جهان و آینده کوانتوم

دیپلماسی ایرانی: 

مقدمه: ایالات متحده آمریکا باید در پیش بینی و برنامه ریزی در زمینه چندوچون جایگاه خود در سپهر کوآنتومی بین المللی، اندیشه و نگاهی راهبردی داشته باشد. پژوهش، توسعه و ایجاد یک سامانه آمریکایی برای پشتیبانی از فن آوری کوآنتومی، نقش کارسازی در پیشبرد طرح سوپرکامپیوترهای کوآنتوم محور دارد. لایحه ابتکار ملی کوآنتوم که قرار است در سال 2023 تمدید شود، راهنمای سیاست ها و قانونگذاری های آینده برای حمایت از صنعت کوآنتومی ایالات متحده است.

در این پادکست، دکتر داریو گیل Dr. Darío Gil، معاون ارشد و مدیر بخش پژوهش های شرکت آی بی ام IBM آمریکا به پرسش هایی درباره اهمیت پژوهش، شراکت و توسعه یک سامانه مناسب کوآنتومی پاسخ می دهد. نکات عمومی تر دیدگاه های وی را در اینجا می خوانید. توصیه می شود که کارشناسان این رشته برای آگاهی از جزئیات تخصصی و فنی این گفت وگو، به لینک بالا مراجعه کنند.

• آنچه در مرحله کنونی در رابطه با کوآنتوم رخ می دهد، یک انقلاب واقعی در فن آوری اطلاعات و بویژه نحوه پردازش اطلاعات است. شاید از زمان اختراع نخستین رایانه های دیجیتالی در دهه 1940، اکنون در هیجان انگیزترین نقطه پردازش های کامپیوتری قرار داشته باشیم. دلیلش این است که ما با بکارگیری فن آوری کوآنتوم، در حال بازنگری بنیادین "تعریف اطلاعات" هستیم، اینکه اطلاعات چه چیزی است؟ 

• بنیان فن آوری دیجیتال بر بیت ها Bits استوار بود، ایده ای که ریشه هایش به زمان رنسانس و نهضت روشنگری باز می گشت: این ایده که می توان تمامی دانش بشری را به رقم های دوگانه Binary digits تبدیل یا ترجمه کرد و اینکه می توان از استدلال Reasoning برای فهم درست جهان بهره برد. در آن زمان، بشر ابزارهای لازم برای تحقق این فن آوری را نداشت تا اینکه کلاود شانون در دهه 1940 فرضیه ای را مطرح کرد که امروزه به عنوان نظریه اطلاعات شناخته می شود و بعدها به عرضه ابزارهایی انجامید که بتوانیم همه اطلاعات بشری را با تبدیل به رقم های دوگانه در کانال های ارتباطی به جریان اندازیم. قانون مورس هم یک همزاد موازی نظریه اطلاعات بود که اینها سرانجام به جهان مدرن دیجیتال انجامید که همه دانش بشری را به شکل کم هزینه تری به بیت ها یا ارقام دوگانه تبدیل می کند. 

• اما با نظریه کوآنتوم، ما به آن بنیاد اولیه باز می گردیم. بازنگری در سرچشمه ها و سرشت اطلاعات. این بازنگری ایده هایی را از فیزیک کوآنتومی می گیرد تا روش های نمایش اطلاعات را غنی سازی کنیم و به جای تکیه بر بیت ها یعنی صفر و یک ها برای ذخیره اطلاعات، گام های کلی تر و کلان تری را برداریم که شامل بکارگیری اصولی همچون بر هم نهی superposition، درهم تنیدگی entanglement و مداخله Interference می شود و با قرض گرفتن آنها از فیزیک کوآنتوم، سازوکارهایی را برای محاسبه یا رایانش Computing ارائه دهیم که به ما امکان انجام پردازش و حل مسایلی را می دهد که تاکنون برایمان مقدور نبود. بنابراین با انقلاب تازه کوآنتومی در ذخیره سازی و پردازش اطلاعات روبه رو هستیم که ریشه هایش در اندیشه دهه های پیشین است و با ابزارهای امروزین تحقق می یابد. این تحول، تاثیرات و پیامدهای بسیار عمیقی خواهد داشت که هم از منظر فن آورانه و هم از جنبه سیاست گذاری باید مورد توجه قرار گرفته و مدیریت شود.

