رایانش کوانتمی؛ روند توسعه، زنجیره ارزش و کاربردها
این نوع از رایانش، با کمک مفاهیم فیزیک کوانتم (سوپرپوزیشن و تنیدگی) به پردازش و رایانش می‌پردازد. تفاوت اساسی کامپیوترهای کوانتمی با کامپیوترهای باینری (کامپیوترهای موجود در دنیا که با منطق ترانزیستوری کار می‌کنند) در آن است که در این کامپیوترها از کیوبیت و سوپرپوزیشن برای نمایش داده استفاده می‌شود.
در کامپیوترهای متداول، برای نمایش داده‌ها از صفر و یک استفاده می‌شود، این در حالی است که در فیزیک کوانتم به جای وجود یا عدم وجود جریان الکتریکی، از چرخش افقی یا عمودی الکترون‌ها برای تعیین وضعیت داده استفاده می‌شود. در این منطق، یک ذره کوانتمی تا زمانی که نیاز به تعیین مقدار آن باشد، هر مقداری خواهد داشت (مقدار آن نامشخص خواهد بود). به چنین حالتی که یک ذره در حالت نامشخص قرار گرفته است، سوپرپوزیشن گفته می‌شود. ویژگی دیگر ذرات کوانتمی، قابلیت ارتباط با هم و ایجاد وضعیتی جدید است. به این پدیده تنیدگی گفته می‌شود.
شکل ۱٫ مفهوم سوپرپوزیشن
طبق قانون مور، تعداد ترانزیستورهای هر پردازنده در طی ۱۸-۲۴ ماه، دو برابر خواهد شد. علاوه بر پیش‌بینی روند پیشرفت فنّاوری توسط این قانون، غایت پردازنده‌های ترانزیستوری نیز تعیین شده است. معنای این جمله آن است که با توجه به پیچیدگی محاسبات موردنیاز برخی از عملیات، سریع‌ترین کامپیوترهای امروزی نیز به حد نهایی خود در طی چند سال آینده خواهند رسید و توانایی پاسخ‌دهی سریع و دقیق به نیازهای انسان در حوزه‌هایی نظیر پیش‌بینی آب‌وهوا، محاسبات چند مجهولی بازارهای سرمایه، ایجاد ساختارهای جدید دارویی و محاسبات پیچیده ریاضی را نخواهند داشت. البته این به معنای از بین رفتن کامپیوترهای امروزی نیست، چراکه همین دستگاه کنونی، نیازهای روزمره انسان‌ها را به حد کفایت رفع خواهند نمود؛ اما برخی از حوزه‌های تخصصی نیاز به پردازنده‌های قوی‌تری دارند که رایانش کوانتمی برای رفع این مشکل به‌کار گرفته می‌شود.
شکل ۲٫ تفاوت بیت کوانتمی با بیت دیجیتال
در حال حاضر، با وجود اینکه رایانش کوانتمی در ابتدای راه خود قرار گرفته است، شرکت‌های پیشرو فناوری در کشورهای صنعتی در حال سرمایه‌گذاری بر آن هستند تا هر کدام بتوانند با توجه به کاربردهای متنوع این فناوری، وضعیت خود را بهبود ببخشند.
شکل ۳٫ هزینه‌های تخمینی صرف شده در تحقیقات رایانش کوانتمی در دنیا (مکینزی، ۲۰۱۵)
سخت‌افزار رایانش کوانتمی، کامپیوترهای کوانتمی هستند، این کامپیوترها به طور کلی با کامپیوترهایی که تابه‌حال دیده‌ایم، تفاوت‌های اساسی دارند. از شکل ظاهری تا گیت‌های منطقی مورد استفاده در آن‌ها.
