مسابقه برای رهبری آینده کوانتومی
چگونه انقلاب محاسباتی بعدی اقتصاد جهانی را متحول می کند و امنیت ملی را ارتقا می دهد
محمد اکرام یاور
در چند سال گذشته از آنجایی که پیشرفت های سریع در هوش مصنوعی توجه عمومی و بررسی انتقادی زیادی را به خود جلب کرده است یک فناوری حیاتی دیگر تا حد زیادی از دید عموم خارج شده است زمانی که محاسبات کوانتومی محدود به نظریه انتزاعی بود به دنبال استفاده از عملیات مبتنی بر مکانیک کوانتومی برای شکستن مسائل محاسباتی است که قبلاً غیرقابل حل تلقی می شدند. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل ابتدایی خود است از قبل واضح است که محاسبات کوانتومی می تواند پیامدهای عمیقی برای امنیت ملی و اقتصاد جهانی در دهه های آینده داشته باشد از اواخر دهه 2010، ایالات متحده و بسیاری از کشورهای پیشرفته دیگر به طور فزاینده ای درگیر رقابت برای رهبری در علم و فناوری اطلاعات کوانتومی شده اند حوزه ای که محاسبات کوانتومی ارتباطات کوانتومی و سنجش کوانتومی را در بر می گیرد. طی دهه گذشته دولتها در 20 کشور سرمایهگذاری در توسعه کوانتومی را به بیش از 40 میلیارد دلار در سراسر جهان اعلام کردهاند. چین به تنهایی متعهد شده است که در طول پنج سال 15.3 میلیارد دلار هزینه کند. در سال 2016 پکن توسعه فناوری های کوانتومی را به عنوان یک اولویت ملی تعیین کرد و هاب های پیشرفته ای را برای تولید ایجاد کرد. ایالات متحده به نوبه خود، در سال 2018 ابتکار ملی کوانتومی را تصویب کرد قانونی با هدف حفظ برتری فنی و علمی کشور در اطلاعات کوانتومی و کاربردهای آن. دولت ایالات متحده 3.7 میلیارد دلار بودجه طبقه بندی نشده به اضافه بودجه بیشتر برای تحقیق و توسعه دفاعی را اعلام کرده است. علاوه بر ابتکارات تحت رهبری دولت تلاشهای تحقیق و توسعه متعددی در بخش خصوصی و دانشگاه در حال انجام است.اگرچه این سرمایهگذاریها هنوز به دلیل بودجه ایالات متحده و بینالمللی برای هوش مصنوعی کمرنگ است ظهور فناوری کوانتومی در حال حاضر شروع به شکلدهی به سیاستهای بینالمللی کرده است. در سال 2019 ایالات متحده یک “بیانیه دوجانبه در مورد همکاری کوانتومی” با ژاپن را اعلام کرد که دولت ایالات متحده آن را در سال 2023 تقویت کرد و در سال 2024 واشنگتن یک ابتکار چند جانبه به نام گروه توسعه کوانتومی را برای هماهنگ کردن استراتژی ها برای پیشرفت و مدیریت فناوری جدید ایجاد کرد ایالات متحده همچنین در مورد مسائل کوانتومی در مجامع مختلف اقتصادی و امنیتی از جمله AUKUS پیمان دفاعی سه جانبه بین استرالیا، بریتانیا و ایالات متحده بحث کرده است. گفتگوی چهارجانبه یا چهارجانبه امنیتی بین استرالیا، هند، ژاپن و ایالات متحده؛ و شورای تجارت و فناوری ایالات متحده و اتحادیه اروپا. یکی از تحلیلگران مرکز امنیت جدید آمریکا در نوامبر پس از انتخابات ریاست جمهوری ایالات متحده با تأکید بر نگرانی های فزاینده در مورد این فناوری در واشنگتن استدلال کرد که دولت آینده باید «در 100 روز اول برای تقویت رقابت کوانتومی آمریکا به سرعت عمل کند».تا کنون ظهور فناوری کوانتومی تا حد زیادی به عنوان یک موضوع امنیت ملی تلقی شده است. از دهه 1990، محققان دریافتهاند که یکی از بزرگترین تهدیدات رایانههای کوانتومی قدرتمند پتانسیل آن به عنوان ابزاری برای رمزگشایی است که میتواند به رمزگذاری مورد استفاده پیشرفتهترین سیستمهای ارتباطی و شبکههای دیجیتال در سراسر جهان امروز نفوذ کند. این نگرانی دولت ایالات متحده را به توسعه و حمایت از پذیرش رمزنگاری مقاوم در برابر کوانتومی تقویت کنترل صادرات بر روی فناوری کوانتومی و محصولات مرتبط و ایجاد مشارکتهای عمل محور با صنعت دانشگاه و دولتهای محلی تشویق کرده است. اما تمرکز بر شکستن کد، سیاستگذاران را به نادیده گرفتن سایر کاربردهای مهم فناوری کوانتومی سوق داده است. در واقع قبل از اینکه