ترجمه و تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
محاسبات کوانتومی این روزها به همراه همهمه‌هایی در میان دانشمندان درباره‌ی ابر رایانش میلیاردی و رمزینه گذاری آشکار ناپذیر سر تیتر روزنامه‌ها و خبرگزاری‌ها قرار گرفته است. خبرها حاکی از این است که آژانس امنیت ملی ایالات متحده‌ی آمریکا (NSA) در حال پیش روی به سوی کامپیوتری کوانتومی می‌باشد که بتواند هر الگوریتم قرار دادی را بشکند. طرح‌های آژانس امنیت ملی توسط شخصی به نام ادوارد اسنودن درز پیدا کردند و در روز پنجشنبه به روزنامه‌ی واشینگتون پست گزارش داده شدند.
با این وجود جزئیات کار وی هم چنان ناقص باقی مانده‌اند. و آژانش تنها یکی از بازی‌گران بسیاری چه در سطح عمومی و چه در سطح شرکتی در زمینه‌ای می‌باشد که بایستی قبل از کنار گذاشتن رایانش استاندارد و معمولی موانع پیش روی را از میان بردارد.
کامپیوترهای معمولی با پردازش کد باینری کار می‌نمایند ــ واحدی اطلاعاتی که در یکی از این دو حالت قرار دارد، صفر یا یک. از این رو کامپیوترهای کوانتومی از قید این دو حالت آزاد و رها می‌گردند. آنها اصل مکانیک کوانتومی به هنگامی که چیزهای عجیب و غریبی از طریق حالت گردش یک اتم رخ می‌دهد، چیزی که گشتاور زاویه‌ای خوانده می‌شود، را تحت کنترل قرار می‌دهند.
نمایی از آژانس امنیت ملّی (NSA) در فورت مید در حومه‌ی شهر واشینگتون، 25 ژانویه‌ی سال 2006
در حالتی کوانتومی اتم به حالتی می‌رود که بر هم نهش گفته می‌شود. این حالت می‌تواند مقدار صفر یا یک و یا هر دو مقدار را به طور هم زمان اختیار نماید. این ترفند احتمال پردازش موازی را در مقیاسی بسیار عظیم عرضه می‌دارد. الگوریتمی که شکستن آن برای یک ابر رایانه معمولی سال‌ها زمان می‌برد را می‌توان با آن چه که کوبیت‌ها یا بیت‌های کوانتومی خوانده می‌شوند تنها در کسری از زمان شکست.
IBM می‌گوید "ویژگیهای خاص کوبیت‌ها به کامپیوترهای کوانتومی این قابلیت را می‌دهد تا به طور هم زمان بر روی میلیون‌ها محاسبه کار نمایند". "به عنوان نمونه یک حالت منفرد 250 کوبیتی شامل بیت‌های اطلاعاتی بیشتری به نسبت اتم‌های موجود در عالم می‌شود".
با این وجود باید بر موانع هراس انگیز مهندسی فائق آمد. برای رسیدن به حالت شکننده‌ی کوانتومی بایستی ابری از اتم‌ها را با استفاده از پالس‌های لیزر تا نزدیکی صفر مطلق سرد ساخت و کنترل نمود.
تغییرات دما، امواج الکترومغناطیسی و نقص‌های جزئی در ماده می‌تواند به کلی بر هم نهش مجهولی که کوبیت را می‌سوزاند در هم شکند.
داوران جایزه‌ی نوبل در سال 2012 به هنگامی که جایزه‌ی فیزیک آن سال را به خاطر کار بنیادی بر روی حالت کوانتوم اهداء می‌نمودند ابراز داشتند که، ارتقاء دادن این کامپیوترها از آزمایشگاههای بسیار گران قیمت و به شدّت محافظت شده نمایانگر "یک چالش عملی بسیار بزرگ" می‌باشد.
علامت مثبت بزرگ دیگر کوانتوم پدیده‌ای به نام گرفتاری می‌باشد.
ذراتی که در حالت کوانتومی به وجود می‌ایند به مانند دو قلوهای ذهنی عمل می‌نمایند.
هر چند که آنها از یک دیگر دور باشند اما اختلالی در یک ذره بر روی دیگری تأثیر می‌گذارد، پدیده‌ای که زمانی انیشتین آن را "عملی اسرار آمیز در مسافت" خواند.
