«فرهیختگان» کاربردهای جدید کوانتوم در حوزه‌های فضایی، صنایع و داروسازی را بررسی کرد
علی محمولی، خبرنگار گروه دانشگاه: همه کامپیوترها و خروجی آنها در زمان حال، از چت جی‌پی‌تی تا گوگل جمینی و باقی هوش مصنوعی‌هایی که در کولوسیوم دره سیلیکون متولد شده‌اند، مبتنی‌بر کامپیوترهای کلاسیک هستند که محاسبات خود را بر پایه سامانه‌های باینری یا دودویی انجام می‌دهند. این سامانه‌ها صرفا از صفر و یک تشکیل شده‌اند که به آن بیت می‌گویند و الگوریتم‌های پیچیده نیز بر همین اساس طراحی می‌شوند. اما در سامانه‌های کامپیوتری جدید که بر پایه علمی تحت عنوان کوانتوم- که برگرفته از تحقیقات دانشمند آلمانی ماکس پلانک است- کار می‌کنند، یک بیت (که معروف به کیوبیت است) می‌تواند برخلاف یک کامپیوتر کلاسیک، در چند حالت وجود داشته باشد که به لطف پدیده‌ای به نام برهمنهی (Superposition) ممکن است. البته امروز که «فرهیختگان» را می‌خوانید، مطمئنا دنبال نحوه کار کامپیوتر کوانتومی نبودید و مشخصا موضوع ما هم نیست. برای آن باید چند سالی از عمر خود را خرج کنید تا از این دریای عظیم بچشید؛ چرا که در تمام صفحات آتی نیز امکان توضیح کامل این علم وجود ندارد.
کاربرد کوانتوم از زمین تا ایستگاه فضایی بین‌المللی
در بیست‌ویکم جولای 1969 که نیل آرمسترانگ سوار بر آپولو یازده، قدم بر ماه گذاشت و جملات معروف خود را گفت، کامپیوتر ناوبری آپولو، 32 کیلو وزن داشت و دیسک سخت آن نیز نهایتا 32 کیلوبایت فضا داشت، چیزی که احتمالا امروز برای بسیاری جوک محسوب می‌شود. البته در دنیای مدرنی که در آن زندگی می‌کنیم، علاوه‌بر اینکه کامپیوترها در ابعاد بسیار بسیار کوچک‌تر، قدرت پردازشی میلیون‌ها برابر بیشتر از سامانه آپولو را دارند، فناوری‌ها و کامپیوترهای کوانتومی نیز به صنعت فضایی وارد شده‌اند.
به گزارش نشریه آنلاین‌مدیوم، این کامپیوترها قادرند محاسبات عظیمی را انجام دهند که در گذشته برای کامپیوتر امکان‌پذیر نبود، مخصوصا وقتی بحث به نیروهای جاذبه و مکانیک اجرام فضایی می‌رسد. بااین‌حال، برتری کامپیوترهای کوانتومی در زمینه شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مسیر سفر فضاپیماهاست و به این وسایل اجازه می‌دهد سریع‌تر و با دقت بیشتری به مقاصد خود برسند. در این مسیر نیز هرچه بیشتر از زمین دور می‌شوند، ارتباطات آنها به‌دلیل بعد مسافت بسیار زیاد باتاخیر بیشتری همراه می‌شود و پروتکل‌های ارتباطات کوانتومی نیز در این بخش به کمک می‌آیند. این پروتکل‌ها از ذرات درهم تنیده برای انتقال فوری اطلاعات در فواصل زیاد استفاده می‌شوند که توانایی بالقوه‌ای برای دگرگون ساختن شبکه‌های ارتباطی بین سیاره‌ای دارند. با ادغام سامانه‌های ارتباطی کوانتومی در فضاپیماها، می‌توانیم بر محدودیت‌هایی که شبکه‌های سنتی رادیوپایه دارند غلبه کنیم و حتی از دریافت داده‌های فضاپیما به‌صورت لحظه‌ای در پهنه منظومه شمسی بهره ببریم. به‌طور مثال در سال 2020 در مقاله‌ای که توسط مجله وایرد منتشر شد، ناسا و لابراتوار لینکلن در دانشگاه صنعتی ماساچوست (MIT) مشترکا یک سامانه لیزری کوانتومی را توسعه دادند که از فوتون‌های درهم تنیده برای رله کردن اطلاعات از ایستگاه فضایی بین‌المللی به زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد. ناسا امیدوار است از این فوتون‌ها استفاده کرده و از طریق ماهواره LCRD (نمایانگر ارتباطات رله لیزری) آنها را به‌کار گیرد. از سوی