البته هنوز مشخص نیست که این فناوری چه زمانی به صورت تجاری قابل بهره‌وری خواهد بود، اما در حال حاضر گوگل، IBM و سایر غول‌های فناوری و استارت‌آپ‌ها بر سر ساخت اولین دستگاه کوانتومی قابل استفاده عموم در رقابت با یکدیگر هستند. برای درک لزوم استفاده از محاسبات کوانتومی می‌توانیم محدودیت‌های محاسبات معمولی و چگونگی رفع این محدودیت‌ها توسط محاسبات کوانتومی را بررسی کنیم. در گام بعد، حوزه‌هایی که به خوبی از این فناوری بهره‌مند می‌شوند و علل تجاری نشدن آن‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

محاسبات کوانتومی چه برتری نسبت به محاسبات قدیمی دارند و چرا کامپیوترهای کوانتومی هنوز قابل استفاده عموم نیستند؟

محاسبات سنتی و قدیمی

همه رایانه‌های امروزی، چه آن‌هایی که در صنعت و در تجارت استفاده می‌شوند و چه کاربرد شخصی داشته باشند، بر مبنای منطق باینری یعنی رشته‌های صفر و یک، عمل می‌کنند. صرف نظر از بزرگی و پیچیدگی یک کامپیوتر، اجرای این منطق باینری به گیت‌های ترانزیستور بستگی دارد. هر گیت یا برای 1 باز است و یا برای صفر بسته، هیچ حالت دیگری در این وضعیت شناخته شده نیست.

همانطور که فناوری مجتمع‌سازی به صورت پیوسته بهبود یافته است، ترانزیستورها کوچک‌تر شده‌اند و بدین صورت تراکم پردازش بیشتر، کارایی بهتر و ماشین‌ها سریع‌تر و قدرتمندتر شده‌اند. با این حال این فرآیند کوچک‌سازی، ترانزیستورها را تنها در حد چند اتم در عرض کوچک کرده است و با کاهش بیشتر این اندازه، به احتمال زیاد ترانزیستورها از کار می‌افتند. این نشان‌دهنده محدودیت ما در میزان توان پردازشی موجود در این فناوری است که به روش‌های دیگری باید به دنبال پیشرفت آن بود. استفاده از فوتون‌های سبک به جای برق برای انتقال اطلاعات درونی و بیرونی مدارهای مجتمع و استفاده از محاسبات کونتومی، دو نمونه از این روش‌ها هستند.

مفهوم کوانتوم، عجیب و توانمند است و به فعل و انفعالات بین ذرات در مقیاسی بسیار کوچک برمی‌گردد. آن‌قدر کوچک که دیگر قوانین فیزیک معمول در آن اعمال نخواهد شد. برخی پدیده‌های موجود در این فناوری برای غلبه بر محدودیت‌های محاسبات سنتی قدیم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در محاسبات کوانتومی کوچکترین داده به جای بیت، کوبیت است که بر مبنای مفهومی مانند چرخش یک میدان مغناطیسی ساخته شده است. کیوبیت را نیز می‌توان همانند بیت بر روی یکی از دو حالت صفر و یک تنظیم کرد اما به سادگی خاموش و روشن بودن عمل نخواهند کرد. به لطف تغییر ناگهانی سطوح کوانتومی، یک کوبیت می‌تواند در هر نسبتی از هر دو حالت مذکور باشد که به آن برهم‌نهی گفته می‌شود. در مواردی، کیوبیت به صورت همزمان صفر و یک توصیف می‌شود، اگر چه به صورت کاملا دقیق نمی‌توان این را گفت زیرا به محض اندازه‌گیری یک مقدار کیوبیت، یکی از حالات مشخص شده فرومی‌پاشد.

اگرچه درک مفهوم آن به صورت کامل بسیار مشکل است، برهم‌نهی به این معناست که با افزایش تعداد کیوبیت‌ها، مقادیر داده‌ای که می‌توان ذخیره کرد به صورت تصادی رشد خواهد کرد. مجموع 20 کیوبیت بیش از یک میلیون داده را به صورت همزمان ذخیره می‌کند. در محاسبات کوانتومی مفاهیم دیگری چون درهم‌تنیدگی کوانتومی نیز وجود دارند. این عبارت بدین معناست که کامپیوترهای کوانتومی برخلاف کامپیوترهای قدیمی که تنها قادر به پردازش داده‌ها به صورت متوالی هستند، می‌توانند داده‌های کوانتومی را به صورت همزمان پردازش کنند.

