کامپیوتر کوانتومی چیست؟ رایانش کوانتمی تهدیدی برای امنیت بلاک چین است؟
اگر بتوانیم خیلی سریع محاسبه کنیم، می‌توانیم بلاک چین را هک کنیم. این گزاره هرچند کامل و دقیق نیست اما با تقریب خوبی صحیح است. مسئله اینجاست که «سریع» در این گزاره تعریفی فراتر از تصور بشر و توان ماشین‌های فعلی است.
کامپیوتر کوانتومی قرار است یکی از آرزوهای دیرینه بشر را برآورده کند. آرزوی انجام محاسبه‌های خیلی سریع. بیاید همین ابتدا «خیلی سریع» را تعریف کنیم:
ابر کامپیوترهای فعلی در مقابل سیستم‌هایی که قرار است اینقدر سریع محاسبه کنند، ماشین حساب‌های بزرگ و گران‌قیمتی بیشتر نیستند.
هک بلاک چین با انجام چنین محاسبه‌های فرا سریعی ممکن خواهد بود. اگر شما هم بلافاصله بعد از شنیدن این گزاره آینده دنیای بلاک چین را تاریک دیده‌اید، عجله نکنید. کار به همین سادگی هم نیست.
برای درک مفهوم رایانش کوانتومی باید چند مفهوم پایه در علم فیزیک و کامپیوتر را بررسی کنیم. همین ابتدا خوب است بدانید در ادامه می‌خواهیم مفاهیمی را بررسی کنیم که شاید برای همه قابل درک نباشند.
فهرست مطالب
فیزیک کوانتوم درباره چه صحبت می‌کند؟
قدم اول این است که بدانیم کوانتوم چیست، چطور کار می‌کند و چه کاربردی دارد؟
می‌دانیم که ذرات جهان فیزیکی خود از ذرات بسیار کوچک‌تری تشکیل شده‌اند. اوضاع تا زمانی که به اتم سازنده مولکول اجرا می‌رسیم کاملا طبیعی است. تمام قوانین فیزیک درباره این ذره‌ها صادق هستند و می‌توانیم مطمئن باشیم مشکلی با هم ندارند.
زمانی که اتم‌ها را به ذرات سازنده خود تقسیم می‌کنیم اما جهان دیگری پیش روی ما قرار دارد. اینجا قوانین پایه و به‌ظاهر بدیهی فیزیک هم نقض می‌شوند. اینجا دنیای کوانتوم‌ها است. قوانین فیزیکی این دنیا را قوانین فیزیک کوانتوم می‌نامند. قوانین دیگر را فیزیک نیوتونی می‌نامند.
دانشمندان هنوز در مرحله بررسی پدیده‌های جهان کوانتومی قرار دارند. هنوز نمی‌دانیم این جهان بسیار ریز روی چه پایه‌های استوار است و چطور اتفاق‌های آن را می‌توانیم با فرمول‌های فیزیکی نشان دهیم یا ثابت کنیم.
کامپیوتر کوانتومی چیست؟
همین ابتدا باید گفت هنوز چیزی به این نام وجود خارجی ندارد. رایانه کوانتومی در حقیقت یک ایده است. سخت‌افزارهایی ساخته شده‌اند اما هنوز به مرحله‌ای نرسیده‌ایم که بگوییم رایانه‌ای ساخته‌ایم که با قوانین فیزیک کوانتوم کار می‌کند.
ایده اصلی این است: کامپیوتری بسازیم که با استفاده از قوانین فیزیک کوانتوم، بسیار سریعتر و بسیار دقیق‌تر از سیستم‌های فعلی کار کند.
در کامپیوترهای فعلی (بیاید آن‌ها را کامپیوترهای نیوتونی بنامیم) محاسبات پردازشی در مبنای دو انجام می‌شود و هر بیت در وضعیت خاموش یا روشن قرار می‌گیرد. واحد اطلاعات کوانتومی، کیوبیت (qbit)، با استفاده از ویژگی‌های مبتنی‌بر کوانتوم می‌تواند وضعیت خاموش و روشن یا هر مقداری بین آن‌ها را ارائه دهد که به آن برهم‌نهی می‌گویند. نگران نباشید درباره برهم‌نهی و سایر مفاهیم پایه کوانتوم مفصل صحبت می‌کنیم. بیاید اول تاریخچه این ایده را بررسی کنیم.
