رقابت برای رهبری آینده کوانتوم جهان

گروه جامعه و اقتصاد «سدید»؛ «شارینا چو» [1] - مدیر بخش هوش مصنوعی کوانتومی گوگل -، «جیمز مانیکا» [2] - از مدیران ارشد گوگل - و «هارتموت نون» [3] - معاون مهندسی و رئیس هوش مصنوعی کوانتومی گوگل - در مقاله‌ای که وب‌سایت «Foreign Affairs» آن را منتشر کرده است، به موضوع رقابت جهانی بر سر تسلط بر فناوری‌های مرتبط با کوانتوم می‌پردازند. به گفته آنها، درحالی‌که پیشرفت در زمینه هوش مصنوعی به یک دستور کار جهانی در دولت‌ها تبدیل شده و توجه رسانه‌ها را نیز به خود جلب کرده است، اما رقابت گسترده‌ای نیز بین قدرت‌های بزرگ در زمینه فناورهای مرتبط با کوانتوم در جریان است. این فناوری، ظرفیت‌های بسیار مهمی - از مهندسی گرفته تا داروسازی و اقتصاد و تجارت و حتی صنایع نظامی - برای دولت‌ها فراهم می‌کند و به همین ترتیب، خطرات بسیار پیچیده‌ای نیز به همراه دارد که اگر مدیریت نشود، ممکن است حتی نظم جهانی را نیز مختل کند.

افزایش سرمایه‌گذاری‌ها در زمینه کوانتوم

در سال‌های اخیر، با پیشرفت‌های سریع در زمینه هوش مصنوعی که توجه عمومی و بررسی‌های انتقادی زیادی را به خود جلب کرده، فناوری دیگری نیز در سایه و دور از چشم عموم مردم و رسانه‌ها در حال توسعه و تکامل بوده است. محاسبات کوانتومی که روزگاری محدود به نظریه‌های انتزاعی بود، حالا به دنبال استفاده از عملیات مبتنی بر مکانیک کوانتومی برای حل مسائل محاسباتی است که قبلاً غیرقابل‌حل تلقی می‌شدند. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، اما واضح است که محاسبات کوانتومی می‌تواند در دهه‌های آینده، تأثیرات عمیقی بر امنیت ملی و اقتصاد جهانی داشته باشد.

از اواخر دهه ۲۰۱۰، آمریکا و بسیاری از کشورهای پیشرفته به طور فزاینده‌ای درگیر رقابت برای رهبری در علم‌وفناوری اطلاعات کوانتومی شده‌اند؛ زمینه‌ای که شامل محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و حسگرهای کوانتومی است. در دهه گذشته، دولت‌ها در ۲۰ کشور، سرمایه‌گذاری‌هایی در زمینه توسعه کوانتوم به ارزش بیش از ۴۰ میلیارد دلار کرده‌اند؛ چین به‌تنهایی متعهد شده است که در طی پنج سال، ۱۵.۳ میلیارد دلار هزینه کند. در سال ۲۰۱۶، پکن توسعه فناوری‌های کوانتومی را به‌عنوان یک اولویت ملی تعیین کرد و مراکز پیشرفته‌ای برای این کار ایجاد کرد. ایالات متحده آمریکا نیز به نوبه خود در سال ۲۰۱۸، قانون «ابتکار ملی کوانتوم» را تصویب کرد؛ قانونی که هدف آن، حفظ برتری فناوری و علمی کشور در زمینه اطلاعات کوانتومی و کاربردهای آن است. دولت آمریکا ۳.۷ میلیارد دلار بودجه غیرمحرمانه اعلام کرده است. همچنین بودجه بیشتری برای تحقیقات و توسعه دفاعی در این زمینه اختصاص داده است. علاوه بر ابتکارات دولتی، تحقیق‌وتوسعه در این زمینه در دانشگاه‌ها و بخش خصوصی آمریکا نیز در جریان است.

محاسبات کوانتومی می‌تواند در دهه‌های آینده، تأثیرات عمیقی بر امنیت ملی و اقتصاد جهانی داشته باشد.

اگرچه این سرمایه‌گذاری‌ها هنوز به اندازه سرمایه‌گذاری‌های آمریکا و سایر کشورها در زمینه هوش مصنوعی نیست، اما ظهور فناوری کوانتومی شروع به شکل‌دهی سیاست‌های بین‌المللی کرده است. در سال ۲۰۱۹، ایالات متحده طی یک «بیانیه همکاری کوانتومی» دوجانبه با ژاپن، اعلام کرد که در سال ۲۰۲۳، دولت بایدن این همکاری را تقویت کرده و تعهدات بیشتری را برای گسترش همکاری‌های دوجانبه در حوزه محاسبات کوانتومی، ارتباطات کوانتومی و سایر حوزه‌های مرتبط با ژاپن ارائه داد. در سال ۲۰۲۴، واشنگتن یک ابتکار چندجانبه به نام «گروه توسعه کوانتوم» را برای هماهنگی راهبردها در زمینه پیشرفت و مدیریت این فناوری تأسیس کرد. ایالات متحده همچنین موضوعات کوانتومی را در چارچوب‌های مختلف اقتصادی و امنیتی از جمله «آکس» [4] - پیمان دفاعی سه‌جانبه میان استرالیا، بریتانیا و آمریکا - ، «کواد» [5] یا گفتگوی امنیتی چهارگانه میان استرالیا، هند، ژاپن و آمریکا و شورای تجارت و فناوری ایالات متحده و اتحادیه اروپا، مورد بحث قرار داده است. یکی از تحلیلگران مرکز امنیت جدید آمریکا در نوامبر ۲۰۲۴ (آبان ۱۴۰۳) پس از انتخابات ریاست‌جمهوری آمریکا، با تأکید بر نگرانی‌های فزاینده در مورد این فناوری در واشنگتن، استدلال کرد که دولت آینده باید «در ۱۰۰ روز اول برای تقویت رقابت کوانتومی آمریکا به‌سرعت عمل کند».

