شرح بسيط لماهية الحوسبة الكمومية بالفعل، ولماذا تُعدّ مخيفة بالنسبة إلى بيتكوين

في هذا الأسبوع، نشرت Google ورقةً تصف كيف يمكن للحاسوب الكمي — بشكل نظري — أن يستنتج مفتاح بيتكوين الخاص في 9 دقائق، مع تداعيات تمتد إلى Ethereum والرموز الأخرى والبنوك الخاصة، وربما إلى كل شيء في العالم.

من السهل الخلط بين الحوسبة الكمية وبين نسخة أسرع من كمبيوتر عادي. لكن الأمر ليس شريحةً أقوى أو مزرعة خوادم أكبر. بل هو نوع مختلف جوهريًا من الآلات، مختلف على مستوى الذرة نفسها.

يبدأ الحاسوب الكمي بحلقة صغيرة جدًا و شديدة البرودة من المعدن، تبدأ فيها الجسيمات بالتصرف بطرق لا تتصرف بها في الظروف العادية على الأرض، وهي طرق تغيّر ما نعتقده كقواعد أساسية للفيزياء.

إن فهم ما يعنيه ذلك فيزيائيًا هو الفرق بين قراءة التهديد الكمي وبين استيعابه فعليًا.

كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر والحواسيب الكمية فعليًا

تخزن أجهزة الكمبيوتر العادية المعلومات على شكل بتات — كل واحد منها إما 0 أو 1. البت هو مفتاح صغير جدًا. من الناحية الفيزيائية، هو ترانزستور على “شريحة” — بوابة مجهرية تسمح بمرور الكهرباء (1) أو لا تسمح (0).

كل صورة، كل معاملة بيتكوين، كل كلمة سبق أن كتبتها، تُخزَّن على هيئة أنماط لهذه المفاتيح وهي إمّا في وضع التشغيل أو الإيقاف. لا يوجد شيء غامض بشأن البت؛ فهو جسمٌ مادي في إحدى الحالتين المحددتين.

كل عملية حسابية ما هي إلا تحريك هذه الأصفار والآحاد بسرعة كبيرة. يمكن لشريحة حديثة تنفيذ مليارات من هذه العمليات في كل ثانية، لكنها تظل تقوم بها واحدًا تلو الآخر، بالتسلسل.

تستخدم الحواسيب الكمية شيئًا يُعرف باسم الكيوبت بدلًا من البتات. يمكن أن يكون الكيوبت 0 أو 1 أو — والجزء الغريب — كليهما في الوقت نفسه!

هذا ممكن لأن الكيوبت هو نوع مختلف تمامًا من الأجسام الفيزيائية. النسخة الأكثر شيوعًا — والتي تستخدمها Google — عبارة عن حلقة صغيرة من معدن فائق التوصيل تُبرَّد إلى حوالي 0.015 درجة فوق الصفر المطلق، أبرد من الفضاء الخارجي لكنها هنا على الأرض.

عند درجة الحرارة تلك، يتدفق التيار داخل الحلقة دون أي مقاومة، ويُقال إن التيار موجود في حالة كمومية.

في الحلقة فائقة التوصيل، يمكن أن يتدفق التيار باتجاه عقارب الساعة (سميه 0) أو عكس اتجاه عقارب الساعة (سميه 1). لكن على المقاييس الكمومية، لا يتعين على التيار اختيار اتجاه واحد، بل يتدفق في كلا الاتجاهين في الوقت نفسه.

لا تظنها مجرد تبديل بين الاتجاهين بسرعة كبيرة. التيار موجود — بشكل قابل للقياس والتجربة والتحقق — في الحالتين معًا في آنٍ واحد.

(CoinDesk)

فيزياء تُذهل العقل

هل نحن معكم حتى الآن؟ رائع، لأن هنا تصبح الأمور غريبة حقًا، لأن الفيزياء الكامنة وراء طريقة عملها ليست بديهية على الفور، ولا يُفترض أن تكون كذلك.

كل ما يتعامل معه أي شخص في حياته اليومية يخضع للفيزياء الكلاسيكية، والتي تفترض أن الأشياء موجودة في مكان واحد في وقت واحد. لكن الجسيمات لا تتصرف بهذه الطريقة على المستوى دون الذري.

لا يمتلك الإلكترون موقعًا محددًا حتى تنظر إليه. لا يمتلك الفوتون استقطابًا محددًا حتى تقيسه. ولا يتدفق التيار داخل حلقة فائقة التوصيل في اتجاه محدد حتى تُجبره على اختيار ذلك.

السبب في أننا لا نختبر ذلك في حياتنا اليومية هو الاضمحلال التماسكوي (decoherence). عندما يتفاعل نظام كمومي مع بيئته — جزيئات الهواء والحرارة والاهتزازات والضوء — ينهار التراكب تقريبًا فورًا.

لا يمكن لكرة قدم أن تكون في مكانين في الوقت نفسه لأنها تتفاعل مع تريليونات من جزيئات الهواء والغبار والصوت والحرارة والجاذبية، إلخ، كل نانوثانية. لكن إذا عزلت تيارًا صغيرًا في فراغ قريب من الصفر المطلق، وحميته من كل اضطراب ممكن، فإن السلوك الكمومي يبقى محفوظًا مدةً كافية لإجراء الحساب.