ماشینهای کوانتومی بتوانند سیستمهای رمزنگاری پیشرفته را بشکنند قابلیتی که حتی پس از توسعه فناوری به قدرت محاسباتی عظیمی نیاز دارد میتوانند در بسیاری از بخشهای اقتصاد از جمله انرژی و داروسازی اثر دگرگونی داشته باشند. فن آوری های کوانتومی که به طور موثر مهار شوند می توانند نوآوری، اکتشافات علمی، رشد اقتصادی و فرصت ها را تحریک کنند از نظر تأثیر انسانی برخی از پیشرفتهایی که میتوانند توسط ماشینهای کوانتومی باز شوند رقیب آنهایی هستند که اکنون پیشبینی میشود از هوش مصنوعی حاصل شود. به همین دلیل به ویژه مهم است که این فناوری در جوامع باز با نردههای محافظ شفاف برای اطمینان از استفاده از آن برای اهداف خیرخواهانه توسعه یابد برنده شدن در مسابقه کوانتومی آسان نخواهد بود. چین قبلاً در برخی زمینهها مانند ارتباطات کوانتومی پیشتاز بوده است و در سالهای آینده نوآوری و رهبری متمرکز آمریکا برای حفظ رقابتپذیری ایالات متحده حیاتی خواهد بود ایالات متحده و شرکای بین المللی آن باید منابع بسیار بیشتری را برای به ثمر رساندن پروژه های کوانتومی خود اختصاص دهند و آنها باید صنایع کوانتومی و زنجیره تامین کوانتومی قوی را برای حمایت از این پروژه ها توسعه دهند. اگر ایالات متحده و متحدانش نتوانند این تلاش ها را به یک هدف استراتژیک مرکزی و اولویت سیاست گذاری تبدیل کنند ممکن است نفوذ دیپلماتیک، قدرت نظامی و توانایی نظارت بر یک فناوری جدید قدرتمند را از دست بدهند آنها همچنین می توانند فرصت ایجاد مسیر جدیدی برای پیشرفت اقتصادی و اجتماعی را از دست بدهند.
همه جا به یکباره
مفهوم کامپیوتر کوانتومی برای اولین بار توسط فیزیکدان نظری و برنده جایزه نوبل ریچارد فاینمن در سال 1981 ارائه شد فاینمن در طلوع مکانیک کوانتومی به بلوغ رسید زمانی که دانشمندان شروع به تشخیص اتمها، الکترونها، نور و دیگر اجرام زیر نانومقیاس کردند. بلوک های سازنده برای همه چیز در جهان از قوانین اساساً متفاوتی نسبت به اشیاء زندگی روزمره پیروی می کنند. بر خلاف برای مثال یک توپ که از قوانین مستقیم مکانیک کلاسیک پیروی می کند الکترون ها به طور همزمان به عنوان ذرات و امواج رفتار می کنند و مکان آنها را نمی توان دقیقاً تعریف کرد.بینش فاینمن این بود که برای درک واقعی جهان مکانیک کوانتومی و عملکرد کلی خود کیهان لازم است کامپیوتری بسازیم که طبق قوانین مشابه عمل کند. او گفت: «طبیعت کلاسیک نیست لعنتی و اگر میخواهید شبیهسازی طبیعت بسازید، بهتر است آن را مکانیکی کوانتومی کنید.» بینش فاینمن پیشبینی شده است در بیش از چهار دهه پس از آن رایانههایی که از طراحی «کلاسیک» پیروی میکنند سیاره زمین را کاملا متحول کردهاند: تلفنهای همراه جیبی امروزه میلیونها برابر قدرتمندتر از رایانههای شخصی رومیزی عظیم دهه 1980 هستند. قانون مور پیشبینی اینکه تعداد ترانزیستورهای یک تراشه کامپیوتری هر دو سال یکبار دو برابر میشود علیرغم پیشبینیهای متعدد در مورد نابودی آن همچنان در صنعت نیمهرساناها صادق است و بهترین ابررایانه های امروزی می توانند یک کوئینتیلیون یعنی یک میلیارد میلیارد عملیات را در ثانیه انجام دهند با این حال همانطور که این انقلاب به بلوغ خود ادامه می دهد به طور فزاینده ای روشن شده است که برخی از محاسبات فراتر از بهترین رایانه های کلاسیک هستند و خواهند ماند.