کامپیوترهای شخصی کوانتمی

حتی کاربرهای معمولی کامپیوتر هم می‌توانند به امکانات کامپیوترهای کوانتومی دسترسی داشته باشند. در آینده ممکن است شما نیازی به یک کامپیوتر کوانتومی شخصی نداشته باشید تا الزاماً با آن از محاسبه‌گری کوانتومی به طور ایمن بهره‌مند شوید. محققان برای اولین بار نشان دادند که چطور کاربران معمولی کامپیوتر کلاسیک می‌توانند از راه دور به منابع آنلاین محاسبه‌گرهای کوانتومی دسترسی داشته باشند، در حالی که محاسبات کوانتومی خود را به طور کاملاً ایمن حتی از خود کامپیوتر کوانتومی هم مخفی نگه دارند.

کمپانی‌های بزرگ تکنولوژی مانند گوگل و آی بی ام با یکدیگر رقابت می‌کنند تا زودتر به فناوری ساخت کامپیوترهای کوانتومی جهانی برسند. این کامپیوترها می‌توانند اطلاعات را بسیار سریع‌تر از ابرکامپیوترهای کلاسیک قدرتمند امروزی پردازش کنند. این کمپانی‌ها همچنین پیشنهاد وجود یک دسترسی آنلاین به پردازنده‌های کوانتومی ابتدایی را ارائه کرده‌اند. آن‌ها با این روش می‌خواهند به کاربران نشان دهند که چگونه همه‌ی افراد می‌توانند به رایانش ابری‌پایه‌ی کوانتومی (cloud-based quantum computing) دسترسی داشته باشند.

تا همین اواخر، کاربران کامپیوتر تصور می‌کردند که هیچ راهی برای استفاده‌ی از راه دور آن‌ها از پردازش کوانتومی وجود ندارد و در غیر این صورت از آن‌ها و اطلاعاتشان جاسوسی خواهد شد، مگر اینکه خودشان یک کامپیوتر کوانتومی شخصی داشته باشند. این تصور اکنون توسط محققانی از سنگاپور و استرالیا به چالش کشیده می‌شود. مقاله‌ی مربوط به دستاورد آن‌ها در روز 11 جولای در ژورنال علمی فیزیکال ریویو ایکس (Physical Review X) به چاپ رسیده است.

جوزف فیتسیمونز (Joseph Fitzsimons)، فیزیکدان نظری مرکز تکنولوژی‌های کوانتومی دانشگاه ملی سنگاپور و محقق ارشد این پروژه می‌گوید: «اگر بخواهم روراست باشم، باید بگویم که ما خودمان هم از وجود این امکان بسیار متعجب شدیم. قبلاً نتایجی را یافته بودیم که نشان می‌دادند کاربرهای معمولی کامپیوترهای کلاسیک نمی‌توانند اطلاعات خود را به طور کامل مخفی کنند و این یعنی اطلاعات امنیت پایینی خواهند داشت.»

روشی که به کاربرها کمک می‌کند امنیت اطلاعاتشان را در کامپیوترهای کوانتومی بالا ببرند، بر اساس یک روش ویژه موسوم به «محاسبه‌گری کوانتومی سنجش‌پایه» است. تمایز اصلی کامپیوترهای کوانتومی نسبت به کامپیوترهای معمولی این است که داده‌های این کامپیپوترها می‌توانند در یک لحظه، بیت‌های صفر و یک را همزمان داشته باشند. برخلاف کامپیوترهای معمولی که در آن‌ها بیت اطلاعات یا صفر است و یا یک. به همین دلیل این کامپیوترها می‌توانند به طور همزمان حجم بسیار بیشتری از اطلاعات را پردازش کنند. به بیت‌های کامپیوترهای کوانتومی کیوبیت گفته می‌شود.

در محاسبات کوانتومی سنجش‌پایه، یک کامپیوتر کوانتومی همه‌ی کیوبیت‌هایش را در یک حالت درهم‌تنیدگی خاص کوانتومی قرار می‌دهد تا یک تغییر در یکی از کیوبیت‌ها، سایر کیوبیت‌ها را هم تغییر دهد. سپس هر کدام از کیوبیت‌ها یک به یک در یک نظم معین قرار می‌گیرند تا برنامه‌ی مورد نظر کامپیوتر کوانتومی فعال شود. یک کاربر از راه دور می‌تواند دستورالعمل‌هایی مرحله به مرحله را برای هر سنجش کیوبیت فراهم کند تا هم داده‌های ورودی و هم برنامه‌ی فعال کدگذاری شوند. این نکته حائز اهمیت است که هر سنجش بستگی به خروجی سنجش‌های قبلی دارد.

فیتزسیمونز و همکارانش چگونگی بهره‌مندی از این رویکرد گام به گام را دریافتند. آن‌ها با استفاده از این روش به نوعی به سطحی از ایمنی موسوم به کامپیوتر کوانتومی نابینا رسیدند. آن‌ها نشان دادند که چطور کاربران معمولی متکی به کامپیوترهای کلاسیک، می‌توانند معانی موجود در پشت هر مرحله از سنجش را از کامپیوتر کوانتومی که عمل پردازش اطلاعات را اجرا می‌کند مخفی کنند. این یعنی صاحب کامپیوتر کوانتومی نمی‌تواند نقش هر کدام از مراحل سنجش را و این‌که کدام کیوبیت‌ها به عنوان ورودی، عملگر یا خروجی در نظر گرفته شدند را بیان کند.

این یافته در مقابل فرضیه‌هایی قرار می‌گیرد که بیان می‌کردند تأمین امنیت داده‌های کاربران کامپیوترهای کلاسیک در بستر محاسبه‌گری کوانتومی امری غیرممکن است. اما فیتزسیمونز معتقد است که اولین بازخوردهای پژوهش او و همکارانش بسیار مثبت بوده است، زیرا مکانیزم امنیتی که در نظر داشتند و آن را «اثر ابهام جریان» می‌نامیدند به خوبی تأمین شده است. او توضیح می‌دهد:

«نتایج پژوهش‌های قبلی نشان می‌داد که کاربرها تنها در صورتی می‌توانستند داده‌های خود را مخفی کنند که خودشان صاحب یک وسیله‌ی کوانتومی کوچک باشند تا به حالات کوانتومی دسترسی داشته باشند. اما در مورد کاربری که هیچ گونه وسیله‌ی کوانتومی نداشته باشد، پیشرفتی در تأمین امنیت اطلاعات حاصل نشده بود. مگر اینکه آن‌ها به چندین کامپیوتر کوانتومی دسترسی داشتند و از اینکه این کامپیوترها با هم در ارتباط نیستند اطمینان حاصل می‌کردند. حال ما روشی را معرفی کرده‌ایم که به کاربر معمولی کامپیوتری کلاسیک اجازه می‌دهد اطلاعاتش را کاملاً از کامپیوتر کوانتومی مخفی کرده و همزمان پردازش‌هایش را با آن انجام دهد.»

این اولین دستاورد گروه علمی به سرپرستی فیتزسیمونز است که درباره‌ی کامپیوترهای کوانتومی نابینا حاصل می‌شود. بنیادهای مختلفی از جمله بخش علمی نیروی هوایی ارتش ایالات متحده، مرکز پژوهش‌های استرالیا، آزانس پژوهش‌های علمی وزارت دفاع ایالات متحده (دارپا) و بنیاد پژوهشی ملی سنگاپور برای این تحقیقات سرمایه‌گذاری کرده‌اند.

منابع:

IEEE Spectrum
Nature ( Private quantum computing)
IEEE Spectrum (Google quantum computer)Josef Fitzisimons