کاربردهای مهم فناوری کوانتوم

تاکنون ظهور فناوری کوانتومی عمدتاً به‌عنوان یک مسئله امنیت ملی در نظر گرفته شده است. از دهه ۱۹۹۰ محققان به این نتیجه رسیده‌اند که یکی از بزرگ‌ترین تهدیدات ناشی از یک رایانه کوانتومی قدرتمند، ظرفیت آن به‌عنوان ابزاری برای شکستن کدها است که قادر به نفوذ در رمزگذاری‌های استفاده شده توسط پیشرفته‌ترین سیستم‌های ارتباطی و شبکه‌های دیجیتال در سراسر جهان امروز است. این نگرانی باعث شده است که دولت آمریکا به توسعه و ترویج پذیرش رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتوم بپردازد، کنترل‌های صادراتی بر فناوری کوانتومی و محصولات مرتبط را تقویت کند و شراکت‌های عملیاتی با صنعت، دانشگاه و دولت‌های محلی ایجاد کند.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای کوانتوم در حوزه امنیت ملی، قابلیت آن در شکستن کدهای بسیار پیچیده است.

اما تمرکز بر روی شکستن کدها منجر به غفلت سیاست‌گذاران از دیگر کاربردهای مهم فناوری کوانتومی شده است. در واقع قبل از اینکه ماشین‌های کوانتومی قادر به شکستن سیستم‌های رمزنگاری پیشرفته شوند - قابلیتی که حتی پس از توسعه فناوری به قدرت محاسباتی عظیمی نیاز دارد - آن‌ها می‌توانند تأثیر تحول‌آفرینی در بسیاری از بخش‌های اقتصاد از جمله انرژی و داروسازی داشته باشند. اگر به شیوه مؤثری از فناوری‌های کوانتومی بهره‌برداری شود، این فناوری‌ها می‌توانند محرک نوآوری، کشف‌های علمی و رشد اقتصادی باشند و فرصت‌های جدیدی را در این حوزه‌ها پیش روی دولت‌ها قرار دهند. از نظر تأثیر انسانی، برخی از دستاوردهایی که می‌تواند با ماشین‌های کوانتومی به دست آید، هم‌تراز با آن‌هایی است که اکنون انتظار می‌رود از هوش مصنوعی حاصل شود. به همین دلیل و به‌ویژه مهم است که این فناوری در «جوامع باز» [6] توسعه یابد و چارچوب‌های مشخصی برای اطمینان از استفاده از آن برای مقاصد خیرخواهانه وجود داشته باشد.

برنده‌شدن در رقابت کوانتومی آسان نخواهد بود. چین در برخی زمینه‌ها مانند ارتباطات کوانتومی پیشتاز شده است و در سال‌های آینده، نوآوری و رهبری متمرکز آمریکا برای حفظ رقابت‌پذیری این کشور حیاتی خواهد بود. ایالات متحده و شرکای بین‌المللی آن، باید منابع بسیار بیشتری را برای به ثمر رساندن پروژه‌های کوانتومی خود اختصاص دهند. آنها باید صنایع کوانتومی و زنجیره تأمین کوانتومی قوی را برای حمایت از این پروژه‌ها توسعه دهند. اگر آمریکا و هم‌پیمانانش نتوانند این تلاش‌ها را به‌عنوان یک هدف استراتژیک اصلی و اولویت سیاست‌گذاری قرار دهند، ممکن است نفوذ دیپلماتیک، قدرت نظامی و توانایی نظارت بر یک فناوری جدید و قدرتمند را از دست بدهند. همچنین ممکن است فرصت شکل‌دهی به یک مسیر جدید برای پیشرفت اقتصادی و اجتماعی را از دست بدهند.

فهم جهان بر اساس کوانتوم

مفهوم رایانه کوانتومی برای اولین‌بار توسط «ریچارد فاینمن» [7] - فیزیک‌دان نظریه‌پرداز و برنده جایزه نوبل - در سال ۱۹۸۱ پیشنهاد شد. «فاینمن» در زمانی زندگی می‌کرد که علم کوانتوم در حال شکل‌گیری و پیشرفت بود و او به‌عنوان یک فیزیک‌دان جوان، توانست درک عمیق‌تری از این نظریه‌ها و مفاهیم پیدا کند.

در آن زمان، دانشمندان شروع به فهم این موضوع کردند که اتم‌ها، الکترون‌ها، نور و سایر اشیاء زیر نانومقیاس - که بلوک‌های سازنده همه چیز در جهان هستند - از قوانین بنیادین متفاوتی نسبت به اشیاء زندگی روزمره پیروی می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر، برخلاف اشیایی که در دنیای روزمره می‌شناسیم و مطابق با قوانین کلاسیک فیزیک رفتار می‌کنند، اشیاء کوانتومی مانند الکترون‌ها و اتم‌ها، به طرز غیرمعمول و پیچیده‌ای عمل می‌کنند.