این به این دلیل است که فناوریهای رایانهای موجود توسط فرضیه اصلی که بر اساس آن کار میکنند محدود شدهاند. همه اشکال محاسبات کلاسیک اعم از چرتکه، لپتاپ شخصی یا مجموعهای از ماشینهای با کارایی بالا در یک مرکز امنیت ملی از چیزی پیروی میکنند که محققان منطق بولی مینامند. در این سیستم واحد اصلی اطلاعات یک بیت است که شیای است که میتواند یکی از دو حالت را که معمولاً 0 یا 1 نامیده میشود در نظر بگیرد. اگرچه این سیستم برای بسیاری از انواع محاسبات بسیار کارآمد است اما نمیتواند آنها را انجام دهد. با پیچیدگی بیش از حد مانند فاکتورگیری یک عدد هزار رقمی محاسبه دینامیک واکنش یک مولکول با صدها اتم، یا حل انواع خاصی از مسائل بهینه سازی که رایج هستند. در بسیاری از زمینه هادر مقابل با استفاده از مکانیک کوانتومی محاسبات کوانتومی محدودیت های یکسانی ندارد. یک درس از فیزیک کوانتومی که شگفتانگیز و غیرقابل درک است این است که ذرات میتوانند در ترکیبی از چندین حالت وجود داشته باشند. بر این اساس محاسبات کوانتومی به جای بیت ها با عملکرد یا از یک بیت کوانتومی یا کیوبیت استفاده می کند که سیستمی است که می تواند همزمان در حالت های 0 و 1 باشد. یک مزیت محاسباتی عظیم مزیتی که وقتی کیوبیت های بیشتری با هم کار می کنند افزایش می یابد در حالی که یک کامپیوتر کلاسیک باید یک حالت را به صورت متوالی پردازش کند یک کامپیوتر کوانتومی می تواند بسیاری از احتمالات را به صورت موازی کشف کند به تلاش برای یافتن مسیر صحیح از طریق پیچ و خم فکر کنید: یک کامپیوتر کلاسیک باید هر مسیر را یکی یکی امتحان کند. یک کامپیوتر کوانتومی میتواند چندین مسیر را به طور همزمان کاوش کند و در نتیجه برای انجام کارهای خاص سرعت آن را سریعتر میکند. توجه به این نکته مهم است که برخلاف ساده سازی رایج یک کامپیوتر کوانتومی صرفاً مجموعه عظیمی از کامپیوترهای کلاسیک نیست که به صورت موازی کار می کنند. اگرچه به صورت تصاعدی پاسخهای ممکن زیادی وجود دارد که میتوان آنها را از طریق یک پردازنده کوانتومی بررسی کرد اما در پایان تنها یک ترکیب را میتوان اندازهگیری کرد. بنابراین استخراج یک راه حل از یک کامپیوتر کوانتومی نیازمند برنامه نویسی هوشمندانه ای است که پاسخ صحیح را تقویت می کند. یک چالش بزرگ این است که بفهمیم چگونه پردازندههای کوانتومی بسازند که به اندازه کافی بزرگ و پایدار باشند تا نتایج ثابتی برای مشکلات معنادار ایجاد کنند. چنین پردازنده هایی نسبت به محیط خود بسیار حساس هستند و به راحتی می توانند تحت تأثیر تغییرات دما، ارتعاشات و سایر اختلالات قرار گیرند که می تواند منجر به خطاهای مختلف در سیستم شود از آنجایی که وفاداری محاسباتی به حفظ انسجام کیوبیت ها متکی است محققان سرمایه گذاری زیادی روی روش هایی برای بهبود کیفیت کیوبیت انجام می دهند از جمله طرح های جدید فرآیندهای ساخت تراشه و تکنیک هایی برای تصحیح خطای کیوبیت.در حال حاضر طیف گسترده ای از رویکردها برای طراحی کیوبیت ها وجود دارد که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. در اصل هر سیستم مکانیکی کوانتومی اتمها، مولکولها، یونها، فوتونها میتوانند به صورت کیوبیت درآیند. در عمل عواملی مانند قابلیت ساخت، کنترل پذیری، عملکرد و سرعت محاسباتی، عملی ترین مسیرها را دیکته می کنند تلاش های پیشرو امروزی شامل کیوبیت های ابررسانا، اتم خنثی، فوتونیک و تله یونی است. در این مرحله اولیه مشخص نیست که کدام در صورت وجود موفق خواهد بود. فراتر از ساخت پردازنده، چالشهای دیگر شامل نحوه بستهبندی کیوبیتها انتقال سیگنالهای آنها و اجرای برنامهها است محققان باید از یخچالهای برودتی استفاده کنند که میتوانند کیوبیتهای ابررسانا را تا چند هزارم درجه بالای صفر مطلق خنک کنند تا محیطی فوقالعاده سرد تاریک و آرام را برای کار فراهم کنند تخصص در مورد این اجزای بسیار تخصصی از منابع متفاوت در بسیاری از کشورها می آید. امروزه شرکتهای محاسباتی کوانتومی «فول استک» مختلفی از جمله آمازون، گوگل، آیبیام و کوئرا وجود دارند که در تلاش هستند تا اجزای سازنده را در محصول نهایی ادغام کنند به طور خلاصه محاسبات کوانتومی امروزه با چالش ها و ناشناخته های متعددی مواجه است و توسعه مستمر نیازمند انبوهی از نوآوری های مهندسی است آنچه واضح است این است که برای موفقیت هر یک از رویکردها باید قابل اعتماد، مقیاس پذیر و مقرون به صرفه باشند.