یکی دیگر از ویژگی‌های سخت‌افزاری موردنیاز چنین دستگاه‌هایی، دمای بسیار پایین است. دمای ۲۷۳- درجه سانتی گراد یا صفر درجه کلوین، که به حد ترمودینامیکی مشهور است، کمترین دمایی است که در فیزیک برای اشیاء امکان‌پذیر است. برای مثال، دمای اینترستلر در حدود ۴ درجه کلوین است. دمایی که کامپیوترهای کوانتمی برای عملکرد صحیح به آن نیاز دارند، دمای ۰٫۰۱ درجه کلوین است. همچنین نیاز چنین کامپیوترهایی کاهش میدان مغناطیسی است (برای مثال در یکی از کامپیوترهای شرکت دی-ویو میدان مغناطیسی تا ۵۰۰۰۰ برابر از میدان مغناطیسی زمین کاهش یافته است). همچنین فشار جوی نیز باید در این دستگاه‌ها کاهش یابد. در کامپیوترهای شرکت دی-ویو، فشار اتمسفر به ۱۰ میلیارد برابر کمتر تقلیل یافته است.
همچنین در کنار سخت‌افزار کامپیوترهای کوانتمی، نیاز به رابط‌های نرم‌افزار برای ایجاد ارتباط با این دستگاه‌ها خواهد بود. تیم پولک، مدیر دفتر سیاست‌گذاری علمی کاخ سفید، بیان کرده که رایانش کوانتمی، بدون زبان برنامه‌نویسی مختص آن، بی‌فایده است. به همین سبب، علاوه بر سخت‌افزار رایانش کوانتمی، نیاز به زبان‌های ماشین (اسمبلی) برای ایجاد دستورات خواهد بود. زبان‌های برنامه‌نویسی کوانتمی (یا به‌اختصار، زبان‌های کوانتمی) در ابتدای راه خود قرار گرفته‌اند و به اندازه زبان‌های باینری، مثل پایتون یا سویفت، پیشرفته نیستند.
در ادامه به برخی از زبان‌های کوانتمی که در حال حاضر مورد استفاده هستند، اشاره می‌گردد. این زبان‌ها به چند دسته کلی تقسیم می‌گردیده‌اند.
- مجموعه دستورات کوانتمی
کوئیل: مجموعه‌ای از دستورات معماری رایانش‌های کوانتمی
اوپن کیو اِی اس ام: روشی که از سمت آی‌بی‌ام برای استفاده از رایانش‌های کوانتمی معرفی شد.
- زبان‌های دستوری
کیو سی ال: از اولین زبان‌های برنامه‌نویسی کوانتمی
کی سی: زبانی که از سمت جامعه آکادمیک چین برای برنامه‌نویسی با کامپیوترهای کوانتمی طراحی شد.
کیو جی سی ال: زبانی که به دنبال استفاده از سوپرپوزیشن در منطق برنامه‌نویسی کوانتمی است.
کیو ام ای اس ام: زبان مخصوص کامپیوترهای کوانتمی دی-ویو
- زبان‌های کاربردی
کیو اف سی: زبانی که از اپراتورهای توسعه‌یافته توسط کاربران پشتیبانی می‌کند.
کیو ام آل: زبانی که مشابهت بسیار زیادی با زبان برنامه‌نویسی هسکل دارد.
کوانتم لاندا کلکولای: این زبان ادامه‌ای بر منطق برنامه‌نویسی لاندا کلکولای می‌باشد که در سال ۱۹۳۰ معرفی شد.
کویپر: زبانی که درواقع دستورات هسکل را به زبان کوانتمی ترجمه می‌کند.
- زبان‌های چند پارادایمی
کیو شارپ: زبان برنامه‌نویسی معرفی‌شده توسط مایکروسافت برای رایانش کوانتمی
تاریخچه رایانش کوانتمی
رایانش کوانتمی نسل پنجم کامپیوترها می‌باشد. البته این انتظار وجود ندارد که رایانش کوانتمی باعث از بین رفتن کامپیوترهای الکترونیکی شود. همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌شود، کامپیوترهای کوانتمی و الکترونیکی، به صورت موازی در کنار هم فعالیت خواهند کرد؛ چراکه هر کدام مزایا و معایبی دارند که در حال حاضر، قابل‌جایگزینی به‌وسیله فناوری دیگر نیست.
