جهانی اول: رایانه کوانتومی بیت هایی از تصادفی غیرقابل پیش بینی تولید می کند

محققان با استفاده از یک ماشین قدرتمند متشکل از 56 بیت کوانتومی یون به دام افتاده یا qubits ، یک بار به چیزی غیرممکن می رسیدند. آنها برای اولین بار ثابت کرده اند که یک کامپیوتر کوانتومی می تواند بیت های تصادفی تولید کند قابل اعتبار تصادفی – با استفاده از ابر رایانه های کلاسیک تأیید شد. این پیشرفت فراتر از تئوری است ، نشان می دهد که رایانه های کوانتومی اکنون می توانند مشکلات دنیای واقعی را حل کنند که کلاسیک ها به راحتی نمی توانند از عهده آن برآیند.

در سال 2018 ، دانشمند دانشگاه تگزاس در آستین پروتکل را برای تولید تصادفی به روشی پیشنهاد داد که می تواند به عنوان واقعاً غیرقابل پیش بینی گواهی شود. آن دانشمند ، اسکات هارونسون ، اکنون می بیند که این ایده به یک واقعیت کار تبدیل شده است. آرونسون ، که اکنون یک مرکز کوانتومی را در یک دانشگاه بزرگ هدایت می کند ، گفت: “وقتی من برای اولین بار پروتکل تصادفی معتبر خود را در سال 2018 پیشنهاد کردم ، هیچ ایده ای نداشتم که چه مدت باید صبر کنم تا یک تظاهرات آزمایشی از آن را ببینم.”

این آزمایش بر روی یک کامپیوتر کوانتومی 56 ضریب برش ، از راه دور از طریق اینترنت انجام شد. این دستگاه متعلق به شرکتی است که اخیراً ارتقاء قابل توجهی به سیستم خود انجام داده است. این تیم تحقیق شامل کارشناسان آزمایشگاه فناوری بزرگ بانک ، مراکز تحقیقاتی ملی و دانشگاه ها بود.

برای تولید تصادفی معتبر ، تیم از روشی به نام نمونه گیری مدار تصادفی یا RCS استفاده کرد. ایده این است که از رایانه کوانتومی مجموعه ای از مشکلات سخت که به عنوان مدارهای چالش شناخته می شود ، تغذیه کنیم. رایانه باید با انتخاب بسیاری از نتایج ممکن به روشی که پیش بینی آن غیرممکن است ، آنها را حل کند. سپس ، ابر رایانه های کلاسیک برای تأیید اینکه آیا پاسخ ها واقعاً تصادفی هستند یا خیر ، قدم می گذارند.

اعداد تصادفی ممکن است یک چیز ساده به نظر برسد ، اما آنها در بسیاری از زمینه های زندگی مدرن یک ماده اصلی هستند. آنها به محافظت از داده های دیجیتال ، حفظ ارتباطات آنلاین و اطمینان از انصاف در مواردی مانند رای گیری آنلاین و سیستم های قرعه کشی کمک می کنند. اما مشکلی وجود دارد رایانه های کلاسیک نمی توانند تولید کنند بها اعداد تصادفی آنها به الگوریتم ها یا ژنراتورهای شماره تصادفی سخت افزاری متکی هستند ، که می توانند دستکاری شوند.

اگر یک هکر کنترل یک ژنراتور شماره تصادفی کلاسیک را بدست آورد ، می تواند خروجی های آن را پیش بینی کند. این یک تهدید بزرگ برای رمزنگاری است – ابزاری که از داده ها و ارتباطات خصوصی شما محافظت می کند. اما با تصادفی دارای گواهینامه کوانتومی ، حتی اگر کسی کنترل سخت افزار کوانتومی را به دست بگیرد ، نمی تواند خروجی را جعلی کند و هنوز هم آزمایش های ریاضی را که اثبات شده تصادفی است ، گذراند.

مارکو پیستویا ، محقق اصلی در یک بانک بزرگ جهانی گفت: “این توسعه تصادفی معتبر نه تنها پیشرفت در سخت افزار کوانتومی را نشان می دهد ، بلکه برای تحقیقات بیشتر ، نمونه گیری آماری ، شبیه سازی های عددی و رمزنگاری بسیار حیاتی خواهد بود.”

پروتکل مورد استفاده برای اثبات تصادفی دو مرحله داشت. در وهله اول ، تیم پازل های سخت حل و فصل را به رایانه کوانتومی ارسال کرد. این معماها به حدی پیچیده هستند که رایانه های کلاسیک – حتی بهترین آنها روی زمین – نمی توانند آنها را به اندازه کافی سریع حل کنند. از طرف دیگر ، رایانه کوانتومی مجبور شد از بسیاری از پاسخ های صحیح ممکن ، یک انتخاب تصادفی را انتخاب کند.