تاریخچه کامپیوتر کوانتومی
۲۴ تا ۲۹ اکتبر سال ۱۹۲۷، پنجمین دوره کنفرانس سلوی در بروکسل بلژیک برگزار شد. این دوره که بعدها مشهورترین و مهم‌ترین دوره این کنفرانس معتبر فیزیک و شیمی شد برای گردهمایی بزرگان فیزیک جهان و صحبت درباره الکترون‌ها و فوتون‌ها برپا شد. در این کنفرانس اروین شرودینگر، آرتور هالی، ماری کوری، پل لانژون، چارلز تامسون، نیلز بور و آلبرت اینشتن حضور داشتند. عکس دسته جمعی این کنفرانس یکی از مشهورترین تصاویر تاریخ علم است.
(از چپ به راست) پیتر دبای، مارتین نودسن، ویلیام لورنس براگ، هندریک آنتونی کرامرز، پل دیراک، آرتور هالی کامپتون، لویی دو بروی، ماکس برن، نیلز بور
(از چپ به راست) ایروینگ لانگمویر، ماکس پلانک، ماری کوری، هندریک لورنتز، آلبرت اینشتین، پل لانژون، شارل اوژن گویه، چارلز تامسون ریس ویلسون، اون ویلانز ریچاردسون
۱۷ نفر از ۲۹ دانشمند حاضر در این کنفرانس برنده جایزه نوبل فیزیک شده‌اند.
نیلز بور در این کنفرانس نظریه فیزیک کوانتومی خود را ارائه کرد. آلبرت اینشتن با او مخالفت کرد و بحث بالا گرفت. اینشتن در تمام شش روز این کنفرانس سعی کرد بزرگ‌ترین همکارش یعنی نیلز بور و نظریه هیجان‌انگیز او را به چالش بکشد.
بور با کمک سایر همکاران خود که نظریه را منطقی می‌دانستند، چالش‌های اینشتن را حل کرد. او حتی از نظریه نسبیت علیه خالق آن بهره برد. اینشتن در پایان کنفرانس اعلام کرد نظریه به‌نظر او ناقص است.
پنج سال بعد و در سال ۱۹۳۳، اینشتن دو دانشمند به نام‌های ناتان رزان و بوریس پودلسکی را استخدام کرد تا دستگاه‌هایی که براساس نظریه بور ساخته شده بودند را بررسی و خطاهای کارکردی آن‌ها را پیدا کنند. این دو دانشمند وظیفه داشتند این خطاها را به کمک قوانین فیزیک اثبات کنند.
همکاری این سه دانشمند در نهایت به کشف یک تناقض ریاضیاتی فیزیک کوانتوم شد. این تناقض که به افتخار این سه نفر تناقض EPR (مخفف نام کوچک سه نفر) نامیده شد باعث شد دنیا بفهمد ارتباطی غیرممکن بین ذرات وجود دارد. این سه نفر فهمیده بودند که در جهان حقیقی این دو ذره در فاصله‌ای مشخص از یکدیگر می‌توانند نسبت به هم همبستگی و رفتاری مشابه و یکسان نشان دهند.
اگر فکر می‌کنید موضوع پیچیده شد یا به توضیح بیشتری نیاز دارد اشتباه می‌کنید. حتی مقاله جامعی که آلبرت اینشتن برای توضیح این تناقض نوشت و بررسی‌های چند دهه‌ای دانشمندان هم توضیح بیشتری در این‌باره به دست نداده است.
اختراع پدیده‌هایی مثل لیزر و ترانزیستورهای ابرمتجمع درست بودن نتیجه کار این گروه را ثابت کرد. ترانزیستورهای ابرمتجمع راه را برای ساخت کامپیوترها و ابر کامپیوترها باز کردند.
درهم‌تنیدگی کوانتومی چیست؟
وقت آن رسیده با دنیای حیرت‌انگیز و اسرارآمیز فیزیک کوانتوم بیشتر آشنا شوید. گفتیم ایده کامپیوترهای کوانتومی استفاده از برهم‌نهی ذرات برای ایجاد پالس است. برای درک بهتر این مفهوم ابتدا باید مفهوم درهم تنیدگی را بشناسیم.
اینشتن و تیمش در آزمایش‌های خود فهمیده بودند که وقتی دو ذره دست‌کم یک‌بار روی هم کنش داشته باشند تا ابد هر بار که خصوصیات کوانتومی (خصوصیات مربوط به ذرات زیر اتمی) یکی از آن‌ها تغییر کند، خصوصیات کوانتومی دیگری هم تغییر خواهد کرد. این تغییر در شرایطی رخ می‌دهد که فاصله این دو ذره از هم مهم نیست! اینشتن به حدی شگفت‌زده شد که این مسئله را نپذیرفت.
