آشنایی با کامپیوتر‌های کوانتومی

در دنیای امروز، فناوری‌های نوظهور با سرعتی بی‌سابقه در حال شکل دادن به آینده هستند. در این میان، کامپیوترهای کوانتومی و بلاکچین هر یک به عنوان ستون‌هایی از تحول دیجیتال شناخته می‌شوند. کامپیوترهای کوانتومی، با توان پردازش فراتر از تصور، ظرفیت تغییر بسیاری از مفاهیم سنتی در علم داده و رمزنگاری را دارند. از سوی دیگر، بلاکچین با ارائه بستری غیرمتمرکز و ایمن، زیرساخت بسیاری از فعالیت‌های اقتصادی و فناوری‌های مالی نوین را تشکیل داده است. با ظهور قدرت محاسباتی کوانتومی، این سؤال اساسی مطرح می‌شود که چه آینده‌ای در انتظار بلاکچین و رمزارزهاست؟ آیا این فناوری‌ها می‌توانند در برابر چالش‌های کوانتومی مقاوم بمانند یا باید شاهد تحولی عمیق در ساختار آن‌ها باشیم؟ این مقاله از بلاگ کیف پول من به بررسی دقیق تعامل این دو دنیای پیشرفته و پیامدهای احتمالی آن برای آینده اقتصاد دیجیتال می‌پردازد.

آشنایی با کامپیوتر کوانتومی و تأثیرات احتمالی آن بر آینده فناوری

کامپیوتر کوانتومی یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌هایی است که می‌تواند مسیر زندگی بشر را به شکل اساسی تغییر دهد. این نوع رایانه برخلاف رایانه‌های کلاسیک که از بیت‌های صفر و یک استفاده می‌کنند، بر پایه کیوبیت‌ها کار می‌کند و توانایی پردازش اطلاعات را با سرعتی خارق‌العاده دارد. ایده اولیه رایانه‌های کوانتومی توسط ریچارد فاینمن در دهه ۱۹۸۰ مطرح شد و از آن زمان تاکنون، این حوزه پیشرفت‌های چشمگیری داشته است.  
اولین گام‌های عملی در این مسیر در سال ۱۹۹۸ برداشته شد؛ زمانی که اولین رایانه کوانتومی با ظرفیت ۲ کیوبیت ساخته شد. تنها چند سال بعد، مدل‌های پیشرفته‌تری با ۵ و ۷ کیوبیت نیز معرفی شدند. روند توسعه با شتاب بیشتری ادامه یافت و در سال ۲۰۱۱، شرکت کانادایی D-Wave موفق شد کامپیوتری با ۱۲۸ کیوبیت ارائه دهد که تحولی چشمگیر در این عرصه بود.  
در حال حاضر، غول‌های فناوری مانند گوگل، IBM و مایکروسافت به طور جدی در زمینه ساخت و بهینه‌سازی رایانه‌های کوانتومی فعالیت می‌کنند و هر یک روش‌های منحصربه‌فردی برای پیاده‌سازی این فناوری دارند. در سال ۲۰۱۹، گوگل اعلام کرد که یک رایانه کوانتومی ساخته که می‌تواند عملیاتی را که یک ابرکامپیوتر پیشرفته مانند سامیت طی ۱۰ هزار سال انجام می‌دهد، تنها در عرض چند دقیقه پردازش کند. البته این ادعا با واکنش تند IBM روبه‌رو شد که آن را اغراق‌آمیز خواند.  
بسیاری از متخصصان بر این باورند که ورود عملی کامپیوترهای کوانتومی به زندگی بشر، می‌تواند انقلابی مشابه انقلاب صنعتی به وجود آورد. از سوی دیگر، تأثیر این فناوری بر زمینه‌هایی چون بلاکچین، رمزارزها و بیت‌کوین قابل توجه خواهد بود. درک دقیق تفاوت‌های رایانه‌های سنتی با رایانه‌های کوانتومی، کلید فهم تأثیرات عظیمی است که در آینده نزدیک انتظار ما را می‌کشد.