• ارزیابی من این است که آمریکا در زمینه فن آوری رایانش کوآنتومی در جایگاه رهبری جهانی قرار داشته و پیشتاز و پرچمدار است. حوزه رایانش کوآنتومی از سه جنبه حس sense، ارتباط Communication و رایانش Computing شکل می گیرد. البته هرچند آمریکا در این زمینه پیشتاز است اما فشار رقابتی زیادی را هم احساس می کند. برای مثال در زمینه کانال های ارتباطی همچون ماهواره ها و امثال آن، در دهه گذشته سرمایه گذاری های بزرگی انجام شده است اما در شرکت آی بی ام، ما به این نتیجه رسیدیم که نیازمند نوعی تغییر راهبرد و تمرکز بیشتر بر رایانش هستیم، زمینه ای که البته آمریکا هم اکنون هم در آن در موضع پیشتازی قرار دارد. 

• ده سال قبل، فن آوری کوآنتوم در زمره ده اولویت نخست کشورها هم قرار نداشت. این وضعیت دگرگون شده و می توانم با اطمینان بگویم که برای کشورهای پیشرو، فن آوری کوآنتوم اکنون در زمره پنج اولویت نخست شان قرار گرفته است: این اولویت ها شامل نیمه رساناها (نیمه هادی ها)، هوش مصنوعی، فن آوری کوآنتومی، فن آوری زیستی و فن آوری انرژی می شوند و سرمایه گذاری های هنگفتی هم در این زمینه ها صورت می گیرد. برای چین هم فن آوری کوآنتومی یک اولویت است. آنها سرمایه گذاری بسیار بزرگی در بخش ارتباطی و درهم تنیدگی کرده اند. همچنین در پنج سال گذشته هم سرمایه گذاری بسیاری در زمینه رایانش انجام داده و به پیشرفت های قابل ملاحظه ای هم دست یافته اند و در اندیشه رسیدن به جایگاه رهبری در این حوزه هستند. 

• در زمینه تفاوت های کدگذاری Coding در رایانش کوآنتومی با رایانش دیجیتال: سه سطح مختلف از کدگذاری مطرح است. کدگذاری در پایین ترین سطح خود، بسیار به ماشین نزدیک است. سطح بعدی، الگوریتم ها هستند که برای طراحی و توسعه الگوریتم ها باید از مرزهای مشترک دانش الگوریتمی، ریاضیات و فیزیک کوآنتوم بهره بگیریم. اما در بالاترین سطح یعنی سطحی که برنامه نویسان یا Developer ها کار می کنند، هیچ نیازی به دانستن فیزیک کوآنتوم نیست و اکثریت مردم جهان برای انجام کارهای این سطح، ملزم به آگاهی از فیزیک کوآنتومی نیستند. در واقع آی بی ام در حال حاضر تلاش دارد که این فن آوری را اصطلاحا دمکراتیزه کند به شکلی که همه بتوانند از آن با بکارگیری متدها و روش های استاندارد در محیط های برنامه نویسیِ کامپیوترهای کوآنتومی استفاده کنند. بنابراین تنها کسانی که می خواهند در سطوح یک و یا سطح دو که با نوشتن الگوریتم ها سروکار دارد، کار کنند، باید به دانش کوآنتومی مسلط باشند که این گروه شاید یک درصد کاربران را شکل دهند. 

• برای رسیدن به چنان هدفی بود که شرکت آی بی ام، در سال 2016 یک رایانه کوآنتومی را که یک کامپیوتر پنج کیوبیتی بود، در سامانه کلاود و در اختیار عموم قرار داد تا این امکان را داشته باشند که با آن کار کنند. در عرض یک هفته، سه هزار نفر با استفاده از این کامپیوتر کوآنتومی، برنامه نویسی کرده و آن را روی اینترنت ارسال کردند. تا امروز حدود نیم میلیون نفر این تجربه را انجام داده اند و حدود دو تریلیون برنامه کوآنتومی را آماده و اجرا کرده اند. در حال حاضر شرکت آی بی ام، 25 کامپیوتر کوآنتومی را در سامانه کلاود خود قرار داده است و حدود دو هزار مقاله علمی هم با استفاده از کامپیوترهای کوآنتومی ما تولید شده اند.  

• کامپیوتر کوآنتومی، ماشینی است که قادر است این کیوبیتزها یا بیت های کوآنتومی را خلق کند و می تواند این کیوبیتزها را دستکاری Manupulate کرده تا محاسباتی را در واقع با بکارگیری قواعد رایانش کوآنتومی انجام دهد. البته روش های مختلفی برای بکارگیری رایانه های کوآنتومی وجود دارد. یک رایانه کامپیوتری از سه قسمت شکل می گیرد: دستگاه یا Device که کیوبیتزها را اجرا می کند، بسته بندی یا Packaging که همه اینها را گردهم می آورد و وایرینگ Wiring که به ما امکان ارسال و دریافت پالس های موج کوتاه را می دهد و کنترل الکترونیکی که این پالس ها را تولید می کند. 

