رایانه‌های کوانتومی وارد می‌شوند

انقلاب صنعتی چهارم با تحول در فناوری‌های رایانشی همراه خواهد بود. زمانی می‌رسد که ابرکامپیوترهای پیشرفته امروز در برابر فناوری‌های جدید از جمله کامپیوترهای کوانتومی دیگر حرفی برای گفتن ندارند. نظریه کوانتومی بیان می‌کند که تمام انرژی و ماده از ذرات معروف به کوانتوم ساخته شده است. هدف بلندمدت تحقیقات فناوری اطلاعات کوانتومی، توسعه روش‌های کنترل و دستکاری سیستم‌های کوانتومی برای گسترش پردازش اطلاعات فراتر از توانایی‌های دنیای کلاسیک است. استفاده از مفاهیم کوانتومی در مهندسی برای حل مسائل فنی دشوار در کامپیوتر، ارتباطات، حسگر، شیمی، رمزگذاری، تصویربرداری و مسائل مکانیکی در آینده بسیار رایج خواهد بود. برای مثال، کامپیوتر کوانتومی می‌تواند کارهایی را انجام دهد که حتی پیشرفته‌ترین ابررایانه‌ها هم نمی‌توانند.


 

رایانه‌های کوانتومی و کلاسیک از سه جهت اصلی متفاوت هستند. اول، محاسبات کوانتومی از بیت‌هایی که صفر یا یک هستند استفاده نمی‌کند، بلکه از کیوبیت‌هایی استفاده می‌کند که توانایی این را دارند که همزمان به صورت صفر یا یک عمل کنند. دوم، کیوبیت‌ها به جای اینکه موجودیت‌های مجزا باشند، در یک حالت درهم‌تنیده قرار دارند. می‌توان گفت، این دو ویژگی ظرفیت کیوبیت‌ها را برای ذخیره اطلاعات بیشتر نسبت به رایانه‌های سنتی فراهم می‌کند. تمایز سوم این است که یک رایانه کوانتومی به شیوه‌ای اساسی متفاوت عمل می‌کند. همه نتایج ممکن را به طور همزمان تجزیه و تحلیل کرده و از تداخل سازنده برای تصمیم‌گیری در مورد راه‌حل احتمالی که درست است استفاده می‌کند.

با پیشرفت تحقیق و توسعه (R&D) در این زمینه، این فناوری به‌زودی بر هر کاری که ما در زندگی روزمره انجام می‌دهیم، از برقراری ارتباط گرفته تا انجام امور مالی، تأثیر خواهد گذاشت. محاسبات کوانتومی، با تمام مزایایی که دارد برای حوزه‌های مختلف فناوری از جمله وسایل نقلیه خودران، پیش‌بینی آب و هوا، برنامه‌ریزی حمل و نقل، تحقیقات دارویی، ارتباطات مالی امن، بهره‌برداری از منابع و سنجش، جذاب است. برای یک شرکت هواپیمایی، می‌تواند به تأخیر، تغییر مسیر و برنامه‌ریزی مجدد پروازهایی که لغو شده‌اند کمک کند و به این همه امنیت بیشتر در هنگام پرداخت آنلاین صورتحساب‌ها را اضافه کند. این پیشرفت حتی اجازه می‌دهد تا سیستم‌های تصویربرداری پزشکی خاص‌تری ایجاد شود.

مواد مورد استفاده در رایانه‌های کوانتومی در مقیاس نانو دارای ویژگی‌های منحصر به‌فردی هستند که می‌تواند پیچیدگی فرآیندهای شیمیایی مدل و طراحی مواد را افزایش دهد. این به طراحان و مهندسان کمک می‌کند تا داروها، باتری‌ها و مواد پیشرفته‌تری با خواص الکتریکی و مکانیکی برتر تولید کنند.

با این حال و با وجود چنین مزایای عظیمی که درباره‌اش نوشتیم، میدان کوانتومی به دلیل مشکلات علمی و فنی قابل توجهی که در آن وجود دارد، هنوز برای تجاری‌سازی آماده نیست. برنامه‌های کاربردی نوآورانه و با تأثیر بالا ممکن است توسط شرکت‌ها بر اساس حمایت قابل‌توجه و قابل اعتماد دولت‌ها ایجاد شود که می‌تواند منجر به توسعه اقتصادی و اشتغال شود. این نتایج اقتصادی به عنوان بازخورد برای اقتصاد کوانتومی در حال توسعه عمل می‌کند.