استفاده از کوانتوم در حوزه‌های مختلف

قدرت بالای محاسبات کوانتومی آن را به گزینه‌ای مهم و جذاب در پردازش پایگاه داده بدل کرده است، زیرا با استفاده از آن می‌توان بسیاری از داده‌های ذخیره شده را همزمان بررسی کرد. هوش مصنوعی، یکی دیگر از حوزه‌هاییست که به کمک محاسبات کوانتومی می‌تواند رشد بسیار بالایی داشته باشد؛ زیرا با محاسبه احتمالات می‌توان بازخوردی بسیار دقیق‌تر در یادگیری ماشین ارائه داد.

زیست پزشکی، تولید مواد جدید و حوزه‌های مالی، سایر زمینه‌هایی هستند که با وجود مجاسبات کوانتومی متحول خواهند شد. کیوبیت‌ها در صنعت حمل و نقل پیشرفت چشم‌گیری در سیستم‌های برنامه‌ریزی بهتر ترافیک و بهینه‌سازی مسیر ایجاد خواهند کرد.

رایانش کوانتومی همچنین در امنیت آنلاین و برنامه‌های رمزنگاری کاربرد دارد. محاسبات کوانتومی به کمک اعداد کلیدی و رمزگذاری شده و بزرگی می‌روند که قابل تشخیص و رمزگشایی در کامپیوترهای قدیمی نیستند و مدت زمان بسیار زیادی را به خود اختصاص خواهند داد. با استفاده از توانایی‌ پردازش همزمان رایانش کوانتومی می‌توان بسیاری از برنامه‌ها را رمزگشایی کرد. با رشد این فناوری، استفاده از روش‌های جدید رمزگذاری تحت عنوان "مقاوم در برابر کوانتوم" ضروری می‌شوند.

کمپانی لاکهید مارتین (Lockheed Martin) مثالی عینی است. این شرکت قصد دارد با استفاده از رایانه کوانتومی D-Wave خود نرم‌افزار خلبان اتوماتیک - که برای استفاده در کامپیوترهای قدیمی بسیار پیچیده است – را آزمایش کند.

خطاهای احتمالی در فناوری کوانتومی

برای این‌که رایانه‌های کوانتومی به مفیدترین شکل ممکن مورد استفاده قرار گیرند، ضروری است که به صورت جدی و قوی خطاهای آن تصحیح شوند. در حال حاضر رایانه‌های کوانتومی حساسیت بسیار بالایی دارند؛ گرما، میدان‌های الکترومغناطیس و برخورد با مولکول‌های هوا ویژگی‌های کوانتومی یک کیوبیت را از بین می‌برد. این فرآیند که به تجزیه کوانتومی معروف است، منجر به از کارافتادن سیستم می‌شود، هر چه ذرات بیشتری در آن درگیر شوند فرآیند تجزیه با سرعت بالاتری اتفاق خواهد افتاد.

از این رو محافظت از کیوبیت‌های رایانه‌های کوانتومی در برابر تداخلات خارجی الزامی است، همچنین می‌توان با جداسازی فیزیکی کیوبیت‌ها، آن‌ها را خنک کرد. از کیوبیت‌های اضافه برای اصلاح خطاهای وارد شده به سیستم استفاده می‌شود.

برتری سیستم کانتومی

با وجود مشکلات مذکور، پیشرفت و توسعه فناوری کوانتوم همچنان ادامه دارد. به عنوان مثال گوگل ادعا می‌کند که به نقطه برتری کوانتومی، جایی که در آن رایانه کوانتومی نسبت به رایانه‌های سنتی عملکرد بسیار بهتری دارند، دست یافته است. این شرکت مدعی است که یک پردازنده کوانتومی متشکل از 54 کیوبیت تولید کرده است که قادر به انجام محاسبات مربوط به نمونه‌گیری تصادفی فقط در 3 دقیقه و 20 ثانیه است در حالی که ابرکامپیوتر جهانی IBM برای انجام همین محاسبات به 10 هزار سال زمان نیاز دارد.

بسیاری از افراد به آینده کامپیوترهای کوانتومی امیدی ندارند. برخی عقیده دارند که مشکلات بزرگ این فناری مانع از به ثمر رسیدن آن خواهد بود. تنها گذشت زمان می‌تواند رشد فناوری کامپیوترهای کوانتومی و نتیجه تلاش شرکت‌های بزرگ در تجاری کردن آن را به دنیا نشان دهد.