تفاوت کامپیوترهای دیجیتالی و کوانتومی و تأثیر آن بر فناوری بلاکچین

رایانه‌ها بخش جدایی‌ناپذیر زندگی ما شده‌اند؛ از لپ‌تاپ‌ها و گوشی‌های هوشمند گرفته تا سیستم‌های پیچیده‌ی پردازشی، همگی نمونه‌هایی از کامپیوترهای دیجیتالی هستند که با دریافت اطلاعات، پردازش آن‌ها و ارائه نتایج، فعالیت می‌کنند. در این دستگاه‌ها، عملیات پردازش توسط قطعه‌ای به نام CPU یا پردازنده مرکزی انجام می‌شود که بر پایه‌ی میلیاردها ترانزیستور کار می‌کند. ترانزیستورها مانند کلیدهای کوچکی عمل می‌کنند که یا در وضعیت روشن (۱) یا خاموش (۰) قرار دارند، و این زبان صفر و یک، بنیان تمام محاسبات دیجیتال را شکل می‌دهد.  
هر بیت از یک صفر یا یک تشکیل شده و ترکیب چندین بیت، داده‌های پیچیده‌تری مانند حروف، اعداد و نشانه‌ها را ایجاد می‌کند. به عنوان نمونه، حرف A در زبان دیجیتال به صورت ۰۱۰۰۰۰۰۱ و حرف B به صورت ۰۱۰۰۰۰۱۰ نمایش داده می‌شود. در این ساختار، ۸ بیت یک بایت را تشکیل می‌دهند و مقیاس‌های بزرگ‌تر مانند کیلوبایت، مگابایت و گیگابایت نیز به ترتیب بر پایه مضرب‌های ۱۰۲۴ تعریف شده‌اند.  
اما کامپیوترهای کوانتومی داستانی کاملاً متفاوت دارند. به جای استفاده از بیت‌های سنتی، این سیستم‌ها از کیوبیت‌ها بهره می‌برند که می‌توانند به طور همزمان در وضعیت صفر، یک یا هر دو باشند. این ویژگی که ناشی از اصل برهم‌نهی در فیزیک کوانتومی است، توانایی پردازش اطلاعات را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد. پردازنده‌های کوانتومی نه با ترانزیستورهای دیجیتال، بلکه با ساختارهای بسیار کوچک و پیچیده‌ای کار می‌کنند که می‌توانند پدیده‌های کوانتومی را مهار کنند.  
کوچک‌تر شدن ترانزیستورها در کامپیوترهای دیجیتال باعث شده که به مرزهای فیزیکی نزدیک شویم؛ جایی که اندازه ترانزیستورها با ابعاد اتمی برابری می‌کند. در چنین شرایطی، کامپیوترهای کوانتومی به عنوان راهکاری انقلابی ظاهر شده‌اند و می‌توانند با قدرتی بی‌سابقه، چالش‌های پردازشی را پاسخ دهند.  
ورود رایانش کوانتومی نه تنها محاسبات علمی، بلکه دنیای بلاکچین و ارزهای دیجیتال را نیز تحت تأثیر قرار خواهد داد. قدرت شکستن الگوریتم‌های رمزنگاری سنتی توسط کامپیوترهای کوانتومی، این فناوری‌های نوظهور را با چالش‌های امنیتی جدی مواجه می‌کند و نیاز به توسعه پروتکل‌های مقاوم در برابر حملات کوانتومی را دوچندان کرده است.