تحقیقات اساسی، ترجمه، توسعه فناوری و حل مشکلات مرتبط با اهداف ملی باید در ابتکارات ما گنجانده شود. این گنجاندن ممکن است شامل رایانه‌های کوانتومی، ارتباطات کوانتومی، ظرفیت بومی و پرسنل آموزش‌دیده مورد نیاز برای تحقیقات مبتنی بر کوانتوم باشد.

ابزارهای رایانشی جدید در انقلاب صنعتی چهارم

ما فقط درک اولیه‌ای از توسعه داریم، اما باید از یک رویکرد جامع استفاده کرد آنهم با مشارکت همه سهامداران جهانی که نه تنها بخش‌های عمومی و تجاری، بلکه دانشگاه‌ها و جامعه مدنی را نیز شامل می‌شود. بیایید ببینیم که صنایع در طول انقلاب صنعتی چگونه تکامل یافته‌اند.

نیروی آب و بخار به پیشبرد اولین انقلاب صنعتی که شامل اتوماسیون بود کمک کرد. دومی با استفاده از برق انقلابی در تولید انبوه ایجاد کرد. انقلاب سوم از الکترونیک و فناوری اطلاعات در فرآیند تولید استفاده کرد. حالا اما انقلاب صنعتی چهارم با پایه و اساس انقلاب صنعتی سوم در حال ساخت است. این مهم در اواخر قرن بیستم با انقلاب دیجیتال آغاز شد. همگرایی به فناوری‌های نوظهور کمک می‌کند تا به طور یکپارچه در جهان فیزیکی، دیجیتالی و بیولوژیکی حرکت کنند.

سه عامل کلیدی وجود دارد که دوران گذار کنونی را از دوره‌های قبلی متمایز می‌کند: سرعت، دامنه و اثر سیستم. سابقه تاریخی را دیگر نمی‌توان در مورد سرعت کنونی پیشرفت‌ها اعمال کرد. در حالی که انقلاب‌های صنعتی قبلی با سرعت خطی رخ می‌دادند، انقلاب صنعتی چهارم با سرعتی تصاعدی در حال پیشرفت است. علاوه بر این، تقریباً در هر بخش و ملتی در سراسر جهان وقفه ایجاد می‌کند و باعث ایجاد تغییرات شدید از روش‌های تولید، مدیریت ما تا کل سیستم حکمرانی ما می‌شود.

ما بر این باوریم که دستگاه‌های تلفن همراه با تمام قدرت پردازش، ظرفیت ذخیره‌سازی و دسترسی به اطلاعات درها را به روی برنامه‌های کاربردی مختلف برای میلیاردها نفر باز خواهند کرد.

علاوه بر این، پیشرفت‌ها در زمینه‌هایی مانند هوش مصنوعی، روبات‌ها، اینترنت اشیاء، خودروهای خودران، چاپ سه بعدی، فناوری نانو، بیوتکنولوژی، علم مواد، ذخیره‌سازی انرژی و محاسبات کوانتومی تأثیر مثبتی بر راه‌حل‌های بالقوه خواهند داشت.

تحقیقات مرزی

فناوری کوانتومی پتانسیل عظیمی مانند خطوط ارتباطی ایمن و غیرقابل هک را ارائه می‌کند که با استفاده از آنها می‌توان تابشگرها و آشکارسازهای تک فوتونی را توسعه داد که ممکن است به جلوگیری از حملات سایبری که به زیرساخت‌های کشور آسیب می‌زند، کمک کند.

گوگل، مایکروسافت و آی‌بی‌ام از فناوری کوانتومی برای تقویت تجارت محاسباتی خود استفاده می‌کنند. یکی از دلایل اصلی مشکل جهانی انرژی، مقدار بسیار زیاد انرژی مورد نیاز برای حفظ افزایش مصرف اینترنت است. مدرن‌سازی اجزای محاسباتی و تجهیزات ارتباطی به حفاظت از محیط زیست کمک می‌کند. بنابراین نسل جدیدی از دستگاه‌های کوانتومی در دنیا برای بهبود رایانه‌ها و ارتباطات در حال توسعه است.

با کمک فناوری کوانتومی، می‌توانیم دستگاه‌های حسگری بسازیم که از حسگرهای کوچک‌تر و حساس‌تر استفاده می‌کنند. سنسورهای تشخیصی و کاربردهای تصویربرداری پزشکی با وضوح فوق‌العاده این مواد ممکن است به دلایل مختلفی از جمله حسگرهای کاشته شده و تصویربرداری پزشکی مورد استفاده قرار گیرند. فناوری دید در شب فوق‌العاده حساس و حسگرهای میدان مغناطیسی، شتاب، دما، مواد شیمیایی خطرناک و شرایط محیطی مضر در کنار این فناوری جدید در حال توسعه هستند.