شکل ۴٫ روند نسل‌های مختلف کامپیوتر
تاریخچه‌ای کوتاه از سرگذشت رایانش کوانتمی بدین شرح است:
در سال ۱۹۵۹، ریچارد فاینمن، در مقاله خود احتمال استفاده از ذرات کوانتمی را به‌منظور رایانش و استفاده در محاسبات بیان کرد.
در سال ۱۹۸۰، پل بنیوف سازوکاری مکانیکی برای استفاده از فیزیک کوانتم در رایانش را مطرح ساخت. این ایده چندی بعد توسط یوری منین نیز بیان شد.
در سال ۱۹۸۱ و در کنفرانسی که توسط آی‌بی‌ام و دانشگاه ام‌آی‌تی برگزار شده بود، ریچارد فاینمن در ارتباط با رایانش کوانتمی اظهار می‌کند که طبیعت از قواعد فیزیک کلاسیک تبعیت نمی‌کند، به همین سبب کامپیوترهای ما هم نباید از قواعد فیزیک کلاسیک پیروی کرده و منطق کوانتمی باید جایگزین منطق کلاسیک گردد.
در سال ۱۹۹۴، الگوریتم ارائه‌شده توسط پیتر شور نشان داد که با کمک رایانش کوانتمی می‌توان بسیاری از محاسبات و رمزنگاری‌های پیچیده را در مدت زمان بسیار کوتاهی انجام داد.
در سال ۱۹۹۶، اولین نشانه‌های طراحی معماری کامپیوتری برای منطق کوانتمی ظاهر شد. دیوید پی دیوینچنزو ساختاری برای یک رایانه کوانتمی مطرح کرد.
در سال ۲۰۰۵، دانشمندان دانشگاه میشیگان توانستند پردازنده‌ای ایجاد کنند که اساس ایجاد یک کامپیوتر کوانتمی را ایجاد می‌نمود.
در سال ۲۰۰۹، دانشمندان دانشگاه ییل، اولین پردازنده پایدار کوانتمی را ایجاد کردند. این پردازنده از میلیون‌ها اتم آلومینیوم ایجاد شده بود که در کنار هم می‌توانستند شبیه‌سازی دواتم برنامه پذیر باشند.
در سال ۲۰۱۱، شرکت دی-ویو ادعا کرد که اولین کامپیوتر تجاری کوانتمی را ایجاد کرده است. این شرکت در سال بعد، توسط کمپانی لاکهید مارتین خریداری شد.
در سال ۲۰۱۳، گوگل ادعا کرد که در کنار ناسا، در حال توسعه هوش مصنوعی با کمک رایانش کوانتمی از طریق کامپیوترهای دی-ویو است.
در سال ۲۰۱۵، برای اولین بار تراشه‌های کوانتمی و گیت‌های منطقی آن با کمک ساختار سیلیکونی ایجاد شدند.
در سال ۲۰۱۶، آی‌بی‌ام دسترسی به کامپیوترهای کوانتمی خود را به صورت ابری برای کارمندان خود فراهم نمود.
در سال ۲۰۱۷، آی‌بی‌ام امکان برنامه‌نویسی با کمک کامپیوتر کوانتمی خود از طریق رابط کاربردی برنامه‌نویسی را فراهم نمود. همچنین در این سال، مایکروسافت از زبان برنامه‌نویسی کیو شارپ رونمایی کرد.
در سال ۲۰۱۹، آی‌بی‌ام از کامپیوتر کیو سیستم وان به عنوان اولین رایانه تجاری کوانتمی خود خبر داد.
