کاربردهای شگفت انگیز تکنولوژی کوانتومی

جوامع علمی، همگی موافق هستند که اولین کامپیوتر کوانتومی حداکثر تا ۱۰ سال آینده آماده خواهد شد. این اتفاق به قدری مورد اهمیت است که متخصصین آن را شمارش معکوس برای Y2Q (سال کوانتومی) می نامند.

اکثر مردم تا حدودی با مفاهیم پایه مکانیک کوانتوم آشنایی دارند. دنیای کوانتوم آن چنان عجیب است که حتی برترین فیزیکدانان نیز آن را گیج کننده می دانند. ذهن بشر از تصور گذر انسان از درون دیوار، زمان و عدم قطعیت که ریشه دارترین دیدگاه های ما در مورد واقعیات زندگی را تهدید می کند، در حراس است. در این دنیا، اندازه گیری های استاندارد معنی خود را از دست می دهند.

با وجود پتانسیل بالای تکنولوژی کوانتومی ، افرادی که در آینده از این تکنولوژی برخوردارند نسبت به دیگران در امور سیاسی، مالی، امنیت و غیره، برتری قابل توجهی خواهند داشت. شرکت هایی مانند آمازون، مایکروسافت و اینتل (و البته دولت ها) از اکنون به دنبال این تکنولوژی هستند زیرا نگران استفاده هکرها از این تکنولوژی و سقوط شرکت های خود می باشند.

در این نوشته برخی از کاربردهای تکنولوژی کوانتومی را معرفی می کنیم.

۷- افزایش قابل توجه سرعت محاسبات

در ابتدا اجازه دهید توضیح کوتاهی در مورد چگونگی عملکرد یک کامپیوتر بدهیم. کامپیوتری که اکنون از آن استفاده می کنید مانند دیگر کامپیوترهای جهان عمل می کند. این دستگاه یک دنیای محدود و باینری است که در آن اطلاعات به صورت بیت هایی کد گذاری می شوند.

این بیت ها همان ۰ و ۱ ها هستند که دو حالت محدود خاموش و روشن را نشان می دهند. از طرف دیگر محاسبات کوانتومی از کیوبیت ها استفاده می کند که می تواند به طور همزمان در حالت های نامحدودی باشد.

اگر به یک کامپیوتر معمولی یک رشته سی تایی از ۰ و ۱ داده شود، از آن رشته ۱ میلیارد مقدار ممکن وجود خواهد داشت. برای این مقدار ممکن، کامپیوتر باید به ترتیب یکی پس از دیگری این محاسبات را انجام دهد و این امر به زمان و حافظه زیادی نیاز دارد.

یک کامپیوتر کوانتومی، تمام این محاسبات را به طور همزمان و در یک لحظه انجام می دهد که این امر زمان محاسبات و هزینه ها را به شدت کاهش می دهد.

به زبان ساده یک کامپیوتر کوانتومی محاسباتی که برای یک کامپیوتر معمولی هزاران سال به طول می انجامد را تنها در چند ثانیه به اتمام می رساند.

نوشته مرتبط: کامپیوتر کوانتومی چیست و آیا به زودی می توانیم آن را بخریم؟

۶- امنیت نامحدود

علاوه بر کمک نمودن به جهشی بزرگ در امر پزشکی، تکنولوژی کوانتومی ، امکان امنیت سایبری غیر قابل نفوذ و همچنین ارتباط فواصل دور را فراهم می سازد.

در این دنیای عجیب، پدیده ای به نام ” درهمتنیدگی کوانتومی” وجود دارد که در آن دو و یا چند ذره، مستقل از فضایی که ممکن است در بین آن ها قرار داشته باشد و بدون هیچ گونه سیگنال قابل شناسایی، به طور مرموزی به هم متصل هستند.

از آن جایی که بین این دو ذره درحال ارتباط، هیچ محیط قابل لمس و محسوسی وجود ندارد، از این رو این اطلاعات غیر قابل ره گیری هستند. اگرچه هنوز تکنولوژی این گونه ارتباطات ساخته نشده است اما این چنین تکنولوژی ای می تواند تاثیر بسیاری روی تماس های خصوصی و امنیت ملی داشته باشد.

افزایش سرعت محاسبات نیز امنیت سایبری را بهبود خواهد بخشید. با قدرت پردازش کامپیوترهای کوانتومی این امکان فراهم می گردد تا در برابر پیچیده ترین روش های هک تاب آوریم.

۵- هک نامحدود

باید توجه داشت، قدرت بالا مسئولیت بیشتری را نیز به همراه دارد. همین قدرت کوانتومی که رمزگذاری را به سطحی بالاتر برده، می تواند هکرها را قادر سازد تا به درون امن ترین سیستم ها نفوذ کنند.

امروزه استادانه ترین تکنیک های رمزنگاری بر اساس مسائل ریاضی بسیار پیچیده ایجاد می گردند. با اینکه این روش ها برای بازداشتن ابرکامپیوترهای باینری کافی به نظر می رسند اما به راحتی به کمک یک کامپیوتر کوانتومی قابل شکستن هستند.

بگذارید مثالی بزنم. برای بازکردن قفل یک الگوریتم RSA-768 به ۱۰۰ کامپیوتر که به صورت همزمان کار کنند و دو سال زمان نیاز است. این در حالی است که یک کامپیوتر کوانتومی این کار را در عرض چند ثانیه انجام می دهد.

۴- ساعت های اتمی دقیق و ردیابی شئ

ساعت های اتمی تنها برای مشاهده زمان استفاده نمی شوند. آن ها جزئی ضروری در تکنولوژی مثل سیستم های GPS و ارتباطات امروز می باشند.

