الحوسبة الكمومية: معناها ومزاياها والمزيد

كمية الحوسبة هو تطبيق مبادئ ميكانيكا الكم في إجراء العمليات الحسابية. الظواهر الأساسية المستخدمة هنا هي تشابك و تراكب.

في حين أن الحوسبة الكمومية مصطلح حديث نسبيًا، إلا أن ميكانيكا الكم موجودة منذ زمن أطول. وقد ساهمت في تطورات كبيرة في صناعة الإلكترونيات، كما أنها تُقدم إجابات للعديد من ألغاز البشرية.

تركز ميكانيكا الكم على كيفية عمل الذرات والجسيمات دون الذرية، في حين تشير كلمة الكم إلى أصغر جسيم يمكن التعامل معه. وهذا هو اللبنة الأساسية لأي جسم مادي.

من ماكس بلانك إلى ألبرت أينشتاين، ونيلز بور، وإروين شرودنغر، شارك العديد من العلماء العظماء في تطوير ميكانيكا الكم ووصولها في النهاية إلى سباق الحوسبة الكمومية - أحد أعظم سباقات التكنولوجيا في عصرنا.

يأخذك هذا المنشور إلى العالم السحري للظواهر الكمومية، ويوضح لك كيفية صنع جهاز كمبيوتر منها، ويستكشف المجالات ذات الصلة بها.

عمل مخيف عن بعد

إن الظواهر الكمومية تتحدى الفهم التقليدي وتعمل وفقًا لمصطلحات مختلفة تمامًا عن الفيزياء الكلاسيكية. لذا، في ثلاثينيات القرن العشرين، استخدم أينشتاين عبارة "الفعل المخيف عن بعد" لوصف ظاهرة التشابك الكمومي وكيف لا تتناسب مع العلوم التقليدية.

التشابك الكمي ليس بالأمر الجديد. فإذا قمت بإنشاء جسيمين في نفس المكان وفي نفس اللحظة، فإنهما يصبحان متشابكين. وهذا يعني أن كل ما يحدث لأحدهما يؤثر على الآخر.

إنه مثل الوقوع في الحب وتلقي مكالمة كلما فكرت في حبيبك. أو إجراء مكالمة وسماع عبارة "كنت على وشك الاتصال بك". ومن المعروف أيضًا أن التوائم المتطابقة يصابون بالمرض في نفس الوقت.

والجزء الأكثر إثارة للرعب في التشابك الكمي هو أنه يمكنك أخذ أحد الجسيمات المتشابكة إلى مسافة بعيدة. وأيًا كانت الظروف التي تخضع لها فإن الجسيم الثاني سيؤثر على الفور، حتى من مسافة نصف مجرة.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه الخاصية لتخزين كميات هائلة من المعلومات حول جسيمات متعددة في وقت واحد. تسمى هذه الجسيمات كيوبتات أو بتات كمية، ولكن أولاً، دعونا نلقي نظرة على الظاهرة الميكانيكية الكمومية الثانية.

إروين شرودنغر وقطته

كان الفيزيائي النمساوي إروين شرودنجر من أوائل الباحثين في مجال الكم، وهو الذي وجد، مثل ألبرت أينشتاين، أن أجزاء من الظواهر الكمومية سخيفة. لذا، توصل إلى التجربة الفكرية الشهيرة التي أطلق عليها "قط شرودنجر" لتصور مفارقة التراكب الكمومي.

تنص هذه التجربة على أنه إذا وضعت قطة وشيء آخر يمكن أن يقتلها في صندوق وأغلقته بإحكام، فلن تعرف ما إذا كانت القطة ميتة أم حية حتى تفتح الصندوق. لذا، فمن المنطقي أن القطة كانت ميتة وحية حتى تفتح الصندوق.