از این رو در صورتی که راه پیامی که در حالت کوانتوم فرستاده شده است در مسیر گرفته شود، گرفتاری از بین می‌رود ــ و آژیرهای خطر به صدا در می‌ایند که کسی در حال گوش ایستادن می‌باشد.
دست یابی به رمزینه نگاری کوانتومی
گرفتاری هدف اصلی رمزینه نگاری کوانتومی می‌باشد.
این امر احتمال ایجاد یک رمز یک بار مصرف منحصر به فرد را پای بر جا می‌گذارد که تنها در دست فرستنده و گیرنده قرار می‌گیرد و امکان رمز گشایی آن توسط یک فرد خارجی تقریباً محال است. تازه از این بهتر این که در طول انتقال حتی نمی‌توان به پیام دست زد.
فیلیپ گرانگیر متخصص اپتیک کوانتومی مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) این طور می‌گوید: با این همه حتی بدون وجود گرفتاری نیز می‌توان حالت کوانتوم را در رمزینه نگاری مورد استفاده قرار داد.
تیم وی آزمایشاتی را به انجام رسانیده که در آن یک پیام رمزینه نگاری شده‌ی معمولی به همراه یک کلید رمزینه نگاری شده‌ی کوانتومی به صورت ذراتی سبک به سمت پایین کابل فیبر نوری ارسال می‌شود.
به محض دریافت پیام از کلید برای باز گشایی رمز پیام استفاده می‌شود.
گرانگیر در مصاحبه‌ای تلفنی اظهار داشت که این تکنیک از امضاهایی کوانتومی در کلید به عنوان هشدار سارق استفاده می‌نماید.
گرانگیر می‌گوید: "حتی کوچکترین مداخله در اطلاعات از اندازه‌ی کلید کوانتومی به هنگام رسیدن به دست دریافت کننده می‌کاهد و جاسوس شناخته می‌شود".
"هرچه جاسوس بیشتر پا فشاری نماید اندازه‌ی کلید کوچک و کوچکتر می‌شود. و در نهایت ارتباط قطع می‌گردد".
بزرگترین طول انتقال از طریق کابلی با طول 80 کیلومتر (50 مایل) بوده است ــ مسافتی که در ارتباطات محلی سودمند می‌باشد اما هنوز فاصله‌ی بسیار زیادی برای استفاده در انتقالات بین قاره‌ای و دیگر موارد دارد.
در ورای این مسافت این معما نهفته است که چگونه سیگنال نور که در حال ضعیف شدن در مسیر به سمت پایین کابل می‌باشد را تقویت نماییم چنان که اطلاعات تکرار شود اما حالت کوانتوم خود را از طریق مداخله از دست ندهد.
هدف تکنیکهای دیگر غلبه‌ی مشکل "تکرارگر" با استفاده از خط انتقال لیزری دیدی بر ماهواره‌هایی که در نزدیکی مدار زمین قرار دارند می‌باشد.
با این وجود جزئیات کار وی هم چنان ناقص باقی مانده‌اند. و آژانش تنها یکی از بازی‌گران بسیاری چه در سطح عمومی و چه در سطح شرکتی در زمینه‌ای می‌باشد که بایستی قبل از کنار گذاشتن رایانش استاندارد و معمولی موانع پیش روی را از میان بردارد.
کامپیوترهای معمولی با پردازش کد باینری کار می‌نمایند ــ واحدی اطلاعاتی که در یکی از این دو حالت قرار دارد، صفر یا یک. از این رو کامپیوترهای کوانتومی از قید این دو حالت آزاد و رها می‌گردند. آنها اصل مکانیک کوانتومی به هنگامی که چیزهای عجیب و غریبی از طریق حالت گردش یک اتم رخ می‌دهد، چیزی که گشتاور زاویه‌ای خوانده می‌شود، را تحت کنترل قرار می‌دهند.
IBM می‌گوید "ویژگیهای خاص کوبیت‌ها به کامپیوترهای کوانتومی این قابلیت را می‌دهد تا به طور هم زمان بر روی میلیون‌ها محاسبه کار نمایند". "به عنوان نمونه یک حالت منفرد 250 کوبیتی شامل بیت‌های اطلاعاتی بیشتری به نسبت اتم‌های موجود در عالم می‌شود".