اگر به شیوه مؤثری از فناوری‌های کوانتومی بهره‌برداری شود، این فناوری‌ها می‌توانند محرک نوآوری، کشف‌های علمی و رشد اقتصادی باشند.

بینش «فاینمن» این بود که برای درک واقعی دنیای مکانیک کوانتومی و کارکردهای کلی خود جهان، لازم است رایانه‌ای ساخته شود که طبق همان قوانین عمل کند. او گفت: «قوانین طبیعی به شیوه‌ای که در فیزیک کلاسیک (مثل قوانین نیوتن) توضیح داده می‌شود، عمل نمی‌کنند. در واقع برای شبیه‌سازی یا درک درست از دنیای طبیعی و پدیده‌های آن، باید از اصول مکانیک کوانتومی استفاده کرد و اگر می‌خواهید شبیه‌سازی از طبیعت ارائه دهید، بهتر است آن را به‌صورت مکانیک کوانتومی بسازید.»

بینش فاینمن به طرز شگفت‌آوری پیش‌بینی‌کننده بوده است. در بیش از چهار دهه‌ای که از آن زمان می‌گذرد، رایانه‌هایی که از طراحی «کلاسیک» پیروی می‌کنند، سیاره را به طور کامل متحول کرده‌اند. تلفن‌های همراه جیبی، امروز یک میلیون بار قدرتمندتر از رایانه‌های شخصی بزرگ دهه ۱۹۸۰ هستند. قانون مور[8] (پیش‌بینی اینکه تعداد ترانزیستورهای یک تراشه کامپیوتری هر دو سال یکبار دوبرابر می‌شود) علی‌رغم پیش‌بینی‌های متعدد در مورد نابودی آن، همچنان در صنعت نیمه‌رساناها صادق است.

بهترین ابررایانه‌های امروز می‌توانند یک کوینتیلیون - یعنی یک میلیارد میلیارد - عملیات در ثانیه انجام دهند. بااین‌حال و درحالی‌که این انقلاب همچنان در حال بلوغ است، به طور آشکاری معلوم شده است که برخی محاسبات فراتر از توان بهترین رایانه‌های کلاسیک هستند و خواهند بود؛ چرا که فناوری‌های رایانه‌ای موجود تحت منطق و محدودیت‌های اساسی که بر اساس آن‌ها عمل می‌کنند، قرار دارند. تمام اشکال محاسبات کلاسیک - چه یک حسابگر، یک لپ‌تاپ شخصی، یا یک خوشه با عملکرد بالا از ماشین‌ها - در یک تأسیسات امنیت ملی از آنچه که محققان «منطق بولی» [9] می‌نامند، پیروی می‌کنند.

در این سیستم، واحد پایه اطلاعات یک بیت بوده که یک شیء است و می‌تواند یکی از دو حالت را به خود بگیرد و به طور متعارف به آن‌ها ۰ یا ۱ گفته می‌شود. اگرچه این سیستم برای بسیاری از انواع محاسبات بسیار کارآمد بوده است، اما نمی‌تواند محاسباتی با پیچیدگی بیش از حد - مانند فاکتورگیری یک عدد هزاررقمی، محاسبه دینامیک‌های واکنش یک مولکول با صدها اتم یا حل برخی از مسائل بهینه‌سازی که در بسیاری از حوزه‌ها رایج هستند - را انجام دهد.

در مقابل، با بهره‌برداری از مکانیک کوانتوم، محاسبات کوانتومی تحت آن محدودیت‌ها قرار ندارد. یکی از درس‌های فیزیک کوانتوم که شگفت‌انگیز و غیرقابل‌تصور به نظر می‌آید، این است که ذرات می‌توانند در ترکیبی هم‌زمان از چندین حالت وجود داشته باشند؛ بنابراین به جای بیت‌ها با عملیات «یا - یا»، محاسبات کوانتومی از بیت کوانتومی یا کیوبیت استفاده می‌کند که این سیستم می‌تواند به طور هم‌زمان در حالت‌های ۰ و ۱ باشد. این توانایی هم‌زمان که به آن «برهم‌نهی» [10] گفته می‌شود، مزیت محاسباتی فوق‌العاده‌ای را به همراه دارد که با همکاری بیشتر کیوبیت‌ها، افزایش می‌یابد.

درحالی‌که یک رایانه کلاسیک باید یک حالت را پس از دیگری به‌صورت متوالی پردازش کند، یک رایانه کوانتومی می‌تواند بسیاری از احتمالات را به طور موازی بررسی کند. تصور کنید که در حال تلاش برای پیداکردن مسیر صحیح در یک هزارتو هستید؛ یک رایانه کلاسیک باید مسیرها را یکی‌یکی امتحان کند؛ درحالی‌که یک رایانه کوانتومی می‌تواند به طور هم‌زمان چندین مسیر را بررسی کند که این امر، برای برخی از وظایف به طور قابل‌توجهی سریع‌تر است. مهم است که توجه داشته باشید برخلاف ساده‌سازی‌های رایج، یک رایانه کوانتومی صرفاً یک مجموعه بزرگ از رایانه‌های کلاسیک نیست که به طور موازی کار می‌کنند. اگرچه به‌صورت تصاعدی پاسخ‌های احتمالی زیادی وجود دارد که می‌توان آنها را از طریق یک پردازنده کوانتومی بررسی کرد، اما در پایان، تنها یک ترکیب را می‌توان اندازه‌گیری کرد؛ بنابراین استخراج یک راه‌حل از یک رایانه کوانتومی نیازمند برنامه‌نویسی هوشمندانه است که پاسخ صحیح را تقویت می‌کند.