إن التراكب هو الظاهرة الثانية التي تجعل الحوسبة الكمومية ممكنة. فبينما تعمل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ببتات من المعلومات يمكنها إما أن تمثل 1 أو 0 في أي وقت معين، تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ببتات كمية يمكنها أن تمثل 0 و1 في نفس الوقت، تمامًا مثل القطة التي كانت ميتة وحية في نفس الوقت.

فيما يلي نظرة عن قرب على البتات الكمومية.

البت مقابل الكيوبت

إن البت الكمومي هو ما يجعل الحوسبة الكمومية ممكنة. ويُشار إليه أيضًا باسم البت الكمومي أو كيوبت، وهو أصغر وحدة طاقة يمكنك التعامل معها لحفظ المعلومات واسترجاعها.

لا يمكن لبت الكمبيوتر العادي أن يكون سوى 0 أو 1 في أي وقت معين. بينما يمكن لبت الكم أن يكون كلاهما في نفس الوقت. وبالتالي، يمكن لبتّين عاديين أن يحملا 00 و01 و10 و11 في أي وقت معين. ولكن يمكن لبتّين كمّيين أن يحملا جميع الحالات الأربع في نفس الوقت. وهذا يعني دورات حوسبة أسرع بأربع مرات.

مع 3 بتات منتظمة، يمكنك الحصول على 000، 001، 010، 011، 100، 101، 110، و111 في أي وقت. لكن 3 بتات كمومية ستحمل جميع الحالات الثماني في نفس الوقت، مما يمنحك دورات حوسبة أسرع بـ 8 مرات. وكما ترى، هذه العلاقة أسيّة، ثم يضاعف كل بت إضافي كمية المعلومات المتاحة.

لذا، مع 5 كيوبتات، فإنك تنظر إلى 32 حالة متزامنة، ومع 10 كيوبتات، فإنك تنظر إلى أكثر من 1,000 حالة، ومع 20 كيوبتًا، فإنك تنظر إلى أكثر من مليون حالة. الآن، فكر في عدد الحالات التي يمكن أن نراها في الصورة. أجهزة كمبيوتر كمية بسعة 1,000 كيوبت يمكن أن تقام المشاريع التي تقوم شركتا IBM وGoogle بتطويرها في وقت واحد.

يمكنك صنع كيوبتات من الفوتونات، الإلكترونات، النوى الذرية، النقاط الكمومية, الموصلات الفائقة، وتطبيقات أخرى. والهدف هو إنشاء مجموعة مستقرة من البتات الكمومية للطاقة التي يمكنك ضبطها وقياسها بسهولة حسب رغبتك.

مزايا الحوسبة الكمومية

الميزة الرئيسية للحوسبة الكمومية هي الحصول على نتائج فورية للمسائل المعقدة. ويحدث هذا غالبًا في الحالات التي تتطلب اختيار الإجابة الصحيحة من بين احتمالات متعددة. وهذا يجعلها مثالية لتحليل الأعداد، والمحاكاة واسعة النطاق، والتعرف على الأنماط في الذكاء الاصطناعي.

النهج القياسي لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هو التحقق من كل احتمال حتى تجد ما تبحث عنه. وكثيراً ما يطلق على هذه العملية اسم البحث عن إبرة في كومة قش، ويعتمد مقدار الوقت الذي تستغرقه هذه العملية على كمية القش أو السجلات التي يتعين عليك غربلتها وعلى مدى سرعة جهازك.

إن أجهزة الكمبيوتر العملاقة تجعل مثل هذه المشاكل أسهل من خلال زيادة سرعة التحقق من كل احتمال. من ناحية أخرى، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية توليد كل الاحتمالات في وقت واحد، إذا توفرت كمية كافية من البتات الكمومية. ولهذا السبب يمكنها حساب المشاكل في بضع ساعات بينما تستغرق أجهزة الكمبيوتر العادية مئات إلى آلاف السنين لحسابها.