لهذا السبب من الصعب جدًا بناء الحواسيب الكمية. يعمل الناس على هندسة بيئات فيزيائية تُبعد — لمدة كافية فقط — القوانين الفيزيائية التي تمنع عادةً حدوث هذه الأمور.

تعمل آلات Google في ثلاجات التخفيف (dilution refrigerators) بحجم غرف ضخمة، أبرد من أي شيء في الكون الطبيعي، ومُحاطة بطبقات من العزل ضد الضوضاء الكهرومغناطيسية والاهتزاز والإشعاع الحراري.

وأيضًا الكيوبتات هشة حتى في ذلك الحين. فهي تفقد حالتها الكمومية باستمرار، ولهذا تهيمن “تصحيح الأخطاء” على كل حديث حول التوسع.

لذلك ليست الحوسبة الكمية مجرد نسخة أسرع من الحوسبة الكلاسيكية. إنها تستغل مجموعة مختلفة من القوانين الفيزيائية التي لا تنطبق إلا على المقاييس شديدة الصغر، وعلى درجات حرارة شديدة الانخفاض، وعلى أطر زمنية شديدة القِصر.

(CoinDesk)

الآن اعمل مقارنة لذلك.

يمكن لبتّين عاديين أن يكونا في واحدة من أربع حالات (00, 01, 10, 11)، لكن واحدة فقط في كل مرة (لأن التيار يتدفق في اتجاه واحد فقط). يمكن لاثنين من الكيوبتات تمثيل جميع الحالات الأربع في الوقت نفسه، لأن التيار يتدفق في جميع الاتجاهات في الوقت نفسه.

ثلاثة كيوبتات تمثل ثماني حالات. عشرة كيوبتات تمثل 1,024. خمسون كيوبتًا تمثل أكثر من كوادريليون. يتضاعف العدد مع كل كيوبت تتم إضافته، ولهذا يكون التوسع أسيًا جدًا.

الحيلة الثانية هي شيء يُسمى التشابك (entanglement). عندما يكون كيوبتان في حالة تشابك، فإن قياس أحدهما يخبر فورًا المراقب بشيء عن الآخر، بغض النظر عن مدى بُعدهما. وهذا يسمح للحاسوب الكمي بالتنسيق عبر كل تلك الحالات المتزامنة بطريقة لا يستطيع بها الحوسبة المتوازية العادية.

كما أن أجهزة الحاسوب الكمية هذه مُهيأة بحيث تُلغي الإجابات الخاطئة بعضها بعضًا (مثل الموجات المتداخلة التي تُسطّح)، بينما تُعزّز الإجابات الصحيحة بعضها بعضًا (مثل الموجات التي تتراكب فيعلو). في نهاية الحساب، تكون الإجابة الصحيحة هي ذات أعلى احتمال لأن يتم قياسها.

لذا فالأمر ليس سرعة مبنية على القوة الغاشمة. بل هو نهج مختلف جوهريًا في الحساب — يسمح للطبيعة باستكشاف مساحة هائلة أسيًا من الإمكانيات ثم ينهار إلى الإجابة الصحيحة عبر الفيزياء وليس عبر المنطق.

تهديد هائل للتشفير

هذه الفيزياء التي تُذهل العقل هي سبب كونها مروعة بالنسبة للتشفير.

يعتمد علم الرياضيات الذي يحمي بيتكوين على افتراض أن التحقق من كل مفتاح ممكن سيستغرق وقتًا أطول من عمر الكون.

لكن الحاسوب الكمي لا يتحقق من كل مفتاح. إنه يستكشف كل المفاتيح في الوقت نفسه ويستخدم التداخل لإبراز المفتاح الصحيح.

وهنا يرتبط ذلك ببيتكوين. الانتقال في اتجاه واحد، من المفتاح الخاص إلى المفتاح العام، يستغرق أجزاءً من الثانية بالمللي ثانية. أما الانتقال في الاتجاه الآخر، من المفتاح العام مرة أخرى إلى المفتاح الخاص، فسيأخذ من الحاسوب الكلاسيكي مليون سنة، أو حتى أطول من عمر الكون. عدم التناظر هذا هو الشيء الوحيد الذي يثبت أن شخصًا ما يمتلك عملاته.

(CoinDesk)

يمكن لحاسوب كمي يعمل بخوارزمية تُسمى Shor’s أن يعكس هذا “المنزلق” (trapdoor) للخلف. أظهرت ورقة Google هذا الأسبوع أنه يمكنه القيام بذلك بموارد أقل بكثير مما قدّره أي شخص سابقًا، وخلال إطار زمني ينافس تأكيدات البلوكات الخاصة ببيتكوين.

لهذا السبب فإن تهديد قيام الحواسيب الكمية بكسر تشفير البلوكشين هو أمر يجعل الجميع قلقين جدًا بالفعل.

كيف يعمل هذا الهجوم خطوة بخطوة، وما الذي غيّرته ورقة Google تحديدًا، وما الذي يعنيه ذلك بالنسبة لـ 6.9 مليون بيتكوين تم كشفها بالفعل، هو موضوع القطعة التالية في هذه السلسلة.