سپس مرحله دوم آمد. این تیم با استفاده از ابر رایانه های کلاسیک که در آزمایشگاه های تحقیقاتی برتر پخش شده اند ، تأیید کردند که آیا خروجی واقعاً تصادفی بوده است. این ابر رایانه ها با یک قدرت ترکیبی 1.1 اگزوزفلوپ کار می کردند-این عملیات 1.1 کوئینتیون با نقطه شناور در هر ثانیه. این یک سطح ذهن آزار دهنده از قدرت پردازش است.

با تشکر از این تلاش محاسباتی گسترده ، این تیم توانست 71،313 بیت آنتروپی را تأیید کند. به عبارت ساده تر ، آنها بیش از 71000 بیت تصادفی تازه و خالص را تأیید کردند که هیچ هکر ، جاسوسی یا بازیگر نامشخص نمی توانست پیش بینی یا جعلی کند.

پیستویا گفت: “این کار نقطه عطف اصلی در محاسبات کوانتومی است.” “این یک راه حل برای یک چالش در دنیای واقعی با استفاده از یک رایانه کوانتومی فراتر از قابلیت های ابر رایانه های کلاسیک امروز است.”

رایانه کوانتومی مورد استفاده در این پروژه فقط یک ماشین حساب فانتزی نیست. این یکی از پیشرفته ترین دستگاه های ساخته شده تاکنون است. طراحی منحصر به فرد آن ، بر اساس فناوری یون به دام افتاده ، به هر quit اجازه می دهد تا با هر quit دیگر ارتباط برقرار کند. این اتصال به همه به همراه وفاداری بالا ، قدرت بی نظیری را در دنیای محاسبات امروز می بخشد.

در ژوئن سال 2024 ، این دستگاه به 56 Qubits کاملاً قابل استفاده ارتقا یافت و 100 برابر قدرت سیستم های قبلی را به دست آورد. این پرش در عملکرد به محققان کمک کرد تا سرانجام پروتکل تصادفی معتبر را انجام دهند و نتایج را با استفاده از روشهای کلاسیک تأیید کنند.

برتری کوانتومی ، اصطلاح مورد استفاده در هنگام یک کامپیوتر کوانتومی مشکلی را که هیچ رایانه ای کلاسیک نمی تواند ، قبلاً در آزمایش های قبلی ادعا کرده بود ، حل می کند. اما این تلاش های قبلی مشکلات دنیای واقعی را حل نکرد. اکنون ، با تصادفی بودن معتبر ، محققان فراتر از تئوری و عملی حرکت کرده اند.

دکتر رجئب هازرا ، مدیرعامل شرکتی که دستگاه کوانتومی را ساخت ، گفت: “امروز ، ما یک نقطه عطف مهم را جشن می گیریم که محاسبات کوانتومی را محکم به قلمرو برنامه های عملی و واقعی در دنیای واقعی می آورد.” وی افزود: رویکرد تصادفی کوانتومی آنها “استاندارد جدیدی را برای ارائه امنیت کوانتومی قوی و فعال کردن شبیه سازی های پیشرفته در صنایع تعیین می کند.”

این پروژه متخصصان چندین بخش را گرد هم آورده است: امور مالی ، تحقیق و آموزش عالی. هر گروه نقش کلیدی را ایفا می کرد. سخت افزار کوانتومی از یک شرکت پیشرو در فناوری آمده است. تأیید کلاسیک با استفاده از ابر رایانه های آزمایشگاه های ملی انجام شد. این حمایت نظری از محققان دانشگاه بود که برای اولین بار پروتکل را سالها پیش تصور می کردند.

تراویس هومبل ، مدیر دو برنامه کوانتومی در یک آزمایشگاه ملی گفت: “این نتایج در محاسبات کوانتومی توسط امکانات محاسبات انرژی در جهان در جهان فعال شده است.” “چنین تلاش های پیشگام مرزهای محاسبات را تحت فشار قرار می دهد و بینش ارزشمندی در مورد تقاطع محاسبات کوانتومی و محاسبات با کارایی بالا ارائه می دهد.”

این همکاری های سطح بالا بسیار مهم است. آنها مسیر را از تحقیق تا استفاده در دنیای واقعی ، تئوری آمیخته ، سخت افزار و قدرت محاسبات کلاسیک سرعت می بخشند. اکنون که تصادفی معتبر به اثبات رسیده است ، درهای جدید در حال باز شدن هستند.

کار آینده می تواند سیستم های امن تری را در امور مالی ، مراقبت های بهداشتی ، دفاع ملی و ارتباطات به ارمغان بیاورد. این ممکن است پایه و اساس یک زمینه کامل از محاسبات عملی و قابل اعتماد کوانتومی باشد – بدون داستان علمی طولانی تر ، اما واقعیت علمی.

یافته های تحقیق به صورت آنلاین در مجله Nature در دسترس است.