با این وجود باید بر موانع هراس انگیز مهندسی فائق آمد. برای رسیدن به حالت شکننده‌ی کوانتومی بایستی ابری از اتم‌ها را با استفاده از پالس‌های لیزر تا نزدیکی صفر مطلق سرد ساخت و کنترل نمود.
تغییرات دما، امواج الکترومغناطیسی و نقص‌های جزئی در ماده می‌تواند به کلی بر هم نهش مجهولی که کوبیت را می‌سوزاند در هم شکند.
داوران جایزه‌ی نوبل در سال 2012 به هنگامی که جایزه‌ی فیزیک آن سال را به خاطر کار بنیادی بر روی حالت کوانتوم اهداء می‌نمودند ابراز داشتند که، ارتقاء دادن این کامپیوترها از آزمایشگاههای بسیار گران قیمت و به شدّت محافظت شده نمایانگر "یک چالش عملی بسیار بزرگ" می‌باشد.
علامت مثبت بزرگ دیگر کوانتوم پدیده‌ای به نام گرفتاری می‌باشد.
ذراتی که در حالت کوانتومی به وجود می‌ایند به مانند دو قلوهای ذهنی عمل می‌نمایند.
هر چند که آنها از یک دیگر دور باشند اما اختلالی در یک ذره بر روی دیگری تأثیر می‌گذارد، پدیده‌ای که زمانی انیشتین آن را "عملی اسرار آمیز در مسافت" خواند.
از این رو در صورتی که راه پیامی که در حالت کوانتوم فرستاده شده است در مسیر گرفته شود، گرفتاری از بین می‌رود ــ و آژیرهای خطر به صدا در می‌ایند که کسی در حال گوش ایستادن می‌باشد.
دست یابی به رمزینه نگاری کوانتومی
گرفتاری هدف اصلی رمزینه نگاری کوانتومی می‌باشد.
این امر احتمال ایجاد یک رمز یک بار مصرف منحصر به فرد را پای بر جا می‌گذارد که تنها در دست فرستنده و گیرنده قرار می‌گیرد و امکان رمز گشایی آن توسط یک فرد خارجی تقریباً محال است. تازه از این بهتر این که در طول انتقال حتی نمی‌توان به پیام دست زد.
فیلیپ گرانگیر متخصص اپتیک کوانتومی مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه (CNRS) این طور می‌گوید: با این همه حتی بدون وجود گرفتاری نیز می‌توان حالت کوانتوم را در رمزینه نگاری مورد استفاده قرار داد.
تیم وی آزمایشاتی را به انجام رسانیده که در آن یک پیام رمزینه نگاری شده‌ی معمولی به همراه یک کلید رمزینه نگاری شده‌ی کوانتومی به صورت ذراتی سبک به سمت پایین کابل فیبر نوری ارسال می‌شود.
به محض دریافت پیام از کلید برای باز گشایی رمز پیام استفاده می‌شود.
گرانگیر در مصاحبه‌ای تلفنی اظهار داشت که این تکنیک از امضاهایی کوانتومی در کلید به عنوان هشدار سارق استفاده می‌نماید.
گرانگیر می‌گوید: "حتی کوچکترین مداخله در اطلاعات از اندازه‌ی کلید کوانتومی به هنگام رسیدن به دست دریافت کننده می‌کاهد و جاسوس شناخته می‌شود".
"هرچه جاسوس بیشتر پا فشاری نماید اندازه‌ی کلید کوچک و کوچکتر می‌شود. و در نهایت ارتباط قطع می‌گردد".
بزرگترین طول انتقال از طریق کابلی با طول 80 کیلومتر (50 مایل) بوده است ــ مسافتی که در ارتباطات محلی سودمند می‌باشد اما هنوز فاصله‌ی بسیار زیادی برای استفاده در انتقالات بین قاره‌ای و دیگر موارد دارد.
در ورای این مسافت این معما نهفته است که چگونه سیگنال نور که در حال ضعیف شدن در مسیر به سمت پایین کابل می‌باشد را تقویت نماییم چنان که اطلاعات تکرار شود اما حالت کوانتوم خود را از طریق مداخله از دست ندهد.
هدف تکنیکهای دیگر غلبه‌ی مشکل "تکرارگر" با استفاده از خط انتقال لیزری دیدی بر ماهواره‌هایی که در نزدیکی مدار زمین قرار دارند می‌باشد.
/ج