پاسخگوی جدید
مسابقه برای رسیدن به یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل با انگیزه های مختلفی هدایت می شود اساساً محاسبات کوانتومی نوید پاسخ به مشکلاتی را می دهد که قبلاً غیرقابل حل تصور می شد معماهایی که چندین سال طول می کشد تا بهترین رایانه های کلاسیک جهان شکسته شوند. شناخته شده ترین مشکل از این نوع فاکتورسازی اعداد صحیح یا شکستن یک عدد به عنوان حاصلضرب چند عدد کوچکتر است: حتی سریع ترین ابررایانه ها نیز قادر به فاکتورسازی اعداد بسیار بزرگ نیستند. این بدان معناست که پیشرفتهترین شکلهای رمزنگاری که مبتنی بر فاکتورسازی هستند اکنون نمیتوانند شکسته شوند. اما کامپیوترهای کوانتومی ممکن است آن را تغییر دهند.در سال 1994 پیتر شور دانشمند کامپیوتر ثابت کرد که یک کامپیوتر کوانتومی قادر به فاکتورگیری اعداد بسیار بزرگ است در آن زمان چنین کامپیوتری کاملاً در قلمرو تئوری باقی ماند اما با شروع توسعه فناوری بینش Shor به این نگرانی منجر شد که پردازندههای کوانتومی ممکن است روزی قادر به شکستن پیشرفتهترین رمزگذاریها باشند. امروزه کارشناسان امنیت ملی تصور می کنند که بازیگران دولتی و خصوصی متخاصم در حال جمع آوری اطلاعات رمزگذاری شده در انتظار فناوری جدید هستند رویکردی که به عنوان حمله “اکنون ذخیره بعدا رمزگشایی” شناخته می شود.اما رمزگشایی تنها یکی از کاربردهای ممکن برای رایانههای کوانتومی است و احتمالاً بیش از یک دهه با آن فاصله دارد همانطور که فاینمن میدانست، کاربردهای واضحتر برای محاسبات مبتنی بر کوانتوم به شبیهسازی کوانتومی توانایی انجام محاسبات دقیق سیستمهای کوانتومی مانند الکترونها، مولکولها و مواد مربوط میشود و این کاربردها میتوانند زودتر شروع به استفاده کنند. پردازندههای کوانتومی در حال حاضر به اکتشافات در تعدادی از زمینههای بسیار تخصصی در فیزیک کمک میکنند از جمله مهندسی شبه ذرات، دینامیک بدنههای متعدد، انتقال اسپین، انتقال فلز، کریستالهای زمان، دینامیک کرمچاله و مغناطیسسازی با یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل و با قابلیت کامل احتمالات خیره کننده هستند. کودهای کشاورزی را در نظر بگیرید. در حال حاضر تثبیت نیتروژن فرآیند شیمیایی مورد نیاز برای تولید آمونیاک از گاز نیتروژن بسیار انرژی بر است و دو درصد از بودجه سالانه انرژی جهان را به خود اختصاص می دهد. زیرا کاتالیزورهای صنعتی مورد استفاده در این واکنش بسیار ناکارآمد هستند در واقع مولکول FeMoco که به طور طبیعی وجود دارد یک کاتالیزور برای تثبیت بیولوژیکی نیتروژن بسیار کارآمدتر است اما هنوز نمی توان آن را از نظر شیمیایی سنتز کرد یا در مقادیر صنعتی جدا کرد و مکانیسم عمل آن برای فناوری محاسباتی موجود بسیار چالش برانگیز است. روشن کردن با این حال با کامپیوترهای کوانتومی محققان ممکن است قادر به انجام محاسبات دشوار لازم برای یادگیری مکانیسم واکنش FeMoco باشند که امکان طراحی کاتالیزورهای الهام گرفته از FeMoco را فراهم می کند که می تواند مقادیر زیادی انرژی را ذخیره کند یا داروها را مصرف کنید