دقیق ترین ساعت اتمی با استفاده از نوسانات مایکروویو ساطع شده از الکترون ها کار می کنند. این اتم ها نزدیک به دمای صفر مطلق نگهداری می شوند تا دقت بالاتری داشته باشند.

ساعت های اتمی جدید از تکنولوژی کوانتومی استفاده می کنند که دقت آن بسیار بالاتر است. این دقت به قدری بالا است که از آن می توان به عنوان یک ردیاب مافوق دقیق استفاده کرد. این ردیاب کوچک ترین تغییرات در جاذبه، میدان مغناطیسی، میدان های الکتریکی، نیرو، حرکت، دما و دیگر پدیده ها که به طور طبیعی نوسان می کنند را، حس می کند.

این تغییرات سپس توسط تغییرات در زمان منعکس می شوند.

این ردیاب دقیق به شناسایی اجسام زیر زمین، رد گیری زیردریایی ها در اعماق اقیانوس و حتی هدایت و رانندگی اتوماتیک با دقت بالاتر کمک می کند.

۳- کشف سیارات دور

تعجب آور نخواهد بود اگر تکنولوژی کوانتومی به میزان وسیعی در تحقیقات فضایی استفاده شود. کاوش در فضا همواره نیازمند آنالیز مجموعه داده های بسیار وسیعی می باشد.

مهندسین ناسا قرار است از محاسبات کوانتومی برای حل مسائل بهینه سازی بسیار پیچیده استفاده کنند. این مسائل شامل میلیارد ها داده است و در آن از پردازش های کوانتومی در دمای نزدیک به صفر مطلق استفاده می شود.

برای مثل مهندسین ناسا قادر خواهند بود به کمک نوسانات کوچک امواج کوانتومی، اختلاف دماهای بسیار کوچک ساطع شده از فضا توسط ستاره ها و شاید سیاه چاله ها را ردیابی کنند.

ناسا در حال حاضر از اصول کلی محاسبات کوانتومی برای ایجاد روش های ایمن تر و کارآمد تر سفر فضایی استفاده می کند، مخصوصا وقتی که روبات ها به فضا ارسال می شوند. ناسا تمایل دارد ماموریت های رباتیک خود را تقریبا تا ده سال دیگر آغاز کند. هدف آنها استفاده از بهینه سازی کوانتومی برای ایجاد یک پیش بینی فوق العاده دقیق از آنچه که در طول مأموریت رخ می دهد، است.

۲- علم ژنتیک

اتمام پروژه ژنوم انسان در سال ۲۰۰۳، بشر را وارد عصر جدیدی در پزشکی نمود. به واسطه ی درک کامل از ژنوم انسان، می توانیم درمان های پیچیده را مختص به نیازهای فردی بکار بریم. علیرغم آگاهی ما در مورد پیچیدگی های DNA انسانی، هنوز هم در مورد کدهای DNA پروتئین ها، اطلاعات کمی در اختیار داریم.

وارد کردن محاسبات کوانتومی، به لحاظ نظری ما را قادر میسازد تا “پروتئین ها” را به همان شیوه که از ژن ها نقشه برداری میکنیم، ترسیم کنیم. در حقیقت، محاسبات کوانتومی به ما امکان می دهد تا فعل و انفعالات پیچیده مولکولی را در سطح اتمی مدل سازی کنیم. این امر هنگامی که نوبت به پایه گذاری تحقیقات پزشکی جدید و داروها می رسد ارزشمند خواهد بود.

ما قادر خواهیم بود بیش از ۲۰،۰۰۰ پروتئین را مدل سازی کنیم و تعاملات آنها با داروهای مختلف (حتی داروهایی که هنوز اختراع نشده اند) را با دقت بیشتر شبیه سازی کنیم. تجزیه و تحلیل این تعاملات به احتمال زیاد ما را به درمان های جدیدی برای بیماری های علاج ناپذیر کنونی هدایت میکند.

سرعت محاسبات کوانتومی نیز در استفاده و تجزیه و تحلیل “نقاط کوانتومی”  (نانوبلورهای نیمه هادی که تنها چند نانومتر طول دارند) که در حال حاضر در خط مقدم تشخیص و درمان سرطان استفاده می شود، به کمک می آیند.

۱- علم مواد و مهندسی

محاسبات کوانتومی تاثیرات بسیار عظیمی در زمینه های علم مواد و مهندسی دارد. قدرت محاسبات کوانتومی به محققین اجازه می دهد تا از مدل های به طور فزاینده پیچیده که می تواند نحوه جمع آوری و کریستال شدن مولکول ها را برای تشکیل مواد جدید نشان دهد، استفاده شود.

گریم گی، استاد مدل سازی شیمی در دانشگاه سوث امپتن توضیح میدهد:”هنگامی که یک مهندس، یک سد و یا یک هواپیما را میسازد، ساختار آن ابتدا با استفاده از کامپیوتر طراحی می شود. این مسئله در مقیاس مولکول ها یا اتم ها بسیار دشوار است. طراحی از پایه در مقیاس اتمی بسیار دشوار بوده و میزان شکست در مواد جدید کشف شده بسیار بالا است.

محاسبات کوانتومی به دانشمندان اجازه می دهد تا با دقت باور نکردنی تعاملات اتمی را شبیه سازی و تحلیل کنند که این به نوبه خود منجر به ایجاد مواد کاملا جدید و کارآمد می شود.

به زبان ساده تر ما قادر به پیدا کردن و ایجاد ابررساناهای بهتر، آهنرباهای قوی تر، منابع انرژی بهتر و خیلی بیشتر خواهیم بود.

باز نشر مطالب سایت بدون ذکر نام و لینک مطلب سایت پیتونیک ممنوع است و شامل پیگرد قضایی می شود.

مراجع

مرجع شماره ۱