روند توسعه رایانش کوانتمی
- تحلیل هایپ سایکل گارتنر
در بخش بعدی به بررسی روند تغییرات رایانش کوانتمی در هایپ سایکل گارتنر پرداخته خواهد شد. اولین حضور این فناوری در نمودار گارتنر به سال ۲۰۰۰ و اولین نمودار گارتنر برمی‌گردد.
نمودار ۵٫ هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۰۰
نمودار ۶٫ هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۱۴
نمودار ۷٫ هایپ سایکل گارتنر در سال ۲۰۱۸
همان‌طور که در نمودارهای ۵ تا ۷ مشاهده می‌شود در تمامی این سال‌ها (۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸) تغییرات به وجود آمده صرفاً رشد و بهبود اندک جایگاه فناوری کوانتوم در مرحله تولد نوآوری (اولین مرحله) در چرخه هایپ می‌باشد، بطوریکه تا سال ۲۰۱۶ در هایپ پیش‌بینی شده است که بیش از ۱۰ سال برای رسیدن به مرحله سطح سودمندی (پنجمین مرحله) زمان لازم است. در سال ۲۰۱۷ این پیش‌بینی به ۵ تا ۱۰ سال تغییر یافته است. سرعت بسیار کند پیشرفت رایانش کوانتمی در نمودارهای هایپ، بیانگر پیچیدگی پیاده‌سازی یک کامپیوتر کوانتمی است.
- تحلیل پتنت
پتنت و حقوق اختراع یکی از مواردی است که نشان‌دهنده عملیاتی شدن یک مفهوم تئوریک می‌باشد. زمانی یک حق اختراع ثبت می‌گردد که ایده‌ای برای پیاده‌سازی تئوری‌های قبلی و ارزش زایی از آن به ذهن فردی رسیده باشد. همان‌طور که در نمودار ۸ مشاهده می‌شود، پتنت‌های برتر و مهم در سال‌های اخیر بسیار کمرنگ بوده‌اند و عموم این پتنت‌ها در حدفاصل ۲۰۱۳ تا ۲۰۱۶ مطرح شده‌اند. کاهش قابل‌توجه پتنت‌های در سال‌های اخیر، بیانگر عدم همگامی پیشرفت‌های فناورانه با تئوری رایانش کوانتمی می‌باشد. به این معنا که نظریه‌های کوانتمی، قابلیت پیاده‌سازی با کمک ابزارهای فعلی را ندارند.
شکل ۸٫ نمودار پتنت‌های ثبت‌شده از سال ۲۰۰۸ تا ۲۰۱۹
همچنین در نمودار ۹، شیب آمار پتنت‌های ثبت‌شده در زمینه رایانش کوانتمی کاهش قابل‌توجهی داشته است. به‌گونه‌ای که از سال ۲۰۱۴، نسبت به سال‌های قبل، پتنت‌های این حوزه با سرعت کمتری ثبت‌شده‌اند. این نمودار نیز همانند نمودار بالا، بیانگر سرعت بیشتر تحقیقات آزمایشگاهی نسبت به خروجی‌های صنعتی در دنیا می‌باشد.
شکل ۹٫ آمار پتنت‌های ثبت‌شده در پایگاه لنز از سال ۲۰۰۷ تا کنون
- تحلیل علم‌سنجی
در زمینه تحقیقات آکادمیک، معمولاً دانشگاه‌ها چند قدم از صنایع در ایجاد کاربرد و تبیین استفاده از یک فناوری، عقب‌تر هستند. اما این موضوع در حوزه‌های نوظهور و تئوریک صادق نیست. رایانش کوانتمی به عنوان یک فناوری که در حال حاضر نسبتاً به عنوان تئوری مطرح می‌شود، توجه بیشتری را در مجامع آکادمیک به خود جلب کرده است. این موضوع را در تعداد مقالات منتشرشده در ارتباط با این فناوری در پایگاه وب آو ساینس می‌توان به وضوح مشاهده کرد. تعداد کل مقالات چاپ‌شده در این موضوع ۳۰۶۷۵ مقاله از سال ۱۹۷۰ می‌باشد.