یک چالش عمده، یافتن راهی برای ساخت پردازنده‌های کوانتومی بزرگ و پایدار است که بتوانند نتایج ثابتی برای مسائل معنادار تولید کنند. چنین پردازنده‌هایی معمولاً به‌شدت به محیط خود حساس هستند و می‌توانند به‌راحتی تحت‌تأثیر تغییرات دما، لرزش‌ها و دیگر اختلالات قرار بگیرند و این موضوع، می‌تواند منجر به بروز انواع خطاها در سیستم شود. محققان به‌شدت در حال سرمایه‌گذاری بر روی روش‌هایی برای بهبود کیفیت کیوبیت‌ها هستند. این روش‌ها شامل طراحی‌های جدید برای کیوبیت‌ها، فرایندهای تولید تراشه‌های کوانتومی و تکنیک‌هایی برای اصلاح خطاهای کیوبیت می‌شود.

در حال حاضر، رویکردهای متنوعی برای طراحی کیوبیت‌ها وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. از نظر علمی، هر سیستم مکانیک کوانتومی شامل اتم‌ها، مولکول‌ها، یون‌ها و فوتون‌ها می‌تواند به‌عنوان یک کیوبیت ساخته شود. در عمل، عواملی مانند قابلیت تولید، کنترل‌پذیری، عملکرد و سرعت محاسباتی مسیرهای قابل‌قبول‌تر را تعیین می‌کنند. تلاش‌های پیشرو امروز شامل کیوبیت‌های ابررسانا، اتم‌های خنثی، فوتونیک و تله‌های یون هستند. در این مرحله اولیه، مشخص نیست که کدام یک از این رویکردها موفق خواهد شد.

علاوه بر ساخت پردازنده، چالش‌های دیگری از جمله نحوه بسته‌بندی کیوبیت‌ها، انتقال سیگنال‌های آن‌ها و اجرای برنامه‌ها نیز وجود دارند. محققان باید از یخچال‌های فوق سردکننده استفاده کنند که می‌توانند کیوبیت‌های ابررسانا را تا هزار درجه زیر صفر مطلق خنک کنند و محیطی فوق سرد، تاریک و آرام برای عملیات فراهم سازند. تخصص در این اجزای بسیار خاص از منابع مختلف در کشورهای متعدد به دست می‌آید.

امروزه شرکت‌های مختلفی در حوزه محاسبات کوانتومی وجود دارند که تلاش می‌کنند تا تمام اجزای لازم برای توسعه و پیاده‌سازی فناوری‌های کوانتومی را در یک سیستم یکپارچه ترکیب و ارائه دهند. برخی از این شرکت‌ها مثل «آمازون»، «گوگل»، «ای بی ام» و «کوئرا» در تلاش هستند تا اجزای سازنده را در محصول نهایی ادغام کنند. به طور خلاصه، محاسبات کوانتومی امروزه با چالش‌ها و نادانسته‌های متعددی مواجه است و توسعه مستمر، نیازمند انبوهی از نوآوری‌های مهندسی است. واضح است که برای موفقیت، هر یک از رویکردها باید قابل‌اعتماد، مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه باشند.

قدرت محاسبات کوانتومی

رقابت برای دستیابی به یک رایانه کوانتومی با مقیاس کامل از چندین انگیزه ناشی می‌شود. مهم‌ترین آن‌ها این است که محاسبات کوانتومی وعده می‌دهد که پاسخ‌هایی به مسائلی ارائه دهد که قبلاً غیرقابل‌حل تصور می‌شدند؛ معماهایی که حل آن‌ها برای بهترین رایانه‌های کلاسیک جهان میلیون‌ها سال زمان می‌برد. معروف‌ترین مسئله از این نوع، تجزیه عدد صحیح یا به‌عبارت‌دیگر، شکستن یک عدد به‌عنوان حاصل‌ضرب چند عدد کوچک‌تر است. حتی سریع‌ترین ابررایانه نیز قادر به تجزیه اعداد بسیار بزرگ نیست. این موضوع به این معنی است که پیشرفته‌ترین اشکال رمزنگاری شده که بر اساس تجزیه عددی هستند، در حال حاضر قابل شکستن نیستند. اما رایانه‌های کوانتومی ممکن است این وضعیت را تغییر دهند.

«پیتر شور» [11] - دانشمند علوم رایانه - در سال ۱۹۹۴ اثبات کرد که یک رایانه کوانتومی قادر به تجزیه اعداد بسیار بزرگ خواهد بود. در آن زمان، چنین رایانه‌ای کاملا در قلمرو نظر باقی مانده بود، اما با توسعه فناوری، ایده «پیتر شور» منجر به نگرانی‌هایی شد که پردازنده‌های کوانتومی ممکن است روزی قادر به شکستن حتی پیشرفته‌ترین رمزنگاری‌ها باشند. امروزه کارشناسان امنیت ملی فرض می‌کنند که بازیگران دولتی و خصوصی متخاصم در حال حاضر در حال جمع‌آوری اطلاعات رمزنگاری شده به منظور پیش‌بینی فناوری جدید هستند و به این رویکرد «ذخیره‌سازی اکنون، رمزگشایی بعداً» گفته می‌شود.

کوانتوم ظرفیت‌های بسیار مهمی از مهندسی گرفته تا داروسازی و اقتصاد و تجارت و حتی صنایع نظامی برای دولت‌ها فراهم می‌کند.