اگرچه همه مواد کوانتومی هستند، به‌طور تجربی می‌توانیم از اثرات پدیده‌های کوانتومی مانند ابررسانایی، عایق‌های توپولوژیکی و غیره استفاده کنیم. بسیاری از مواد سیستم اطلاعات کوانتومی (QIS) از تله‌های یونی، نقص، نقاط کوانتومی، ابررساناها و مواد توپولوژیکی استفاده می‌کنند. مواد کوانتومی، از آنجایی که وعده‌های زیادی برای کاربردهای QIS دارند، می‌توانند مکملی عالی برای طرح ژنوم مواد باشند.

ارتباطات و رمزنگاری

در حوزه‌ای از فیزیک کوانتومی کاربردی که به شدت با پردازش اطلاعات کوانتومی و انتقال از راه دور کوانتومی مرتبط است، ارتباطات کوانتومی ممکن است به‌عنوان زیرشاخه‌ای از فیزیک کوانتومی دیده شود. جالب‌ترین استفاده از رمزنگاری کوانتومی در ایمن‌سازی مسیرهای اطلاعاتی در برابر استراق سمع است. توزیع کلید کوانتومی (QKD) شناخته‌شده‌ترین و یک برنامه توسعه یافته از رمزنگاری کوانتومی است. استفاده از پدیده‌های کوانتومی برای انجام وظایف رمزنگاری یا نقض سیستم‌های رمزنگاری را مورد بحث قرار می‌دهد.

مفهوم کار یک سیستم QKD ساده است. سناریویی را در نظر بگیرید که در آن دو نفر، یعنی آلیس و باب، از فوتون‌های منفرد پلاریزه شده تصادفی برای ارسال دنباله‌ای از دنباله‌های اعداد تصادفی استفاده می‌کنند که همگی به‌عنوان کلیدهای رمزنگاری استفاده می‌شوند. کانال کوانتومی دو ایستگاه را به هم متصل می‌کند، در حالی که کانال کلاسیک آنها را به هم پیوند می‌دهد. آلیس از یک مولد اعداد تصادفی برای تولید جریان‌های تصادفی کیوبیت‌ها استفاده می‌کند که سپس از طریق کانال کوانتومی منتقل می‌شوند. پس از دریافت جریان کیوبیت، باب و آلیس عملیات کلاسیک را برای جستجوی یک استراق سمع انجام می‌دهند. هنگامی که دو مجموعه بیت به دنبال یک انتقال کیوبیت به دست می‌آیند، استراق سمع کننده در معرض دید قرار می‌گیرد. برای ایجاد تقریباً تمام سیستم‌های رمزگذاری مناسب، باید تصادفی واقعی فراوانی وجود داشته باشد که ممکن است به زیبایی از طریق اپتیک کوانتومی تولید شود.

اندازه‌شناسی کوانتومی

اینکه آیا صنعت 4.0 توسط پیشرفت‌های اندازه‌شناسی هدایت می‌شود یا اینکه تغییرات در اندازه‌شناسی توسط آن انجام می‌شود، جالب است. پیشرفته‌ترین سیستم‌های اندازه‌شناسی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، تضمین کیفیت (QA) را هدایت می‌کنند، که به تنهایی امکان فرآیندهای تولید مقرون‌به‌صرفه و کارآمد را فراهم می‌کند. امروزه داده‌های QA مستقیماً هم بر نحوه تولید کالا، هم بر قیمت نهایی و هم تکرارپذیری در تولید تأثیر می‌گذارد.

بر اساس دیدگاه بالا، می‌توان نتیجه گرفت که QA برای رانندگی صنعت 4.0 ضروری است. این استدلال با توسعه سریع فناوری‌های اندازه‌شناسی نوری سه‌ بعدی غیرتماسی تقویت می‌شود، زیرا پردازش تصویر و سیستم‌های بینایی ممکن است به راحتی در عملیات صنعت 4.0 ادغام شوند.

اکنون، ما شروع به ارزیابی مجدد باورهای دیرینه می‌کنیم. اندازه‌گیری کیفیت کیفیت محصول برای مدت طولانی به‌عنوان یک شر ضروری در نظر گرفته شده است، جنبه‌ای از توسعه محصول که موارد چک لیست را برآورده می‌کند، اما به صورت مستقیم به ارزش محصول کمک نمی‌کند. ممکن است ادعا شود که اندازه‌شناسی کاربرد دیگری جز تشخیص مشکلات فرآیند تولید از دیدگاهی خاص ندارد. اگر عیوب یا کاستی‌ها وجود نداشت، اندازه‌شناسی بی‌فایده بود.