این تیم سه نفره نظریه پارادوکس EPR را فرموله و در قالب مقاله‌ای منتشر کرد. آن‌ها در این مقاله اعلام کردند نظریه فیزیک کوانتومی باوجود تحقیقات آن‌ها کامل نیست و برای بسیاری رخ‌دادها توضیح منطقی ندارد.
یک سال بعد اروین شرودینگر صاحب آزمایش مشهور گربه شرودینگر به اینشتن نامه نوشت و گفت چیزی که او و تیمش پیدا کرده‌اند را او و تیمش هم دیده‌اند. شرودینگر برای اولین بار نام «برهم‌تنیدگی» را روی این رفتار ذرات زیر اتمی گذاشت.
بیش از دو دهه بعد جان بل دانشمند شهیر ایرلندی یکی از مهم‌ترین آزمایش‌های تاریخ را انجام داد. او در سال ۱۹۶۴ رابطه‌ای ریاضی اختراع کرد که بعدها به افتخار او «نامساوی بل» نامیده شد. این نامساوی می‌توانست بین پیش‌بینی‌های فیزیک کوانتومی و نظریفه EPR ارتباطی معنادار پیدا کند.
اگر فیزیک‌دان‌ها موفق می‌شدند در آزمایشات خود، نقض نامساوی بل را مشاهده کنند، این به معنای صحت نظریه کوانتومی و وجود پدیده اسرار آمیز در هم‌تنیدگی کوانتومی بود. در غیر این صورت، حق با اینشتین بود و هیچ ارتباطی با سرعتی فراتر از سرعت نور مابین ذرات وجود نداشت.
پیروزی فیزیک کوانتومی
این مناقشه طولانی سرانجام در سال ۱۹۷۲ با پیروزی نظریه کوانتومی به پایان رسید. در این سال، دو فیزیک‌دان به نام‌های استوارت فریدمن و جان کلاورز در دانشگاه برکلی آمریکا موفق شدند با اندازه‌گیری قطبش فوتون‌هایی که قبلا باهم برهم‌کنش داشته‌اند، نقض نامساوی بل و در نتیجه وجود پدیده اسرارآمیز در هم‌تنیدگی کوانتومی را برای اولین بار به طور تجربی مشاهده کنند. ۱۰ سال بعد از آزمایش فریدمن – کلاورز، در سال ۱۹۸۲ یک فیزیک‌دان فرانسوی به نام آلن اسپکت با افزایش دقت این آزمایش، وجود پدیده در هم‌تنیدگی کوانتومی را باز هم با قطعیت بالاتری تایید کرد.
در سال ۲۰۰۸ نیز فیزک‌دانان دانشگاه ژنو در سوئیس به رهبری نیکولاس گیسین با انجام آزمایشی توانستند نشان دهند که ارتباط بین ذرات در هم‌تنیده حداقل با سرعتی ۱۰ هزار برابر سریعتر از سرعت نور صورت می‌گیرد.
این عدد با قوانین فیزیک نیوتونی هم‌خوانی ندارد. می‌دانیم که هیچ‌چیز نمی‌تواند سریعتر از سرعت نور باشد اما فراموش نکنید دنیای کوانتوم با قوانین فیزیک نیوتونی سر و کار ندارد. به‌بیان دیگر شما در جهان کوانتوم می‌توانید ۱۰ هزار برابر سریعتر از نور حرکت کنید. البته نه به این راحتی.
بیاید با یک مثال بحث درهم‌تنیدگی را ببندیم:
فرض کنید یک یون در اختیار دارید. اگر این یون را به دو قسمت تقسیم کنیم، یون‌های تشکیل شده باهم درهم‌تنیدگی دارند. آزمایش‌های معتبر ثابت کرده‌اند این دو یون در هر مکان و در هر زمانی قرار بگیرند درهم‌تنیده خواهند بود؛ یعنی خصوصیات هرکدام تغییر کند خصوصیات ذره دوم هم تغییر می‌کند.
بله درست مطالعه کرده‌اید. این ذرات حتی در زمان‌های مختلف هم درهم‌تنیده خواهند بود. این یعنی ممکن است ذره‌ای که با ذره‌ای نابود شده درهم‌تنیده است ناگهان تغییر کند چون در دید ما ذره‌ای که نابود شده، هنوز نابود نشده است. بیاید بحث را پیچیده نکنیم. با این بخش کاری نداریم.