که به مولکولهای دارو برای تعامل مؤثر با مولکولهای داخل بدن نیاز دارند. برای شبیهسازی رفتار سیتوکروم P450 خانوادهای از آنزیمها که عمدتاً مسئول متابولیسم دارو و بنابراین نحوه پاسخ بیماران به داروها هستند رایانههای کلاسیک به مقادیر عظیمی از قدرت محاسباتی نیاز دارند. با رایانههای کوانتومی این کار میتواند بسیار کارآمدتر انجام شود و منجر به نوآوریهای مهمی در مبارزه با بیماری شود در صنایع شیمیایی و مواد محاسبات کوانتومی میتواند به طراحی باتریهای کارآمدتر برای خودروهای الکتریکی و عناصر غیرخورنده برای کشتیها کمک کند. کامپیوترهای کوانتومی همچنین ممکن است به حل مشکل تبدیل راکتورهای همجوشی هسته ای به منبع انرژی پایدار کمک کنند.یکی دیگر از زمینه های کاربردی امیدوارکننده حوزه یادگیری ماشین است. آموزش کامپیوترهای کلاسیک بر روی دادههای کوانتومی اطلاعات الکترونیکی، مغناطیسی و سایر اطلاعاتی که رفتار یک سیستم کوانتومی را توصیف میکنند به مقادیر زیادی داده و زمان پردازش نیاز دارند. در مقابل آموزش کامپیوترهای کوانتومی بر روی داده های کوانتومی به نمونه های کمتری برای تسلط بر یک کار نیاز دارند با چنین دستاوردهای عظیمی در کارایی می توان از این ماشین ها برای یادگیری و پیش بینی رفتار مواد شیمیایی و مواد بی شماری استفاده کرد. در حال حاضر مشخص نیست که آیا رایانههای کوانتومی در یادگیری از دادههای کلاسیک مانند دادههای متنی، صوتی و تصویری زیربنای سیستمهای هوش مصنوعی امروزی مزیت خواهند داشت یا خیر. با این حال محاسبات کوانتومی از پیشرفتهای هوش مصنوعی کلاسیک سود میبرد: محققان از مدلهای زبان بزرگ مدلهای ترانسفورماتور و دیگر معماریهای هوش مصنوعی برای کمک به طراحی دستگاههای کوانتومی، توسعه نرمافزار و بهبود تصحیح خطای کوانتومی استفاده میکنند.البته منطقی است که کامپیوترهای کوانتومی باید در کاربردهایی که خود مکانیک کوانتومی هستند یک مزیت طبیعی داشته باشند. چیزی که نشان داده شده است کمتر آشکار است اینکه کامپیوترهای کوانتومی می توانند دستاوردهای چشمگیری در حل برخی از انواع مسائل مکانیکی غیرکوانتومی مانند فاکتورسازی ارائه دهند. در واقع محققان و ریاضیدانان 60 الگوریتم را کشف کرده اند که به رایانه های کوانتومی اجازه می دهد مسائل را بسیار سریعتر از نمونه های کلاسیک حل کنند برخی از این افزایشها در مقیاس نمایی هستند همانطور که در مثالهای بالا نشان داده شده است. برخی دیگر کمتر چشمگیر هستند اما همچنان نسبت به کامپیوترهای کلاسیک سود قابل توجهی دارند.یکی از زمینه های تحقیقاتی فشرده مطالعه بهینه سازی است. با توجه به مجموعه ای از متغیرها بهینه سازی به دنبال یافتن کارآمدترین راه حل است و توسط برنامه ریزان مالی، مدیران تدارکات حمل و نقل و مربیان ورزشی و بسیاری دیگر از آن استفاده می شود. بهینه سازی نیز در سیستم های هوش مصنوعی نقش اساسی دارد با توجه به اهمیت محاسبات بهینه سازی برای اقتصاد جهانی اگر حتی کسری از آنها بسیار سریع تر و ارزان تر و با انرژی بسیار کمتر اجرا شوند تأثیر آن غیرقابل اندازه گیری خواهد بود.