در شکل زیر تنوع موضوعات و کاربردهایی که برای این فناوری در مقالات مختلف آکادمیک بیان شده است، قابل‌مشاهده می‌باشد. حوزه فیزیک اتمی و مولکولی، با توجه به این که اساس کوانتم ذرات اتمی هستند، در صدر موضوعات مقالات آکادمیک قرار گرفته است. همچنین تعداد مقالات چاپ‌شده به تفکیک سال انتشار در نمودار ۱۰ نشان داده شده است. سیر صعودی مقالات از چندین سال قبل تا کنون نشان‌دهنده آن است که حجم موضوعات قابل کشف و بررسی در این رابطه هنوز از گستردگی بالایی برخوردار است. شایان ذکر است که تعداد مقالات در سال ۲۰۱۸ به بیشترین تعداد در ۲۰ سال اخیر رسیده است.
شکل ۱۰٫ دسته‌بندی مقالات آکادمیک چاپ‌شده در حوزه رایانش کوانتمی
با توجه به حوزه‌هایی که در حال حاضر، بیشترین مقاله را در زمینه رایانش کوانتمی دارند، می‌توان نتیجه گرفت که این فناوری، هنوز هم در مراحل تئوریک و نظری خود قرار گرفته است و رشته‌های مهندسی کمتر سمت این فناوری آمده‌اند.
نمودار ۱۱٫ مقالات آکادمیک منتشرشده در حوزه رایانش کوانتمی به تفکیک سال انتشار
رابطه رایانش کوانتمی با سایر حوزه‌های فناوری
در عصر دیجیتال، یک فناوری به‌تنهایی نخواهد توانست تحول دیجیتال ایجاد نماید؛ بلکه فناوری‌ها در کنار هم می‌توانند ابعاد مختلف کسب‌وکار را تحت تأثیر قرار دهند. در جدول ۱، به ارتباط فناوری رایانش کوانتمی با سایر حوزه‌های فناوری پرداخته شده است.
جدول ۱. رابطه رایانش کوانتمی با فناوری‌های تحول دیجیتال
زنجیره ارزش رایانش کوانتمی
زنجیره ارزش به معنای روندی است که از تولید محصول یا ارائه خدمت، ارزش ایجاد می‌کند. در این قسمت به بررسی زنجیره ارزش فناوری بیومتریک تحت ۳ مرحله (ارائه‌دهنده فناوری و زیرساخت، ارائه خدمت و مشاوره و بازاریابی) پرداخته و فعالیت‌هایی که در این زنجیره ارزش رخ می‌دهد، بیان می‌شود.
شکل ۱۲٫ زنجیره ارزش رایانش کوانتمی در گزارش بی سی جی ۲۰۱۸
نمونه‌ای از زنجیره ارزش و اکوسیستم رایانش کوانتمی که در گزارش ۲۰۱۸ بی سی جی آمده است، در شکل ۱۲ نمایش داده شده است.
شکل ۱۳٫ زنجیره ارزش رایانش کوانتمی
کاربردهای رایانش کوانتمی
- صنایع بهره‌بردار رایانش کوانتمی
از دلایل استفاده از رایانش کوانتمی، کاربردهای متنوعی است که در صنایع مختلف می‌تواند داشته باشد. در این بخش، با نگاه صنعت محور، به کاربردهای این فناوری پرداخته خواهد شد.
صنعت پولی و بانکی: با توجه به این که بهینه‌سازی راه‌حل مسائل، یکی از کاربردهای این فناوری به صورت کلی است، در صنعت مالی و بانکی بهینه‌سازی ساختارهای مدیریت ریسک و شناسایی تقلب در حجم بسیار بالای تراکنش‌های مالی، یکی از کاربردهای فناوری کوانتمی خواهد بود. همچنین ایجاد سبدهای سهام برای مشتریان، با توجه به چند متغیره بودن این بازار، یکی دیگر از کاربردهای رایانش کوانتمی در این صنعت خواهد بود.
