شناخته می‌شود، ناظر بر قدرت خارق‌العاده کامپیوترهای کوانتومی در پردازش سریع مسائلی است که دارای وضعیت‌های بسیار زیاد هستند. مثلا برای پیدا کردن مشخصات مناسب در ساخت یک ماده خاص، می‌توان حالات بسیار بسیار زیادی را در یک لحظه مورد جستجو قرار داد. مانند مثال پیدا کردن بزرگترین عدد، یک کامپیوتر کوانتومی  به جای بررسی یک به یک مشخصات مختلفی که به آن داده‌شده‌است، تمامی آنها را با هم بررسی و مناسب‌ترین را به ما نشان می‌دهد. این یعنی سرعت انجام تحقیقات علمی و تکنولوژیک ممکن است ده‌ها یا حتی صدهاهزار برابر سریعتر از گذشته باشد. اگر بررسی فهرستی از مولکول‌ها به عنوان داروهای احتمالی جدید، این روزها ممکن است چند ماه یا سال طول بکشد، کامپیوترهای کوانتومی  می‌توانند این زمان را به چند دقیقه کاهش دهند! حتی تصور اثر چنین پدیده‌ای بر پیشرفت دانش و تکنولوژی سرسام‌آور است و حالا اجازه دهید چیزی به شما بگویم که حتی از این هم شگفت‌انگیزتر باشد. اگر توان پردازش پردازنده‌های کلاسیک با الگویی تصاعدی رشد می‌کرد(قانون مور)، گوگل تاکید کرده که شاهد رشدی از این هم سریعتر در قدرت پردازش کوانتومی است. آنها از سرعت پیشرفتی دوتصاعدی صحبت می‌کنند! پیشرفت تکنولوژی کامپیوترهای کلاسیک و الگوریتم‌های کلاسیک متوقف نمی‌شود و البته که آنها در سال‌های آینده باز هم سریعتر خواهند شد اما سرعت پیشرفت کامپیوترهای کوانتومی  از آنها بسیار بیشتر است. اگر کشاورزی و انقلاب صنعتی دو انشقاق تاریخی در تمدن بشر به وجود آوردند، انقلاب اطلاعات و پردازش می‌رود که انشقاقی دیگر در تاریخ بشر رقم بزند و کامپیوترهای کوانتومی  در پیشبرد این انقلاب نقشی برجسته خواهند داشت. طی چند دهه همه جوانب مختلف زندگی بشر تحت تاثیر این پیشرفت‌ها چنان تغییر می‌کند که به سختی بتوان شباهت‌هایی با گذشته -حتی در دوران مدرن- در آن پیدا کرد. این دورانی نو از تاریخ بشر است. 

چه مخاطراتی در پیش داریم و چرا اهمیت دارند؟

گرچه این گامی تاریخی است اما تجربه نشان داده که هر دستاورد علمی و تکنولوژیک می‌تواند خطراتی هم به همراه داشته باشد. تاریخ قرن بیستم پر است از نمونه‌هایی که نشان می‌دهد، رشد دانش به قدرتمندتر شدن سلاح‌ها و ابزار کنترل و سرکوب انجامیده است. حتی در قرن ۲۱ام هم چیزی تغییر نکرده. منطق حاکم بر جهان بر پاشنه‌ای می‌چرخد که تمام دستاوردهای دانش را به ابزاری برای حفظ، توسعه و تعمیق قدرت خود بدل می‌کند. سازوکاری که منطقش منطق سود است، گرچه گوشی‌های هوشمند و محصولات الکترونیکی مصرفی شگفت‌انگیزی به ما ارزانی داشته، اما از تامین آب آشامیدنی سالم و غذا برای مردم زمین بازمانده است و از آن بدتر ما را به سمت مرگی بزرگ پیش می‌برد. تلاش می‌کند همه جوانب زندگی ما را تحت نظر داشته باشد و با کنترل و هدایت عمومی امنیت سود و مقدار آن را بالاتر ببرد. در چارچوب این سازوکار بحران‌های انسانی، طبیعی و محیط‌زیست «فرصت‌های سرمایه‌گذاری»اند و دانش و تکنولوژی دستاوردهایی سودمند که بتوان با استفاده از آنها بازارهایی جدید خلق کرد تا سیستم بر کنترل خود بیافزاید. ما در یک کابوس زندگی می‌کنیم که در آن گوگل همین‌حالا هم بیش از خودمان ما را می‌شناسد. پس آیا این دستاوری مخرب و خطرناک نیست؟