ماشینهای سریعتر و خطرات بزرگتر
امکانات محاسبات کوانتومی الهامبخش هستند اما محدودیتهای فعلی این فناوری هشیارکننده هستند رسیدن از امروز به سیستمهای پیشرفته مورد نیاز برای برخی از امیدوارکنندهترین کاربردهای آن مستلزم ادغام اجزای بسیار پیچیده و غلبه بر چالشهای بیشماری است. در نتیجه بسیاری از برنامه های پیش بینی شده ممکن است هنوز سال ها باقی مانده باشند. بر اساس برآوردهای فعلی برای مثال، یک کامپیوتر کوانتومی که قادر به شکستن کد است در مقایسه با بهترین نمونه های اولیه فعلی به حدود 40000 برابر کیوبیت های فیزیکی و کاهش پنج برابری در میزان خطای فیزیکی نیاز دارد. رایانههای کوانتومی که میتوانند محاسبات شیمی سادهای را انجام دهند تقریباً دو مرتبه کمهزینهتر هستند اما آنها نیز به فناوری بسیار پیشرفتهتری وابسته خواهند بود.یکی از معیارهای وضعیت فعلی توسعه کوانتومی را می توان از نقشه راهی که گوگل در سال 2018 منتشر کرد گرفته شد. این طرح شش نقطه عطف فنی را پیش بینی می کرد که برای دستیابی به یک کامپیوتر کوانتومی در مقیاس کامل مورد نیاز است: نشان دادن اینکه یک پردازنده کوانتومی می تواند از پردازنده های کلاسیک بهتر عمل کند. یکی در اولین کار؛ توسعه یک نمونه اولیه برای یک کیوبیت منطقی؛ نمایش یک کیوبیت منطقی واقعی؛ ساخت یک دروازه منطقی برای عملیات بین چند کیوبیت منطقی. تولید 100 کیوبیت منطقی که نقطه شروعی برای شبیه سازی کوانتومی ساده در نظر گرفته می شود و تولید 1000 کیوبیت منطقی برای شبیه سازی های پیچیده تر. (یک کامپیوتر رمز شکن به قابلیت های پیشرفته تری نیاز دارد.) گوگل به دو نقطه عطف اول خود دست یافته است و در دسامبر 2024 Willow را معرفی کرد، یک پردازنده کوانتومی جدید که قادر است در عرض چند دقیقه یک الگوریتم معیار را حل کند که یکی از سریع ترین ها را می گیرد. ابرکامپیوترهای امروزی 1025 سال حیرت انگیز تکمیل می شوند. سازمانهای دیگر از جمله IBM، IonQ و QuEra نقشههای راه خود را برای یک کامپیوتر کوانتومی تصحیح شده خطا در مقیاس بزرگ منتشر کردهاند. محققان چینی به ویژه در دانشگاه علم و صنعت چین به اولین نقطه عطف گوگل دست یافتهاند و پردازندههایی را با صدها کیوبیت به نمایش گذاشتهاند. مانند سایر بازیگران در این زمینه محققان چینی بدون شک پیشرفتهای مهم دیگری دارند که هنوز عمومی نشده است. برای ارزیابی وضعیت فعلی مسابقه کوانتومی بازوی تحقیقاتی وزارت دفاع ایالات متحده آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته دفاعی یا دارپا، اخیراً یک ابتکار محاسبات کوانتومی را برای تعیین اینکه آیا هر رویکرد محاسباتی کوانتومی میتواند تا سال 2033 به عملیات در مقیاس کاربردی دست یابد اعلام کرد اگرچه پیشبینی دقیق آن غیرممکن است. با سرعت نوآوری آینده برخی از محققان تخمین زدهاند که نمونههای اولیه کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس کامل که احتمالاً از ده کیوبیت منطقی تشکیل شدهاند ممکن است تا پایان این دهه توسعه یابند. چنین شاهکاری همراه با روشهای بهبود یافته تصحیح خطا و الگوریتمهای کارآمدتر جهان را به طرز وسوسهانگیزی به شبیهسازی کوانتومی نزدیک میکند.بر اساس برآوردهای کنونی محققان بعید به نظر میرسند که تا اواخر دهه 2030 به اولین ماشین رمز شکن کوانتومی واقعی دست یابند – یک کامپیوتر کوانتومی با میلیونها کیوبیت و تصحیح خطای کافی. حتی در آن زمان چنین رایانه ای ساعت ها طول می کشد تا یک عدد بزرگ را محاسبه کند. با این حال برای ایالات متحده و شرکای بین المللی آن بسیار مهم است که اکنون برای این فناوری آماده شوند. شبکهها علیرغم در دسترس بودن طولانی مدت در پیادهسازی استانداردهای امنیتی جدید بسیار کند بودهاند. توسعه آزمایش و اصلاح مجموعه ای از