دیگر با افزایش وابستگی سازمان‌ها و شرکت‌های خصوصی بر سامانه‌ها و شبکه‌های به هم پیوسته برای کار کردن با فضاپیماها، امنیت سایبری به یک نگرانی حیاتی تبدیل شده. در این زمینه رمزنگاری کوانتومی، امنیت بی‌همتایی را ارائه می‌دهد که در آن از اصول مکانیک کوانتوم برای رمزگذاری و رمزگشایی داده استفاده می‌شود. شرکت‌های زیادی تاکنون به فناوری‌های کوانتومی برای ایجاد راهکارهای پیشگامانه در رمزنگاری کوانتومی روی آورده‌اند که از نمونه‌های آن می‌شود به استارتاپ آرکیت (Arqit) اشاره کرد. با استفاده از رمزنگاری کوانتومی در ماموریت‌های فضایی آینده، می‌توانیم از امنیت حساس‌ترین داده‌های خود و حفاظت از فضاپیماها در برابر تهدیداتی همچون حملات سایبری اطمینان حاصل کنیم.
کامپیوترهای کوانتومی و محاسباتی که قابلیت انجام آن را دارند از قبیل شبیه‌سازی و مدل‌سازی پیشرفته می‌توانند کلید باز کردن قفل برخی از بزرگ‌ترین رازهای کیهان باشند. از مطالعه رفتار سیاهچاله‌ها تا پیش‌بینی دینامیک پدیده‌های کیهانی، کامپیوترهای کوانتومی آینده به محققان اجازه خواهند داد تا سامانه‌های پیچیده را با دقت و جزئیات بی‌سابقه شبیه‌سازی کنند. البته تا رسیدن به این اهداف در ماموریت‌های برون‌زمینی، چالش‌های عملی و فنی قابل‌توجهی در پیش است. کامپیوترهای کوانتومی فعلی با محدودیت‌هایی همچون نرخ خطا، زمان همبستگی و مشکلات مقیاس‌پذیری مواجه هستند. البته این موارد، تنها چالش‌ها نیستند؛ ادغام فناوری‌های کوانتومی در ماموریت‌های فضایی، چالش‌های لجستیکی از قبیل تامین انرژی مورد نیاز و محدودیت‌های ابعادی و وزنی را درپی دارد. لازمه حل این چالش‌ها، همکاری بین محققان و سازمان‌های فضایی برای توسعه سکوهای مورد اطمینان محاسبات کوانتومی است تا بتوانند برای نیازمندی‌های منحصربه‌فرد فضانوردی استفاده شوند.
کامپیوتری که حق نسخه‌پیچی می‌گیرد!
داروسازی کار پیچیده‌ای است، مانند هر کار دیگری که با انسان سروکار دارد و این پیچیدگی از نقطه‌ای به بعد در تاریخ معاصر، نیازمند محاسبات و آزمون و خطاهایی شد که برای ذهن انسان بیش از حد سنگین و از نظر بشری نیز آسیب‌زا بودند. در اینجا سی‌پی‌یوهای پرتوان کامپیوترها و سامانه‌های خودکار به کمک دستان کم‌توان انسان آمدند. بنابر مقاله‌ای در همین رابطه که توسط پایگاه اینترنتی کالج سلطنتی لندن منتشر شد، محققان این دانشگاه با همکاری لابراتوار ژیجیانگ و دانشگاه علوم و فناوری چین، یک پردازنده کوانتومی گاوسی به نام «آباکوس» را با موفقیت طراحی کردند و از آن در دو متد مهم طراحی دارو تحت‌عنوان اتصال مولکولی و پیش‌بینی تاخوردگی RNA استفاده کردند که در نشریه علوم کامپیوتر نیچر منتشر شد. به‌گفته راج پاتل از گروه فیزیک کالج سلطنتی «با رشد برق‌آسای فعلی در فناوری محاسبات کوانتومی و کاربرد آن در توسعه دارو، نوید مجموعه‌ای از تغییرات و پیشرفت‌ها را در آینده می‌دهد. محاسبات کوانتومی می‌توانند برهم کنش بین مولکول‌ها را بادقت بالاتری شبیه‌سازی و این امکان را فراهم کنند تا فعالیت و بی‌خطری داروهای مولکولی را درطول مرحله طراحی، دقیق‌تر پیش‌بینی کنیم. همچنین این فناوری، سرعت غربالگری داروها با کیفیت و توان بالاتری را ارائه می‌دهد و می‌تواند سامانه‌های بیولوژیک را که در گذشته پیچیده محسوب می‌شد- مانند کمپلکس‌های پروتئینی- مدیریت کند و سبب ارتقای همکاری‌ها بین فیزیک، علوم کامپیوتری، بیولوژی و فارماکولوژی (داروشناسی) شود.»