دانش مدرن زیست‌شناسی به انسان هم امکان بررسی و فهم بدن خود و موجودات دیگر را داد و هم امکان ساخت سلاح‌های بیولوژیک. همانطور که فهم ساختار اتمی به ساخت جهان مدرن و افزایش رفاه و دسترسی عمومی به امکانات انجامید،  به ساخت بمب‌های هسته‌ای هم منجر شد. انقلاب اطلاعات و پردازش هم به ما امکان استفاده از دانش بشری را در قالب پروژه‌هایی مثل ویکی‌پدیا می‌دهد، هم امکان دسترسی به یکدیگر و هم امکان کنترل و نظارت بر ما را فراهم کرده است. هوش مصنوعی هم به کار کشف سریعتر سرطان می‌آید و هم کنترل هواپیماهای بدون‌سرنشین که بمب‌هایشان را دقیق به هدف بزنند. پردازش کوانتومی  هم از این قاعده مستثنی نیست.

یکی از چیزهایی که خیلی‌ها را نگران کرده امکان شکسته‌شدن گزاره‌های رمزنگاری اینترنتی با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی  است. چنین چیزی ممکن است. ولی همین حالا روش‌هایی برای رمزنگاری با استفاده از پدیده‌های کوانتومی هم دارند شکل می‌گیرند. قرار نیست یک شبه همه زندگی خصوصی‌مان جلوی چشم همه قرار گیرد یا همه پرونده‌های محرمانه شرکت‌ها و دولت‌ها در برابر چشمان ما منتشر شود. البته شاید جهانی که در آن همه چیز عیان باشد هم چیز جالبی از آب درآید.

آیا کامپیوترهای کوانتومی  به دسترسی بیشتر شرکت‌ها، دولت‌ها و ثروتمندان به حریم شخصی ما خواهد انجامید؟ احتمالا برای مدتی اینطور باشد. اما همانطور که اینترنت در ابتدا در کنترل سیستم‌های نظامی بود و تنها یک دهه بعد به جزوی ثابت از زندگی همه‌مان بدل شد، دستاوردهای تکنولوژیک جدید در پردازش هم وقتی از نوباوگی خارج شوند، اثری بسیار عمیق‌تر بر همه روابط جامعه بشری خواهند داشت. آنچنان عمیق که این نگرانی‌ها احتمالا به فراموشی سپرده خواهد شد. اما؛ آنچه آینده را شکل می‌دهد، تنها تکنولوژی‌های جدید نیستند، برنامه‌ریزی‌ها و اراده‌های سیاسی هم هستند. ما امروز نمونه‌های کوچکی از فناوری‌هایی در دست داریم که می‌توانند مشکل گرمایش‌جهانی را حل کنند. فناوری‌هایی مانند جمع‌آوری کربن از جو یا سلول‌های خورشیدی برای تولید انرژی؛ اما اراده سیاسی برای توسعه آنها وجود ندارد. یا به قدر کافی وجود ندارد. خواست و اراده شرکت‌ها و دولت‌های قدرتمند جهان مشخص است. آنها از دانش و فناوری برای گسترش دامنه نفوذ و قدرت خود استفاده خواهند کرد با این حساب، اینکه بتوانیم نقشی سازنده برای فناوری به نفع جمع همگانی رقم بزنیم یا نه، به اراده و کنش اجتماعی ما بستگی دارد.