استانداردهای کوانتومی امن سال ها طول خواهد کشید موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده از سال 2016 تلاش هایی را برای توسعه استانداردهای رمزنگاری برای دنیای پسا کوانتومی رهبری می کند در آگوست 2024 NIST اولین مجموعه از سه الگوریتم رمزگذاری کلاسیک را به عنوان استانداردهای آماده برای استفاده فوری همراه با دستورالعمل هایی برای ادغام در سیستم های رمزگذاری و سایر محصولات اعلام کرد. اگرچه این مجموعه از الگوریتمها امروزه به همه روشهای رمزگشایی منتشر شده نفوذناپذیر است اما ممکن است یک یا چند مورد از آنها در آینده آسیبپذیر باشند. چنین نگرانیهایی در پی تحقیقات جدیدی که نشان میدهد رمزگذاری عمومی ممکن است هرگز در برابر حملات کوانتومی کاملاً ایمن نباشد فوریت بیشتری پیدا کرده است. مانند سایر فناوریهای جدید و قدرتمند محاسبات کوانتومی نوید بسیار زیادی دارد و همچنین خطرات جدیدی را به همراه دارد. علاوه بر سرقت اطلاعات در مقیاس بزرگ اختلالات اقتصادی و نقض اطلاعات، رایانههای کوانتومی میتوانند برای اهداف مخربی مانند شبیهسازی و سنتز سلاحهای شیمیایی یا بهینهسازی مسیر پرواز گروهی از پهپادها استفاده شوند. همانند هوش مصنوعی احتمال سوء استفاده یا سوء استفاده، سؤالات مهمی در مورد اینکه چه کسی باید این فناوری را کنترل کند و چگونه بدترین تهدیدها را کاهش دهد، ایجاد می کند سیاست گذاران باید تعیین کنند که چگونه می توانند منافع اقتصادی و اجتماعی را به حداکثر برسانند و در عین حال خطرات را به حداقل برسانند. یافتن بهترین راهها برای دستیابی به این تعادل مستلزم یک بحث جدی در جامعه مدنی و درک عموم از دستاوردها و آسیبهای بالقوه فناوری است آینده های متعددی برای جهانی با رایانه های کوانتومی وجود دارد بهترین آنها دموکراسی های لیبرال را می بینند که هم توسعه فناوری و هم مدیریت جمعی آن را رهبری می کنند بدتر از آن ایالات متحده و شرکای بین المللی آن با انفعال یا اقدامات ناکافی سلطه فناوری جدید را به چین و دیگر کشورهای خودکامه واگذار می کنند.
جهش کوانتومی
تکمیل کامپیوتر کوانتومی یک پروژه جسورانه، جاه طلبانه و چند وجهی است و هیچ شرکت یا کشوری نمی تواند به تنهایی آن را انجام دهد سیستم های اولیه امروزی به هزاران قطعه ابزار و ابزار تخصصی نیاز دارند. ساخت پیچیده و تاسیسات برودتی و تسلط در سطح جهانی در ده ها زمینه فنی همه با میلیاردها دلار سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه پشتیبانی می شود. سیستم های فردا به طرز محسوسی پیچیده تر خواهند بود. اگر ایالات متحده می خواهد این مسابقه را رهبری کند و همراه با متحدان بین المللی خود پیشرفته ترین سیستم های محاسباتی کوانتومی را بسازد باید به کارگران کوانتومی اجازه دهد تا در سراسر بخش ها و مرزها همکاری کنند. همکاری موثر می تواند به دموکراسی های لیبرال برتری قابل توجهی نسبت به کشورهای بسته تر و اقتدارگرا بدهد.برای بسیاری از شرکتهایی که امروزه روی سیستمهای کوانتومی کار میکنند پردازندههای کوانتومی تاج مالکیت معنوی آنها هستند و در کشورشان ساخته میشوند: گوگل تراشههای کوانتومی را در ایالات متحده میسازد مدارهای کوانتومی آکسفورد تراشههای کوانتومی را در بریتانیا تولید میکنند، و Alice & باب این کار را در فرانسه انجام می دهد. در هر مورد این تراشه ها برای تحقیق و توسعه داخلی هستند. در برخی موارد اشخاص ثالث اجازه دسترسی به نمونه های اولیه را دارند. همانطور که بخش نیمه هادی ها نشان داده است برای هر کشوری مزایای ژئوپلیتیکی برای حفظ ظرفیت داخلی برای ایجاد یک جزء استراتژیک وجود دارد. اما برای ساخت پردازنده ها و ادغام سیستم های کامپیوتری کامل به صورت محلی استعدادهای لازم نیز باید در دسترس باشد. این امر