اما رمزگشایی تنها یکی از کاربردهای ممکن برای رایانه‌های کوانتومی است و احتمالاً هنوز بیش از یک دهه با آن فاصله داریم. همان‌طور که «فاینمن» پیش‌بینی کرده بود، کاربردهای واضح‌تری برای محاسبات مبتنی بر کوانتوم به شبیه‌سازی کوانتومی مربوط می‌شود. توانایی انجام محاسبات دقیق از سیستم‌های کوانتومی مانند الکترون‌ها، مولکول‌ها و مواد و سایر کاربردها ممکن است زودتر به کار گرفته شوند. پردازنده‌های کوانتومی در حال حاضر به کشفیات در چندین حوزه تخصصی در فیزیک از جمله مهندسی کوار ذرات، دینامیک چندجسمی، انتقال اسپین، انتقال فلزی، بلورهای زمانی، دینامیک کرم‌چاله‌ها و مغناطیس کمک می‌کنند.

با یک رایانه کوانتومی با مقیاس و قابلیت کامل، امکانات شگفت‌انگیزی وجود دارد. به‌عنوان‌مثال، کودهای کشاورزی را در نظر بگیرید. در حال حاضر، تثبیت نیتروژن (فرایند شیمیایی مورد نیاز برای تولید آمونیاک از گاز نیتروژن) بسیار انرژی‌بر است و تا دو درصد از بودجه انرژی سالانه جهان را به خود اختصاص می‌دهد. چرا که کاتالیزورهای صنعتی مورد استفاده در این واکنش بسیار ناکارآمد هستند. اما با رایانه‌های کوانتومی، محققان ممکن است قادر به انجام محاسبات دشواری باشند که می‌تواند این چالش را حل کرده و مقادیر زیادی انرژی صرفه‌جویی کند.

یا اگر به داروسازی‌ها بپردازیم که نیاز دارند مولکول‌های دارویی به طور مؤثر با مولکول‌های داخل بدن تعامل داشته باشند، برای شبیه‌سازی رفتار سیتوکروم «پی ۴۵۰» - عضوی از خانواده آنزیم‌ها که عمدتاً مسئول متابولیسم داروها و بنابراین نحوه پاسخ بیماران به داروها هستند - رایانه‌های کلاسیک به مقادیر بسیار زیادی از قدرت محاسباتی نیاز دارند. با رایانه‌های کوانتومی، این کار می‌تواند به طور بسیار مؤثرتری انجام شود و منجر به نوآوری‌های مهم در مبارزه با بیماری‌ها شود. در صنایع شیمیایی و مواد، محاسبات کوانتومی می‌تواند به طراحی باتری‌های کارآمدتر برای خودروهای الکتریکی و عناصر مقاوم در برابر زنگ‌زدگی برای کشتی‌ها کمک کند. رایانه‌های کوانتومی همچنین ممکن است به حل مشکل تبدیل رآکتورهای همجوشی هسته‌ای به یک منبع انرژی پایدار کمک کنند.

یک حوزه کاربردی امیدوارکننده دیگر، زمینه «یادگیری ماشین» است. رایانه‌های کلاسیک که بر روی داده‌های کوانتومی - شامل اطلاعات الکترونیکی، مغناطیسی و دیگر اطلاعاتی که رفتار یک سیستم کوانتومی را توصیف می‌کنند - آموزش می‌بینند، به مقادیر عظیمی از داده و زمان پردازش نیاز دارند. برخلاف رایانه‌های کلاسیک که برای آموزش بر روی داده‌های کوانتومی نیاز به مقادیر زیادی از مثال‌ها دارند، رایانه‌های کوانتومی که بر روی داده‌های کوانتومی آموزش می‌بینند، کارایی بسیار بالایی در انجام کارویژه‌ها دارند. با این افزایش عظیم در کارایی، این ماشین‌ها می‌توانند برای یادگیری و پیش‌بینی رفتار بی‌شماری از مواد شیمیایی استفاده شوند.

در حال حاضر، هنوز مشخص نیست که آیا رایانه‌های کوانتومی در یادگیری از داده‌های کلاسیک - مانند داده‌های متنی، صوتی و ویدئویی که پایه‌گذار سیستم‌های هوش مصنوعی امروز هستند - مزیت متفاوتی خواهند داشت یا خیر، بااین‌حال محاسبات کوانتومی در حال حاضر از پیشرفت‌های هوش مصنوعی کلاسیک بهره‌مند می‌شود. محققان از مدل‌های زبانی بزرگ، مدل‌های ترنسفورمر و دیگر طراحی‌های هوش مصنوعی برای کمک به طراحی دستگاه‌های کوانتومی، توسعه نرم‌افزار و بهبود اصلاح خطاهای کوانتومی استفاده می‌کنند.

البته این موضوع منطقی است که رایانه‌های کوانتومی باید در کاربردهایی که خودشان مکانیک کوانتومی هستند، مزیت طبیعی داشته باشند؛ اما آنچه خیلی واضح نیست، این است که رایانه‌های کوانتومی می‌توانند در حل برخی از مشکلات غیرمکانیکی کوانتومی مانند تجزیه عدد صحیح، پیشرفت‌های چشمگیری داشته باشند. در واقع محققان و ریاضی‌دانان، ۶۰ الگوریتم را کشف کرده‌اند که به رایانه‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تا مسائل را بسیار سریع‌تر از رایانه‌های کلاسیک حل کنند.