• نکته اینجاست که رایانش هایی هست که امکان انجام آنها با کامپیوترهای کلاسیک دیجیتالی وجود ندارد حتی اگر میلیاردها دلار هم در این زمینه سرمایه گذاری شود. اما رایانه های کوآنتومی می توانند چنین محاسباتی را آنهم با مصرف انرژی بسیار کمتری انجام دهند و بازدهی هایی انفجاری داشته باشند. این است که بهره مندی از سرمایه رایانش کوآنتومی، به معنی صرفه جویی های میلیاردی نیز هست در حالیکه اگر همین روال امروزی استفاده از رایانه های دیجیتالی را ادامه دهیم، جهان به مرحله ای می رسد که بخش اعظم انرژی تولیدی خود را باید برای تغذیه رایانه ها مصرف کند. 

• همانطور که آمریکا توانست سی پی یوهای قدرتمندی را بسازد، اکنون زمان آن است که سوپرکامپیوترهای کوآنتومی را تولید کند. ما درباره سامانه های بزرگی صحبت می کنیم که ده ها یا صدهاهزار کیوبیتز ظرفیت دارند تا به جایی برسیم که بهترین سی پی یوهای رایانشی در کنار بهترین سامانه های رایانش کوآنتومی کار کنند. چنین چشم اندازی که برای پیشبرد منافع اقتصادی و امنیتی ایالات متحده ضرورت دارد، در حال حاضر یک حلقه گمشده است. رایانه های کوآنتومی، برای کارکردن نیازمند رایانه های کلاسیک هستند و اینگونه نیست که جایگزین رایانش دیجیتالی شوند. بنابراین هر دو سامانه باید در تعامل با هم کار کنند. 

• ضرورت دارد که در زمینه پرورش استعدادها، در زمینه ایجاد زیرساخت هایی در کلاس جهانی و نیز تعیین زمینه های مشخصی که برای پیشرفت و امنیت ملی ما اهمیت دارند، سرمایه گذاری  و برنامه ریزی کنیم و سرمایه خود را در زمینه های پراکنده ای که اولویت ندارند، هدر ندهیم. در اینجا باید بر نقش محوری بخش خصوصی تاکید کنیم.

• علاوه بر آمریکا، کانادا و استرالیا هم سرمایه گذاری های بزرگی در زمینه رایانش کوآنتومی انجام داده اند و استرالیا از حیث نیروی انسانی آموزش دیده در زمینه کوآنتوم بسیار جلو رفته است. ژاپن در این زمینه پیشرفت های خوبی داشته، همچنین در سوئیس و هلند اخیرا کارهای زیادی در این حوزه انجام می گیرد و البته آلمان و انگلستان هم سهم قابل توجهی در این زمینه دارند. 

• تلاشی که اکنون صورت می گیرد این است که دو حوزه ارتباطات کوآنتومی و رایانش کوآنتومی دست به دست هم بدهند. این دو حوزه باید برای ساخت ابررایانه های کوآنتومی در تعامل باشند. داستان شرکت آی بی ام با سابقه صد و ده ساله اش، داستان رایانش در بخش های دولتی و خصوصی است و اکنون گویی آی بی ام، این پروژه را در دی ان ای خود دارد و امیدوار است که پیشتازی خود را حفظ کند. 

• آی بی ام کار زیادی در زمینه رمزگذاری یا encryption انجام داده است. ما به دنبال رمزگذاری نامتقارن هستیم. به زبان ساده در این نوع رمزگذاری برخلاف رمزگذاری های دیجیتال، حجم یک رمز یا کلید خاص بسیار بزرگتر است و شکستن آن هم بسیار دشوارتر. آی بی ام در تلاش است تا پروتکل های تازه ای را برای رمزگذاری ابداع کند تا شرایط ایمن تری برای بخش های خصوصی، دولتی و شهروندان از حیث حفظ اطلاعات و حریم خصوصی شان ایجاد شود. 

• دو چالش اصلی پیش روی رایانش کوآنتومی، یکی خطاها یا error ها هستند که چاره کردن آنها و اصلاح خطاها یک زمینه بسیار مهم است و دیگری هم توسعه الگوریتم هاست. 

منبع: مرکز واکاوی های راهبردی و بین المللی CSIS / تحریریه دیپلماسی ایرانی/11