مطلب پیشنهادی: تاثیر چالش برانگیز کامپیوتر های کوانتومی روی آینده‌ی رمزارزها

تفاوت کلی کامپیوتر های دیجیتال و کوانتومی

• بیت‌ها در رایانه‌های دیجیتال فقط می‌توانند یکی از دو حالت صفر یا یک را داشته باشند، در حالی که کیوبیت‌ها در رایانه‌های کوانتومی قابلیت این را دارند که به طور همزمان در وضعیت صفر، یک یا ترکیبی از هر دو قرار بگیرند.  
• رایانه‌های دیجیتال برای پردازش اطلاعات از ترانزیستور استفاده می‌کنند، اما در رایانه‌های کوانتومی، عناصر بنیادی مانند الکترون‌ها، فوتون‌ها، اتم‌ها و یون‌ها به کار گرفته می‌شوند.  
• برخلاف سیستم‌های دیجیتال که تابع قوانین فیزیک کلاسیک هستند، رایانه‌های کوانتومی از قوانین دنیای زیراتمی پیروی می‌کنند؛ قوانینی که رفتار مواد را در سطح ذرات بنیادی تعریف می‌کند.  
• پردازش اطلاعات در رایانه‌های دیجیتال به صورت ترتیبی انجام می‌شود، در حالی که در رایانه‌های کوانتومی، پردازش داده‌ها به طور موازی و همزمان صورت می‌گیرد.  
• انجام عملیات به صورت موازی در رایانه‌های کوانتومی باعث شده است تا سرعت آن‌ها نسبت به رایانه‌های دیجیتال، میلیون‌ها برابر بیشتر باشد.  
• یکی از مهم‌ترین چالش‌های رایانه‌های کوانتومی، تهدید امنیت جهانی است؛ زیرا با قدرت پردازشی بی‌سابقه‌شان می‌توانند الگوریتم‌های رمزنگاری فعلی مانند بلاکچین و دیگر سیستم‌های امنیتی را به راحتی بشکنند.  
• در صورتی که دسترسی عمومی به کامپیوترهای کوانتومی فراهم شود، استانداردهای جدیدی برای رمزنگاری ایجاد خواهد شد تا امنیت اطلاعات همچنان حفظ شود.

ساخت بلاکچین کوانتومی؛ راهی نو برای حفظ امنیت ارزهای دیجیتال

با پیشرفت سریع رایانه‌های کوانتومی، چالش‌های بزرگی برای فناوری‌های رمزنگاری سنتی از جمله بلاکچین به وجود آمده است. اگر شبکه‌های بلاکچین بر پایه الگوریتم‌های فعلی به فعالیت خود ادامه دهند، ظهور کامپیوترهای کوانتومی می‌تواند امنیت آن‌ها را به طور جدی تهدید کند. این سوال مطرح می‌شود که آیا ترکیب کامپیوترهای کوانتومی با بلاکچین ممکن است یا خیر؟
بلاکچین مدت‌هاست که به عنوان بستری امن برای ثبت تراکنش‌های ارزهای دیجیتال شناخته می‌شود، اما کاربرد آن تنها به رمزارزها محدود نمی‌شود. قراردادهای هوشمند و توسعه نرم‌افزارهای غیرمتمرکز تنها بخشی از حوزه‌های گسترده استفاده از این فناوری هستند.
در برابر قدرت پردازشی حیرت‌انگیز رایانه‌های کوانتومی، رمزنگاری‌های کلاسیک کارایی خود را از دست می‌دهند. بنابراین، برای بقا، بلاکچین باید ارتقاء یابد. یکی از راهکارهای مطرح شده، استفاده از رمزنگاری‌های مقاوم در برابر پردازش کوانتومی است. این روش موجب می‌شود که حتی ابررایانه‌های کوانتومی نیز نتوانند به راحتی کدهای امنیتی بلاکچین را بشکنند.
راهکار بنیادی‌تر اما شامل بازطراحی بلاکچین بر اساس اصول رایانش کوانتومی است. ایده‌ای که توسط دو پژوهشگر به نام‌های دل راجان و مت وایزر از دانشگاه ولینگتون نیوزلند پیشنهاد شد. در این مدل جدید، بلاکچین از ذرات کوانتومی ساخته می‌شود که هر ذره تاریخچه‌ای از ذرات پیشین را در خود ذخیره دارد و تغییر در داده‌ها بر خلاف قوانین فیزیک کوانتوم غیرممکن خواهد بود.
در همین راستا، دانشمندان روسی ادعای جالب توجهی مطرح کردند: آنها موفق به توسعه بلاکچینی شده‌اند که می‌تواند امنیت داده‌های رمزنگاری‌شده را در برابر تهدیدات رایانه‌های کوانتومی حفظ کند. برای اثبات این فناوری، این تیم پروژه‌ای آزمایشی را بر روی داده‌های یکی از بزرگ‌ترین بانک‌های روسیه یعنی گازپروم پیاده‌سازی کرد و به موفقیت رسید.
یکی از اعضای این گروه، الکساندر لوفسکی، اعلام کرده که در این مدل نوین، رمزنگاری کوانتومی جایگزین امضاهای دیجیتال سنتی می‌شود و بدین ترتیب سطح حفاظت اطلاعات به شدت افزایش می‌یابد.
توسعه چنین فناوری‌هایی نویدبخش دورانی است که در آن امنیت شبکه‌های بلاکچین به جای تکیه بر قدرت محاسباتی، بر قوانین تغییرناپذیر فیزیک کوانتوم استوار خواهد شد؛ مسیری که می‌تواند آینده رمزارزها و فناوری‌های غیرمتمرکز را تضمین کند.