صنعت سلامت: یکی از الگوریتم‌های مورد استفاده در مسائل بهینه‌سازی، روش تبرید شبیه‌سازی‌شده می‌باشد. از این الگوریتم در پیش‌بینی نتایج بهره‌مندی از روش‌های درمانی مختلف استفاده می‌شود. با کمک رایانش کوانتمی، بسیاری از الگوریتم‌های باینری قدیمی، جای خود را به روش‌های جدید بهینه‌سازی و کشف بهترین راه از میان راه‌های متفاوت خواهند داد. ایجاد ترکیب‌های جدید پروتئینی و نیز کشف داروهای جدید، از مواردی است که با کمک رایانش کوانتمی با سرعت و دقت بسیار بیشتر صورت خواهد گرفت.
صنایع تولیدی: بهینه‌سازی زنجیره تأمین (تأمین، تولید و توزیع)، از کاربردهای اساسی این فناوری برای شرکت‌های تولیدی-صنعتی خواهد بود. از پیشرفت کامپیوترهای کوانتمی، می‌توان برای سناریوهای مختلف صنعتی، نظیر جایگذاری بارها استفاده کرد.
صنعت سرگرمی و چندرسانه‌ای: دغدغه امروز صنعت سرگرمی، ارائه تجربه‌ای شخصی‌سازی‌شده، برای تک‌تک کاربرانش است. با توجه به سلایق گوناگون کاربران، حجم بسیار بالایی از اطلاعات برای تحلیل وجود دارد که رایانش کوانتمی می‌تواند با کمک این داده و الگوریتم‌های بهینه‌سازی، تجربه کاملاً شخصی‌سازی‌شده برای کاربران ایجاد نماید.
پیش‌بینی: تحلیل وضعیت فعلی و سپس، پیش‌بینی آینده با توجه به متغیرهای بسیار زیاد در حوزه‌های مختلف، امری پیچیده است که با کمک رایانش کوانتمی قابل‌دسترسی است. برای مثال، ۶ تریلیون دلار از بودجه ایالات‌متحده (۶ درصد از تولید ناخالص داخلی)، به صورت مستقیم یا غیرمستقیم به وضعیت آب‌وهوا وابسته است. کامپیوتری‌های کوانتمی با توجه به قدرت پردازش بالایی که دارند، می‌توانند جایگزین کامپیوترهای امروزی برای پیش‌بینی سریع‌تر و دقیق‌تر وضعیت آب‌وهوا باشند.
حوزه‌های کاربری رایانش کوانتمی
رمزنگاری: با توجه به قدرت پردازش و رایانش کوانتمی، پیچیده‌ترین رمزهای ایجادشده با کامپیوترهای امروزی، در عرض چند دقیقه با کامپیوترهای کوانتمی قابل رمزگشایی هستند. این موضوع منجر به ایجاد تحولی اساسی در ساختار و الگوریتم‌های رمزنگاری در آینده نزدیک خواهد شد.
کاربرد در شبیه‌سازی: شبیه‌سازی بسیاری از پدیده‌های فیزیکی نیازمند توان پردازش بسیار بالایی است که رایانش کوانتمی امکان ایجاد چنین مدل‌هایی را دارد.
مدیریت منابع: با توجه به توان پردازش کامپیوترهای کوانتمی، مدیریت منابع متنوع و پراکنده به‌سادگی امکان‌پذیر است. بسیاری از منابع و سرمایه‌های یک سازمان، با توجه به نحوه استفاده‌شان فرسوده می‌شوند و فرسودگی بیش‌ازحد آن‌ها، می‌تواند به باقی منابع سازمانی نیز آسیب وارد کند. با توجه به این که حجم محاسبه این موارد در مقیاس بزرگ، بسیار پیچیده است، رایانش کوانتمی می‌تواند در حل موضوع یاری رساند.