یکی از زمینه‌های مهم این پژوهش، مطالعه بهینه‌سازی است. باتوجه‌به مجموعه‌ای از متغیرها، بهینه‌سازی به دنبال پیداکردن کارآمدترین راه‌حل است و توسط برنامه‌ریزان مالی، مدیران تدارکات، حمل‌ونقل و مربیان ورزشی و بسیاری دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد. بهینه‌سازی همچنین در سیستم‌های هوش مصنوعی نقش اساسی دارد. باتوجه‌به اهمیت محاسبات بهینه‌سازی برای اقتصاد جهانی، اگر حتی کسری از آنها بسیار سریع‌تر و ارزان‌تر و با انرژی بسیار کمتر اجرا شوند، تأثیر آن غیرقابل‌اندازه‌گیری خواهد بود.

چالش‌های بزرگ

امکانات محاسبات کوانتومی الهام‌بخش است، اما محدودیت‌های فعلی این فناوری نیز واقع‌بینانه است. رسیدن از وضعیت کنونی به سیستم‌های پیشرفته‌ای که برای برخی از کاربردهای امیدوارکننده‌اش نیاز است، مستلزم ادغام مؤلفه‌های پیچیده و غلبه بر چالش‌های بی‌شماری خواهد بود. به همین دلیل، بسیاری از کاربردهای پیش‌بینی شده ممکن است هنوز سال‌ها با ما فاصله داشته باشند. به‌عنوان‌مثال، طبق برآوردهای کنونی، یک رایانه کوانتومی که قادر به شکستن کد باشد، به حدود ۴۰,۰۰۰ برابر بیشتر از کیوبیت‌های فیزیکی و کاهش پنج برابری در نرخ خطاهای فیزیکی نسبت به بهترین نمونه‌های کنونی نیاز خواهد داشت. رایانه‌های کوانتومی که می‌توانند محاسبات شیمیایی ساده را انجام دهند، از نظر هزینه حدود دوبرابر کمتر هستند، اما آن‌ها نیز به فناوری بسیار پیشرفته‌تری وابسته خواهند بود.

یکی از معیارهای وضعیت کنونی توسعه کوانتوم، می‌تواند از نقشه راهی که گوگل در سال ۲۰۱۸ منتشر کرد استخراج شود. این طرح، شش مرحله فنی را پیش‌بینی کرده بود که برای رسیدن به یک رایانه کوانتومی مقیاس کامل لازم است: نشان‌دادن اینکه یک پردازنده کوانتومی می‌تواند در یک وظیفه خاص از یک پردازنده کلاسیک بهتر عمل کند، توسعه یک نمونه اولیه برای یک کیوبیت منطقی، نشان‌دادن یک کیوبیت منطقی واقعی، ساخت یک دروازه منطقی برای عملیات بین چندین کیوبیت منطقی، تولید ۱۰۰ کیوبیت منطقی که به‌عنوان نقطه شروع برای شبیه‌سازی کوانتومی ساده در نظر گرفته می‌شود و در آخر تولید ۱,۰۰۰ کیوبیت منطقی برای شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر. یک رایانه برای شکستن کد به قابلیت‌های پیشرفته‌تری نیاز خواهد داشت.  

گوگل به دو مرحله اول خود دست‌یافته و در دسامبر ۲۰۲۴ میلادی (آذرماه ۱۴۰۳) از ویلو[12] - یک پردازنده کوانتومی جدید که قادر است در عرض چند دقیقه یک الگوریتم مرجع را حل کند - خبر داد؛ الگوریتمی که یکی از سریع‌ترین ابررایانه‌های کنونی برای انجام آن به مدت حیرت‌انگیز ۱۰²⁵ سال نیاز دارد.

سازمان‌های دیگری از جمله «ای بی ام» [13]، «آیون کیو» [14] و «کوئرا» [15] نیز نقشه‌های راه خود را برای یک رایانه کوانتومی بزرگ‌مقیاس با تصحیح خطا منتشر کرده‌اند. محققان چینی به‌ویژه در دانشگاه علم‌وفناوری چین، به نخستین مرحله اهداف تعیین‌شده گوگل دست‌یافته و پردازنده‌هایی با صدها کیوبیت را معرفی کرده‌اند. مانند سایر بازیگران این حوزه، محققان چینی بدون شک دستاوردهای قابل‌توجه دیگری دارند که هنوز به‌صورت عمومی منتشر نشده است.

برای ارزیابی وضعیت کنونی رقابت در زمینه محاسبات کوانتومی، بازوی تحقیقاتی وزارت دفاع ایالات متحده یعنی آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی (DARPA)، به‌تازگی اعلام کرده است که یک طرح ابتکاری برای «معیارسنجی کوانتومی» راه‌اندازی کرده است تا تعیین کند آیا هر رویکرد محاسبات کوانتومی می‌تواند تا سال ۲۰۳۳ به عملکرد مقیاس کاربردی دست یابد یا خیر. هرچند پیش‌بینی دقیق سرعت نوآوری‌های آینده غیرممکن است، اما برخی محققان برآورد کرده‌اند که نمونه‌های اولیه رایانه‌های کوانتومی مقیاس کامل، ممکن است تا پایان این دهه توسعه یابند. چنین دستاوردی، به همراه بهبود روش‌های تصحیح خطا و الگوریتم‌های کارآمدتر، جهان را به طرز وسوسه‌انگیزی به شبیه‌سازی کوانتومی نزدیک خواهد کرد.