بعد از گذشت حدود پنج دهه از مطرح شدن این نظریه هنوز کسی نمی‌داند درهم‌تنیدگی چرا و چطور رخ می‌دهد. علم ثابت کرده این ارتباط که اینشتن آن را اسرارآمیز می‌دانست وجود دارد اما چرا و چطور؟ نمی‌دانیم.
برهم‌نهی کوانتومی چیست؟
اوایل بحث درباره این مفهوم صحبت کردیم. بیاید کمی بیشتر درباره آن صحبت کنیم. فیزیک کوانتومی برهم‌نهی را این‌طور توصیف می‌کند:
یک ذره کوانتومی تا زمانی که سنجش شود، روی ذره‌ای دیگر قرار می‌گیرد.
برهم‌نهی یکی از پایه‌های اساسی کامپیوتر کوانتومی به‌شمار می‌رود. این اصل یکی از دلایل مهم تمایز کامپیوترهای کوانتومی و کامپیوترهای نیوتونی است. برای درک بهتر این تعریف باید از اروین شرودینگر کمک بگیریم.
گفتیم که این دانشمند آزمایشی طراحی کرد که بعدها به آزمایش گربه شرودینگر مشهور شد. شرودینگر در این آزمایش ذهنی نشان داد که اگر گربه‌ای را به‌همراه چیزی که او را حتما می‌کشد (در آزمایش شرودینگر یک اتم رادیواکتیو) درون جعبه‌ای بدون راه نفوذ قرار دهیم گربه هم می‌تواند زنده باشد هم مرده. او ثابت کرد تا زمانی که در جعبه باز نشود (به سیستم آسیبی وارد نشود) شانس زنده بودن گربه به اندازه شانس مردن او خواهد بود.
این برهم‌نهی در دنیای کوانتوم بسیار مهم است. یک ذره زیر اتمی می‌تواند هم الف و هم ب باشد؛ تا زمانی که سیستم آسیبی ندیده و اتم شکافته نشده است.
در ایده کامپیوترهای کوانتومی یک بیت کوانتوم برخلاف یک بیت کامپیوترهای نیوتونی که یا صفر است یا یک، می‌تواند هم صفر باشد هم یک و این یعنی «امکان» انجام بسیار سریعتر هرکاری که کامپیوترهای امروزی انجام می‌دهند.
کامپیوتر کوانتومی چطور کار می‌کند؟
هنوز نمی‌دانیم. گفتیم که کامپیوترهای کوانتومی هنوز از مرحله ایده خیلی فراتر نرفته‌اند. شرکت‌هایی منجمه IBM و گوگل روی این سخت‌افزارها کار می‌کنند. در واقع پروژه‌های این شرکت‌ها شامل آزمون و خطاهای بسیار زیاد برای به‌کار گرفتند فیزیک کوانتوم در انجام محاسبه است. در نتیجه تا زمانی که این پروژه‌ها به نتیجه واقعی و کاربردی نرسد نمی‌توانیم بگوییم کامپیوترهای کوانتومی چطور کار می‌کنند.
گوگل نمونه‌ای از کامپیوترهای کوانتومی را ساخته اما هنوز موفق نشده با آن محاسبه‌های پایدار و مطمئن انجام دهد. این نمونه تصور ما نسبت به آن‌چه کامپیوتر می‌دانیم را به‌طور کامل تغییر داده است:
یک رشته لامپ را تصور کنید که وارونه آویزان است که درواقع پیچیده‌ترین چیزی محسوب می‌شود که تا به حال دیده‌اید. به جای یک پیچ باریک سیم، دسته‌های نقره‌ای آن‌ها را سازماندهی کرده و به زیبایی در اطراف یک هسته بافته شده است. آن‌ها در لایه‌هایی چیده شده‌اند که با پایین رفتن باریک می‌شوند و سپس صفحات طلایی ساختار را به بخش‌هایی تقسیم می‌کنند.
قسمت بیرونی این کالبد را به‌دلیل شباهت انکارناپذیر «لوستر» می‌نامند. این یخچال فوق شارژ است که از مخلوط هلیوم مایع مخصوص برای خنک‌کردن تراشه کوانتومی کامپیوتر تا صفر مطلق (سردترین دمای نظری ممکن) استفاده می‌کند. در چنین دماهای پایینی، مدارهای ابررسانای کوچک در تراشه خواص کوانتومی خود را به‌دست می‌آورند؛ خواصی که برای انجام کارهای محاسباتی که عملاً در کامپیوترهای کلاسیک غیرممکن است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه‌های کوانتومی اغلب بسیار متفاوت از نمونه‌های قدیمی خود هستند؛ اما در یک استثنا، قطعه مرکزی برخی از پیشرفته‌ترین کامپیوترهای کوانتومی هنوز یک تراشه است؛ بااین‌تفاوت که این ماده از سیلیکون ساخته نشده، بلکه از موادی ابررسانا ساخته شده است.