مستلزم همکاری بین نهادهای دولتی، صنایع و موسسات تحقیقاتی و آموزشی است شرکتهای محاسبات کوانتومی میتوانند با به اشتراک گذاشتن نیازهای نیروی کار پیشبینیشده خود و ارائه فرصتهای آموزشی در حین کار از این فرآیند پشتیبانی کنند از آنجایی که مجموعه مهارت های مورد نیاز برای محاسبات کوانتومی بسیار تخصصی است، برای هر کشوری امکان پذیر نخواهد بود و حتی ممکن است برای هیچ کشوری امکان پذیر نباشد که تمام استعدادهای مورد نیاز را توسعه دهد کار در محاسبات کوانتومی شامل همکاری با بیش از 100 موسسه دانشگاهی و شریک صنعتی در سراسر ایالات متحده، اروپا و آسیا و اقیانوسیه است. ایالات متحده و متحدانش عاقلانه خواهند بود که سیاستهای ویزا، مهاجرت و کنترل صادرات را اجرا کنند که به شرکتهای این بخش حیاتی اجازه میدهد تا بااستعدادترین دانشمندان، مهندسان و تکنسینها را جذب کنند. در ماه سپتامبر وزارت بازرگانی ایالات متحده با اعلام قوانین جدیدی که شامل معافیت صادراتی تلقی می شود برای تسهیل اشتغال کارگران بین المللی بسیار ماهر در ایالات متحده گام مهمی در این راستا برداشت.واشنگتن و شرکای بینالمللیاش همچنین باید زنجیرههای تامین قوی را برای همه زیرسیستمها و اجزایی که به محاسبات کوانتومی وارد میشوند ایجاد کنند. بسیاری از اجزای ضروری در مکان های متفاوت در سراسر جهان تولید می شوند و ادامه خواهند داشت برای مثال ساخت کیوبیتهای ابررسانا، به بسیاری از ابزارهای مشابهی نیاز دارد که در تأسیسات پیشرفته ساخت نیمهرساناهای متعلق به شرکتهایی مانند اینتل و TSMC استفاده میشوند. این ابزارها در فرانسه، آلمان، هلند و ایالات متحده و سایر کشورها تولید می شوند. یخچال های برودتی نیاز به تخصص دارند که تنها تعداد انگشت شماری از شرکت ها از آن برخوردار هستند که اکثر آنها در بریتانیا و اتحادیه اروپا مستقر هستند. هنوز اجزای دیگر مانند الکترونیک کنترل و سیم کشی، توسط شرکت های تخصصی در اسرائیل، ژاپن و تایوان و همچنین در ایالات متحده و اتحادیه اروپا طراحی شده اند هر کشوری ممکن است بر قطعات مختلف تسلط پیدا کند اما کشورهای همفکر باید با هم کار کنند تا پازل کامل را جمع کنند و آن را دور از دسترس دولت های مستبد نگه دارند.برای اینکه محاسبات کوانتومی به پتانسیل کامل خود دست یابد ذهن خلاق بسیاری از رشته های مختلف برای توسعه کاربردهای این فناوری مورد نیاز است. چندین تلاش اولیه برای تقویت یک اکوسیستم توسعهدهنده وجود دارد از جمله برنامه سنجش کوانتومی دارپا، که پیشرفت به سمت حوزههای کاربردی بالقوه را اندازهگیری میکند و XPRIZE Quantum Applications یک رقابت بینالمللی سه ساله و ۵ میلیون دلاری برای تولید الگوریتمهای محاسبات کوانتومی جدید برای چالشهای دنیای واقعی سود حاصل از توسعهدهندگان نرمافزار ایجاد رابطهای آسان برای دسترسی، دانشگاهیان و رهبران کسبوکار با استفاده از این رابطها برای مشکلاتی که برایشان مهم است و مصرفکنندگان و جامعه مدنی اطلاعاتی را در مورد آنچه که بیشترین ارزش را میدانند ارائه میدهند. مانند مسابقه فرود انسان بر روی ماه یا توالی یابی تمام ژن های موجود در ژنوم انسان توسعه موفقیت آمیز و ایمن محاسبات کوانتومی به تنهایی توسط دانشمندان امکان پذیر نیست این مستلزم تعهد نسلی عمومی و خصوصی از منابع و استعدادها و دیپلماسی بین المللی دوراندیش است رایانه های کوانتومی فرصت های فوق العاده ای را برای ایالات متحده و بسیاری از کشورهای دیگر در سراسر جهان ایجاد خواهند کرد آنها همچنین خطرات جدیدی از جمله احتمال سوء استفاده یا سوء استفاده و شوک های احتمالی به نظم جهانی خواهند داشت اگر بتوان این خطرات را مدیریت کرد پتانسیل محاسبات کوانتومی برای تسریع پیشرفت بشر و ساختن آینده ای بهتر می تواند باورنکردنی باشد.