بر اساس برآوردهای کنونی، بعید است که محققان به نخستین ماشین شکستن کد واقعی کوانتومی یعنی یک رایانه کوانتومی با میلیون‌ها کیوبیت و تصحیح خطای مناسب، تا سال ۲۰۳۰ دست یابند. حتی در آن زمان، چنین رایانه‌ای برای تجزیه یک عدد بزرگ به ساعت‌ها زمان نیاز خواهد داشت. بااین‌حال، برای آمریکا و شرکای بین‌المللی‌اش ضروری است که از اکنون برای این فناوری آماده شوند. شبکه‌ها به‌خاطر کندی در پیاده‌سازی استانداردهای امنیتی جدید، علی‌رغم دردسترس‌بودن طولانی‌مدت آن‌ها، به طور مشهودی کُند عمل کرده‌اند. توسعه، آزمایش و اصلاح مجموعه‌ای از استانداردهای کوانتومی امن، سال‌ها طول خواهد کشید.

مؤسسه ملی استانداردها و فناوری ایالات متحده (NIST) از سال ۲۰۱۶ تلاش‌هایی برای توسعه استانداردهای رمزنگاری برای یک جهان پساکوانتومی داشته است. در آگوست ۲۰۲۴ (مرداد ۱۴۰۳) این مؤسسه یک مجموعه اولیه از سه الگوریتم رمزنگاری کلاسیک را به‌عنوان استانداردهایی که آماده استفاده فوری هستند، اعلام کرد و دستورالعمل‌هایی برای ادغام آن‌ها در سیستم‌های رمزنگاری و سایر محصولات ارائه داد. هرچند این مجموعه الگوریتم‌ها در برابر تمام روش‌های رمزگشایی منتشر شده تا به امروز مقاوم است، اما شاید یک یا چند مورد از آن‌ها در آینده آسیب‌پذیر باشند. چنین نگرانی‌هایی در پی تحقیقات جدیدی که نشان می‌دهد رمزنگاری عمومی ممکن است هرگز به طور کامل در برابر حملات کوانتومی امن نباشد، اهمیت بیشتری پیدا کرده است.

مانند سایر فناوری‌های جدید و قدرتمند، محاسبات کوانتومی وعده‌های بزرگ و همچنین خطرات جدید قابل‌توجهی نیز با خود به همراه دارد. علاوه بر سرقت داده‌ها به‌صورت کلان، اختلال اقتصادی و نقض اطلاعات، رایانه‌های کوانتومی می‌توانند برای مقاصد مخرب مانند شبیه‌سازی و سنتز سلاح‌های شیمیایی یا بهینه‌سازی مسیرهای پروازی یک گروه از پهپادها مورد استفاده قرار گیرند. همانند هوش مصنوعی، احتمال سوءاستفاده از این فناوری سؤالات مهمی را در مورد اینکه چه کسی باید بر این فناوری کنترل داشته باشد و چگونه می‌توان بدترین تهدیدات را کاهش داد، مطرح می‌کند. سیاست‌گذاران باید تعیین کنند که چگونه می‌توانند از منافع اقتصادی و اجتماعی کوانتوم حداکثر استفاده را ببرند و درعین‌حال خطرات را به حداقل برسانند. یافتن بهترین راه‌ها برای دستیابی به این تعادل، نیازمند یک بحث جدی در درون جامعه مدنی و درک عمومی از مزایا و مضرات بالقوه این فناوری خواهد بود. آینده‌های متعددی برای جهانی با رایانه‌های کوانتومی قابل‌پیش‌بینی است. بهترین آن‌ها، دیدن دموکراسی‌های لیبرال در حال رهبری توسعه فناوری و مدیریت جمعی آن خواهد بود. سناریوی بدتر به این صورت خواهد بود که آمریکا و شرکای بین‌المللی‌اش، از طریق عدم اقدام یا اقدام ناکافی، تسلط بر این فناوری جدید را به چین و سایر کشورهای خودکامه واگذار کنند.

جهش کوانتومی

کامل‌کردن رایانه کوانتومی یک پروژه جسورانه، بلندپروازانه و چندوجهی است و هیچ شرکت یا کشوری نمی‌تواند به‌تنهایی به آن دست یابد. سیستم‌های اولیه امروز به هزاران قطعه، ابزار و دستگاه تخصصی نیاز دارند. ساخت پیچیده و تأسیسات برودتی و تسلط در سطح جهانی در ده‌ها زمینه فنی که همه این‌ها توسط میلیاردها دلار سرمایه‌گذاری در تحقیق‌وتوسعه پشتیبانی می‌شود.

 سیستم‌های فردا به طور قابل‌توجهی پیچیده‌تر خواهند بود. اگر آمریکا بخواهد در این رقابت پیشرو باشد و به همراه متحدان بین‌المللی خود، پیشرفته‌ترین سیستم‌های محاسبات کوانتومی را بسازد، باید به محققان و توسعه‌دهندگان کوانتومی اجازه دهد تا با هم، همکاری کنند و ایده‌های خود را با یکدیگر به اشتراک بگذارند. همکاری مؤثر می‌تواند به دموکراسی‌های لیبرال مزیت قابل‌توجهی نسبت به کشورهای بسته و خودکامه بدهد.

فناوری کوانتوم می‌تواند مسائلی را حل کند که برای پیشرفته‌ترین رایانه‌های جهان، حل آنها میلیون‌ها سال زمان می‌برد.