چالش‌های رایانه‌های کوانتومی و تهدیدهای احتمالی برای بلاکچین و رمزنگاری دیجیتال

رایانه‌های کوانتومی به عنوان نسل جدید فناوری پردازش اطلاعات، امکانات بی‌سابقه‌ای در زمینه محاسبات فراهم کرده‌اند. با این حال، محدودیت‌های فنی قابل توجهی مانع از استفاده گسترده از این دستگاه‌ها شده است. یکی از اصلی‌ترین چالش‌ها نیاز مبرم رایانه‌های کوانتومی به دمای نزدیک به صفر مطلق، یعنی حدود منفی ۲۷۳ درجه سلسیوس، برای عملکرد پایدار است. فراهم کردن چنین شرایطی به تجهیزات پیشرفته و هزینه‌های بسیار بالا نیاز دارد که دسترسی گسترده به این فناوری را در کوتاه‌مدت دشوار می‌کند.
مشکل دیگری که رایانه‌های کوانتومی با آن دست و پنجه نرم می‌کنند، نرخ بالای خطا در پردازش داده‌هاست. هرچه تعداد کیوبیت‌ها در یک سیستم کوانتومی افزایش یابد، احتمال بروز خطا نیز بیشتر می‌شود و این مسئله کارایی این رایانه‌ها را در پروژه‌های حساس و بزرگ محدود می‌کند. 
در صورت دستیابی کامل به رایانش کوانتومی پایدار، تهدیدهای امنیتی جدی در انتظار دنیای دیجیتال خواهد بود. بسیاری از الگوریتم‌های رمزنگاری کنونی که امنیت شبکه‌های بلاکچین و تراکنش‌های آنلاین را تضمین می‌کنند، در برابر توانایی‌های محاسباتی رایانه‌های کوانتومی آسیب‌پذیر خواهند شد. با نفوذ این فناوری به دنیای واقعی، رمزهای عبور، اطلاعات حساس و زیرساخت‌های مالی در معرض خطر بزرگی قرار می‌گیرند.
بنابراین، در حالی که رایانه‌های کوانتومی نوید انقلابی بزرگ در دنیای فناوری را می‌دهند، چالش‌های فنی و خطرات امنیتی آن‌ها نیز نباید نادیده گرفته شود. آینده نیازمند راهکارهای رمزنگاری مقاوم در برابر تهدیدات کوانتومی است تا بتوان از دارایی‌های دیجیتال و اطلاعات خصوصی در عصر جدید محافظت کرد.

مطلب پیشنهادی: آسیب‌پذیری قراردادهای هوشمند

سخن پایانی

رایانه‌های کوانتومی به دلیل قدرت پردازشی خارق‌العاده‌شان، تحولی بزرگ در دنیای فناوری ایجاد کرده‌اند. این توانایی بی‌نظیر، از یک سو، فرصت‌هایی چشمگیر برای پیشرفت علمی و صنعتی فراهم می‌کند و از سوی دیگر، زنگ خطری برای امنیت اطلاعات به صدا درآورده است. همین قدرت پردازشی باعث شده کارشناسان پیشنهاد دهند که دسترسی به این فناوری تنها به کشورهای هم‌پیمان و مورد اعتماد محدود شود تا از سوءاستفاده‌های احتمالی جلوگیری شود.
در این میان، رایانه‌های کوانتومی و بلاکچین به عنوان دو نیروی متضاد مطرح شده‌اند. در حالی که بلاکچین بر مبنای رمزنگاری قدرتمند بنا شده، کامپیوترهای کوانتومی این رمزنگاری‌ها را در زمانی کوتاه قابل شکست می‌کنند. این تضاد نشان می‌دهد که برای حفظ امنیت اطلاعات در دنیای آینده، باید به سرعت به توسعه‌ی روش‌های رمزنگاری مقاوم در برابر حملات کوانتومی روی آورد. رایانش کوانتومی به همان اندازه که نویدبخش است، تهدیدی بالقوه برای زیرساخت‌های دیجیتال محسوب می‌شود و نیازمند مدیریت دقیق و سیاست‌گذاری هوشمندانه خواهد بود.