کامپیوتر کوانتومی بلاک چین را هک می‌کند؟
از نظر تئوری بله.
تجزیه اعداد طبیعی، اصلی‌ترین فعالیت محاسباتی در هنگام رمزنگاری است. دلیل انجام این کار لزوم انجام فعالیت‌های محاسباتی پیچیده برای تجزیه تعداد بسیار زیادی از اعداد صحیح است. با استفاده از الگوریتم شر می‌توانیم عوامل اول تمام اعداد صحیح در دسترس را داشته باشیم. این الگوریتم می‌تواند با سرعت چند میلیون برابر ابر کامپیوترهای فعلی کار کند.
همچنین با استفاده از الگوریتم گرور می‌توان جذر تعداد بی‌نهایت عدد را محاسبه کرد. این الگوریتم هم میلیون‌ها برابر سریعتر از ابر کامپیوترهای فعلی عمل می‌کند.
بله درست فکر می‌کنید. در چنین شرایطی سیستم‌های کوانتومی می‌توانند رمزهای N بیتی را در کسری از ثانیه حدس بزنند. همین‌طور می‌توانند تمام ستون‌های امنیتی بلاک چین که بر قدرت شبکه و محاسبه‌های پیچیده استوار شده‌اند را از بین ببرند.
ناهم‌دوستی کوانتمی، دوست امنیت
تمام بحث‌هایی که در بخش قبل مطرح شد تئوری‌های غیر کاربردی هستند. دلیل اصلی اینکه دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند از الگوریتم‌هایی که درباره آن‌ها صحبت کردیم استفاده کنند، وجود ناهم‌دوستی کوانتمی است.
تعامل کیوبیت‌ها با محیط خود به گونه‌ای که باعث تجزیه و در نهایت از بین رفتن رفتار کوانتومی آن‌ها شود، «هم‌دوسی کوانتومی» نامیده می‌شود. حالت کوانتومی کیوبیت‌ها بسیار شکننده است و کوچک‌ترین ارتعاش یا تغییر دما و اختلالات معروف به نویز در کوانتوم می‌تواند منجر به ناکارآمد‌شدن آن‌ها شود. به همین دلیل است که محققان تمام تلاش خود را می‌کنند تا کیوبیت‌ها را در یخچال‌های فوق سرد و محفظه‌های خلا محافظت کنند.به همین دلیل است که دانشمندان عصر حاضر را عصر کامپیوترهای کوانتومی پُر نویز نامیده‌اند.
از سوی دیگر لزوم تلاش برای کنترل کیوبیت‌هایی که درهم‌تنیده شده‌اند هم مطرح است. اگرچه کامپیوترهای کوانتومی در بهترین حالت می‌توانند ده‌ها کیوبیت را در خود جای دهند، اما از بین آن‌ها تنها سه تا پنج کیوبیت برای انجام محاسبات مفید استفاده می‌شوند.
سایر کیوبیت‌ها برای رفع خطاهای ایجاد شده در محیط پرسروصدایی که در آن تلاش می‌شود سطح کوانتوم کنترل شود، به کار گرفته می‌شوند. فعالیت پژوهشی کنونی شدیدا در حال تلاش برای کنترل مناسب وضعیت کوانتوم‌ها علی‌رغم وجود سروصدا در هر ذره است.
بلاک چین تا اطلاع ثانوی بسیار امن است
دیدم که مباحث فیزیک کوانتوم قدمتی طولانی دارند. این مباحث هنوز از سطح تئوری پیشرفت چندانی نکرده‌اند. دانشمندان با انجام آزمایش‌های مبتنی بر فرمول‌های ریاضی وجود قوانین پایه این فیزیک را تایید کرده‌اند. با این وجود هنوز هیچ آزمایش واقعی یا توضیح روشنی برای اثبات این قواننین وجود ندارد.
همچنین دیدیم کامپیوتر کوانتمی از نظر تئوری می‌تواند خطری جدی برای رمزنگاری و دنیای بلاک چین باشد. البته این تئوری هنوز در سطح تئوری باقی مانده و دانشمندان درحال آزمون خطا روی آن هستند. باتوجه به قوانین فیزیک کوانتوم و وجود ناهم‌دوستی کوانتومی با علم فعلی بسیار بعید است بتوانیم کامپیوترهای کوانتومی را ببینیم و با آن‌ها واقعا کار کنیم.