برای بسیاری از شرکت‌هایی که امروز روی سیستم‌های کوانتومی کار می‌کنند، پردازنده‌های کوانتومی به‌عنوان گنجینه اصلی دارایی‌های فکری آن‌ها محسوب شده و در کشور خودشان تولید می‌شوند. گوگل، چیپ‌های کوانتومی را در ایالات متحده می‌سازد. بخش مدارات کوانتومی دانشگاه آکسفورد، تراشه‌های کوانتومی را در بریتانیا تولید می‌کند و «آلیس و باب» [16] این کار را در فرانسه انجام می‌دهد. در هر مورد، این چیپ‌ها برای تحقیق‌وتوسعه داخلی هستند و در برخی موارد، به اشخاص ثالث اجازه دسترسی به نمونه‌های اولیه داده می‌شود. همان‌طور که در بخش نیمه‌رساناها نشان داده شده است، برای هر کشوری مزایای ژئوپلیتیکی وجود دارد که ظرفیت داخلی برای ساخت یک جزء استراتژیک را حفظ کند.

اما برای تولید پردازنده‌ها و ادغام سیستم‌های رایانه‌ای کامل به‌صورت محلی، باید استعدادهای لازم نیز در دسترس باشد. این امر نیازمند همکاری بین نهادهای دولتی، صنایع و مؤسسات تحقیقاتی و آموزشی است. شرکت‌های محاسبات کوانتومی می‌توانند با به اشتراک گذاشتن نیازهای نیروی کار پیش‌بینی‌شده خود و ارائه فرصت‌های آموزش در حین کار، از این فرایند پشتیبانی کنند. از آنجا که مهارت‌های مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی بسیار تخصصی هستند، ممکن است برای هر کشوری و شاید حتی برای هیچ کشور واحدی، توسعه تمام استعدادهای لازم ممکن نباشد. کار ما در زمینه محاسبات کوانتومی شامل همکاری با بیش از ۱۰۰ مؤسسه دانشگاهی و شرکای صنعتی در آمریکا، اروپا و منطقه آسیا و اقیانوس آرام است. ایالات متحده و متحدانش باید سیاست‌های ویزا، مهاجرت و کنترل صادراتی را طوری اجرا کنند که به شرکت‌ها در این بخش حیاتی اجازه دهد تا بهترین دانشمندان، مهندسان و تکنسین‌ها را جذب کنند. در سپتامبر (شهریور ۱۴۰۳)، وزارت بازرگانی آمریکا یک گام مهم در این راستا برداشت و قوانین جدیدی را اعلام کرد که شامل معافیت صادراتی برای تسهیل استخدام کارگران بین‌المللی با مهارت‌های بالا در آمریکا است.

واشنگتن و شرکای بین‌المللی‌اش همچنین باید زنجیره‌های تأمین قوی برای تمام زیرسیستم‌ها و اجزای مورد نیاز در محاسبات کوانتومی را برقرار کنند. بسیاری از اجزای لازم در مکان‌های مختلف در سراسر جهان تولید می‌شود و این روند ادامه خواهد یافت. به‌عنوان‌مثال، ساخت کیوبیت‌های ابررسانا به بسیاری از همان ابزارهایی نیاز دارد که در تأسیسات پیشرفته ساخت نیمه‌رسانا متعلق به شرکت‌هایی مانند اینتل و شرکت تولید نیمه‌رساناهای تایوان (TSMC) استفاده می‌شود؛ این ابزارها در کشورهای فرانسه، آلمان، هلند و آمریکا تولید می‌شوند. یخچال‌های برودتی به تخصصی نیاز دارند که تنها در دست چند شرکت عمدتاً مستقر در بریتانیا و اتحادیه اروپا وجود دارد. سایر اجزا مانند وسایل الکترونیک کنترل و سیم‌کشی، توسط شرکت‌های تخصصی در اسرائیل، ژاپن و تایوان، همچنین در آمریکا و اتحادیه اروپا طراحی می‌شوند. کشورها به‌صورت فردی ممکن است بر روی بخش‌های مختلف تسلط پیدا کنند، اما کشورهای هم‌فکر باید با هم همکاری کنند تا پازل کامل را جمع‌آوری کرده و آن را از دسترسی کشورهای خودکامه دور نگه دارند.

برای اینکه محاسبات کوانتومی به ظرفیت کامل خود دست یابد، ذهن‌های خلاق از رشته‌های مختلف برای توسعه کاربردهای این فناوری نیاز خواهد بود. مانند رقابت برای فرود انسان‌ها روی ماه یا توالی‌یابی همه ژن‌ها در ژنوم انسان، توسعه موفق و ایمن رایانه‌های کوانتومی نمی‌تواند تنها توسط دانشمندان محقق شود. این امر نیازمند تعهدات دولتی و خصوصی بین‌نسلی در منابع و استعدادها و دیپلماسی بین‌المللی دوراندیشانه‌ای خواهد بود. رایانه‌های کوانتومی فرصت‌های فوق‌العاده‌ای برای آمریکا و بسیاری از دیگر کشورها در سراسر جهان ایجاد خواهند کرد. همچنین آن‌ها خطرات جدیدی از جمله احتمال سوءاستفاده یا استفاده نادرست و امکان ایجاد شوک‌هایی به نظم جهانی را نیز به همراه خواهند داشت. اگر این خطرات بتواند مدیریت شود، ظرفیت رایانه‌های کوانتومی برای تسریع پیشرفت بشریت و ساختن آینده‌ای بهتر ممکن است فوق‌العاده باشد.

https://www.foreignaffairs.com/united-states/race-lead-quantum-future-chou-manyika-neven

/ انتهای پیام /