به گزارش فیز دات اورگ، گرو (Gero)، یک شرکت فناورانه که در زمینه استفاده از هوش مصنوعی در مبحث افزایش سن و طول عمر کار می‌کند، عملی بودن استفاده از محاسبات کوانتومی برای طراحی دارو و تولید مواد شیمیایی نشان داده. تحقیق آنها که در نشریه ساینتیفیک ریپورتس منتشر شد، نشان می‌دهد چطور یک مدل یادگیری ماشینی هیبریدی، برای تعامل بین دستگاه‌های کامپیوتری کلاسیک و کوانتومی، با هدف تولید ساختارهای شیمیایی منحصربه‌فرد جهت کشف داروهای جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد که این اتفاق اولین‌بار است در صنعت بهداشت و درمان رخ می‌دهد. اوایل سال گذشته میلادی، گرو اعلام کرد طی قراردادی با شرکت فایزر، از سکوی فناوری یادگیری ماشینی آن در کشف درمان‌های احتمالی برای بیماری‌های فیبروزی بر مبنای کلان داده‌های انسانی استفاده خواهد شد. در این سیر تحقیقاتی جدید، تیم گرو به بررسی این موضوع پرداخت که ببیند آیا یک سامانه هوش مصنوعی مولد هیبریدی نوعی از شبکه عمیق عصبی
(deep neural network) است که پایاپای با یک سخت‌افزار کوانتومی موجود در بازار کار می‌کند - می‌تواند ساختارهای شیمیایی یکتایی را تولید کند که به‌صورت مصنوعی پایدار و ویژگی‌های شبه‌دارویی داشته باشد یا خیر. به‌گفته پیتر فدویچ، مدیرعامل گرو «این دستاوردها، راه را برای شتاب‌گیری متحیرکننده روند تولید داروهای جدید باز می‌کنند. داروسازی مبحثی است که در تقاطع پدیده‌های کلاسیک و کوانتومی کار می‌کند و نیازمند تشخیص ویژگی‌های کوانتومی مولکول‌های شبه‌دارویی و تعریف اثرگذاری آنها بر موجودات زنده در چهارچوب فیزیک کلاسیک است. به همین دلیل محاسبات کوانتومی به‌طور قابل‌توجهی ظرفیت ما را برای یافتن درمان‌های متحول‌کننده برای چالش‌برانگیزترین بیماری‌ها و شرایط، ازجمله خود پیری، افزایش می‌دهد.»
تاکنون کامپیوترهای کلاسیک بسیاری از امور مدنظر را در دنیای شهر اوز مانند داروسازی و پزشکی راه انداخته‌اند و کمک غیرقابل‌وصفی را به بشریت کرده‌اند، اما با پیشرفت فناوری و زندگی انسان به تبع آن، بیماری‌ها تغییر شکل پیدا می‌کنند و از طرف دیگر لزوم درمان آنها با سرعت بالا و حداقل عوارض نیز وجوب بیشتری می‌یابد. در این مورد، کامپیوترها و سامانه‌های کوانتومی می‌توانند پارادایم جدیدی در محاسبات درمانی را باز کنند که پیش از این موجود نبود و به دانشمندان در شبیه‌سازی‌های پیشرفته مدنظر خود کمک می‌کند که امور را با بازدهی و کیفیت بالاتری انجام دهند.