با این حال، امروزه، اندازه‌شناسی داده‌های زیادی تولید می‌کند که می‌تواند در یک کارخانه هوشمند صنعت 4.0 یا محیط تولید هوشمند که در آن تولید مبتنی بر داده معمول است، استفاده شود.

سنجش کوانتومی در هوافضا

صنایع دفاعی، امنیتی و هوافضا بیشترین پتانسیل را برای نوآوری دارند. سیستم‌ها و روش‌های حسگر جدید و همچنین پیشرفت‌های بیشتر، به طور مداوم یکدیگر را در مسابقه برای عملکرد بهتر تشویق می‌کنند. به لطف اکتشافات در دنیای کوانتومی، آشکارسازهای تک فوتون، دستگاه‌های شمارش فوتون، ساعت‌های رویداد با وضوح بالا و کنترل‌کننده‌ها همگی توسعه یافتند.

فناوری نوری برای بهبود عملکرد سیستم‌های ارتباطی فضای آزاد استفاده می‌شود، زیرا افزایش تقاضا برای فناوری‌های اطلاعاتی و ارتباطی مانند اینترنت پرسرعت، ویدئو کنفرانس و پخش زنده نیاز به این سیستم‌ها را افزایش می‌دهد. در ارتباطات فضای آزاد، آشکارسازهای تک فوتونی به دلیل دقت و شدت بالاتر، دقت و شدت بیشتری را ارائه می‌دهند.

لیدار به دلیل توانایی‌اش در تشخیص دقیق و تعیین کمیت نور منعکس شده و تولید نمایش های سه بعدی از اهداف، در بسیاری از بخش‌ها کاربرد پیدا کرده است. شرکت‌های دفاعی، امنیتی و هوافضا اغلب به سیستم‌های بردی متکی هستند که دامنه وسیعی را در بر می‌گیرند و می‌توانند اهداف و اشیاء را در شرایط نامطلوب شناسایی و مکان‌یابی کنند. تکنیک تشخیص تک فوتون با یک سیستم برچسب‌گذاری زمانی با وضوح بالا برای استفاده در کاربردهای لیدار همراه است.

استفاده از مسافت یاب لیزری به هیچ صنعت یا حوزه ای محدود نمی‌شود، بلکه در زمینه‌هایی مانند ورزش، نظامی و امنیت نیز یافت می‌شود. در کاربردهای نظامی که نیاز به اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق دارند، از فاصله‌یاب‌های لیزری توسط تک‌تیراندازها و نیروهای توپخانه استفاده می‌شود تا فاصله دقیق تا اهدافشان را که فراتر از برد نقطه‌ای است، به آنها بدهد.

تولیدکنندگان به طور مداوم دامنه گیرنده‌های خود را افزایش می‌دهند تا نوآوری را تشویق کنند و به دلیل سایر منابع نور، حساسیت بهتر و خوانش غلط کمتری را برای گیرنده‌ها فراهم کنند. چنین مشکلاتی به دلیل قابلیت تشخیص تک فوتون فناوری کوانتومی قابل حل است.

تصویربرداری کوانتومی پیشرفته

به دلیل پیشرفت در سیستم‌های تصویربرداری کوانتومی، امکانات جدیدی در تصویربرداری و همچنین یافتن محدوده در نور کم به وجود می‌آید. ابزارهای علمی مختلف، از جمله میکروسکوپ و تلسکوپ، احتمالا در چند سال آینده در نظارت نظامی و محیطی نیز مورد استفاده قرار خواهند گرفت. پیش‌بینی می‌شود تصویربرداری کوانتومی در چند سال آینده کاربرد پزشکی پیدا کند.

در نتیجه، می‌توان گفت که محاسبات کوانتومی پتانسیل بهبود بنیادی مزایای نتیجه‌گیری مبتنی بر داده را دارد و ممکن است منجر به بازده سرمایه‌گذاری بیشتر شود. با کمک به هوش مصنوعی (AI) برای حرکت در مواد تحلیل نشده، ممکن است از یادگیری ماشینی (ML) نیز پشتیبانی کند. این ممکن است برای صنایعی مفید باشد که می‌خواهند اطلاعات را به روشی منسجم و برای تصمیم گیری کامل درک کنند. افزودن محاسبات کوانتومی به فناوری‌های مخرب صنعت 4.0 مانند روباتیک، هوش مصنوعی، واقعیت مجازی و اینترنت اشیاء ممکن است شرکت‌ها را قادر سازد تا چابکی رقابتی خود را بهبود بخشند، تصمیم‌های سریع‌تری بگیرند، نگرانی‌های مربوط به کیفیت محصول را کاهش دهند و زنجیره تامین را تا حد زیادی ساده‌سازی کنند.