کوانتوم این بار در صنعت
معمولا در فیلم‌های علمی تخیلی، اکثریت قریب به کل فیلمسازان (اگر نولان را حساب نکنیم) برای فرار از توضیح مباحث سنگین علمی یا پر کردن قافیه وقتی به تنگ می‌آید، کلمه «کوانتوم» را وارد بحث می‌کنند. البته این علم شبه‌ماورایی، هرچند در آثار نویسندگان، برای سفر در زمان یا به داخل سیاهچاله و امثالهم استفاده می‌شود، اما امروزه بیشتر از چیزی که فکر می‌کنیم توانایی بالقوه و در آستانه بالفعل شدن در زندگی روزمره بشری را پیدا کرده‌اند و یکی از این موارد در صنعت حمل‌ونقل و لجستیک است. کامپیوترهای کوانتومی، هرچند فعلا درحال طی کردن قدم‌های اولیه خود هستند اما قابلیت آن را دارند که انقلابی در صنعت مذکور مانند تمام صنایع دیگری که به برخی از آنها پیش از این اشاره شد، ایجاد کنند. حمل‌ونقل و لجستیک، بحث چندوجهی است که برنامه‌ریزی و بهینه‌سازی دقیق در آن با توجه به وجود فاکتورهایی نظیر رفتار انسانی، آب‌وهوا، نوع خودرو، ترافیک و زیرساخت امری سخت است که با لحاظ کردن اینکه هر تصمیم منجر به هزینه شدن زمان و منابع متناسب با خود می‌شود، بسیار پیچیده و دشوار است. محاسبه همزمان و با دقت بالای این حجم از فاکتورهای متغیر، امری تقریبا غیرممکن است، به شرطی که آنچه را در افق فناوری درحال پدیدار شدن است، نادیده بگیریم و آن، توانایی ویژه و قدرتمندی است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند در تحلیل و جمع‌بندی همزمان این فاکتورها ارائه کنند.
بنابر مقاله‌ای که توسط شرکت پست دی‌اچ‌ال (DHL) در تارنمای این شرکت منتشر شد، یکی از ابتدایی‌ترین کاربردهای کوانتوم در صنعت حمل‌ونقل، در محاسبه مسیر حرکت است که توسط الگوریتم‌های سنتی انجام می‌گیرد ولی الگوریتم‌های کوانتومی می‌توانند بهترین مسیر را با حداقل سوخت مصرفی و زمان مورد نیاز برای طی کردن مشخص کنند. طبق گفته آنها، شرکت خودروسازی فولکس‌واگن و شرکت لجستیکی کاریس در یک همکاری مشترک، از محاسبات کوانتومی برای انتخاب سریع‌ترین مسیر حرکت توسط 9 اتوبوس در 26 ایستگاه استفاده کردند و در هر مورد، زمان رسیدن به مقصد به‌طور مجزا برای هر اتوبوس و تقریبا دقیقا مطابق با واقعیت، پیش‌بینی شد.
اداره توسعه مشارکت اقتصادی ایالت ویرجینیا نیز در تحقیقی نشان داده چطور محاسبات کوانتومی سبب بهبود جابه‌جایی و جایگذاری کانتینر در بندر لس‌آنجلس شده. طبق این آمار، الگوریتم منجر به افزایش 60 درصدی تحویل بار توسط جرثقیل‌ها و کاهش 10 دقیقه‌ای مسیر حرکت کامیون‌ها در بندر شده است. در مقاله‌ای نیز که در سال 2023 توسط دانشگاه کورنل منتشرشده، ثابت می‌شود توانایی‌های کوانتوم محدود به حمل‌ونقل نیست. الگوریتم‌های کوانتومی می‌توانند با بهینه‌سازی چیدمان انبارها، بارگذاری و بسته‌بندی را سرعت ببخشند و مدیریت اموال را در مراکز توزیع کالا بهبود دهند.
البته به‌گفته دی‌اچ‌ال، هنوز با ظهور پتانسیل محاسبات کوانتومی در حمل‌ونقل فاصله داریم. بنابر نظرسنجی که سال 2019 توسط یک شرکت فناوری آمریکایی به نام دیجی‌سرت صورت گرفته، 71 درصد از سازمان‌های جهانی ظهور کامپیوترهای کوانتومی را یک تهدید امنیتی درحال بروز قلمداد می‌کنند. نتیجتا پیش از آنکه کامپیوترهای کوانتومی تبدیل به یک جایگزین مناسب برای ابرکامپیوترها شوند، محققان باید به بررسی پیامدهای امنیت سایبری این فناوری بپردازند.
مطالب پیشنهادی