مشاكل الحوسبة الكمومية وحدودها

في حين أنه من السهل قياس البتات في جهاز كمبيوتر كلاسيكي، فإن قياس البت الكمومي يدمر حالته وحالة البتات الكمومية المتشابكة فيه.

كما أن البتات الكلاسيكية مصنوعة من مجموعة واسعة من المواد شبه الموصلة التي يتعين عليها فقط أن تحمل شحنة (1) أو لا تحملها (0). ومع ذلك، فإن البتات الكمومية أكثر تعقيدًا وصعوبة في التنفيذ. وبالإضافة إلى عزل البت الكمومي مكانيًا، فأنت بحاجة إلى حمايته من التداخل البيئي، مثل درجة الحرارة والتقلبات الكهروستاتيكية. لأن مثل هذه التغييرات البيئية الصغيرة ستفسد هذه الحالات أيضًا.

يُطلق على فقدان التشابك أو توازن النظام اسم فقدان التماسك الكمي، وهو المشكلة الرئيسية التي يحاول معظم الباحثين حلها. إنها مشكلة خطيرة لدرجة أن جهاز جوجل القادم الذي يحتوي على 1,000 كيوبت سيحتاج إلى ما يصل إلى 1,000 كيوبت لتصحيح الخطأ لكل كيوبت. مما يجعله جهازًا يحتوي على مليون كيوبت.

وهذا يعني أيضًا أنك لا تستطيع حاليًا التعامل مع الكمبيوتر الكمومي كما تفعل مع الكمبيوتر المحمول أو الهاتف الذكي. فالكمبيوتر يحتاج إلى ظروف معملية للحفاظ على مستوى آمن من الاستقرار لبتاته الكمومية.

وهناك عيب آخر يتمثل في النطاق المحدود لما يسمى بالتفوق الكمومي، لأن كل مشكلة حسابية لا تنطوي على كميات كبيرة من الأرقام أو الاحتمالات. وعلى هذا فإن الدفعة الحسابية في أغلب العمليات الأخرى لا تذكر إلى الحد الذي يبرر اتباع نهج الحوسبة الكمومية. وما لم تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أرخص من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، فإنها لن تحل محلها في أي وقت قريب.

وعلى الرغم من كل هذه العيوب، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية وبتاتها الكمومية تتمتع بإمكانات كبيرة في صناعة الكمبيوتر بسبب الأعداد الكبيرة التي يمكنها التعامل معها بسهولة.

هل هناك مخاطر للحوسبة الكمومية؟

نعم. كل مخترق ماهر يعلم أن لكل تقنية ثغرة. ما عليك سوى إيجادها. لذا، مهما كانت التطبيقات الفعلية للحواسيب الكمومية في المستقبل، ستظل هناك مشاكل في هذه التقنية، وهناك جهات فاعلة مستعدة لاستغلالها.

ينطبق هذا السيناريو على استخدامات مثل المصارف والتمويل والحكومة والأنشطة العامة المماثلة. أما السيناريو الثاني، فهو عندما يستغلّ فاعلٌ خبيثٌ القدرةَ الهائلةَ لحاسوبٍ كمّيٍّ جيدٍ لإنجاز عملٍ ما. وكما هو الحال دائمًا، لن يدرك الناس هذا الاحتمال إلا بعد تنفيذ العمل.

إن الحوسبة الكمومية تعمل بشكل جيد مع الأرقام. لذا فإن خوارزميات التشفير غير المتماثل التي تستخدم التحليل إلى عوامل، مثل RSA للمفتاح العام، ليست آمنة. من ناحية أخرى، فإن التجزئة والتشفير المتماثل، مثل AES-256 و512، بالإضافة إلى SHA-256 و512، آمنة نسبيًا.

تطبيقات أخرى لميكانيكا الكم

على الرغم من مدى الإثارة التي يتمتع بها عالم الحوسبة الكمومية، إلا أنه لا يزال مجرد جزء من ميكانيكا الكم. بعبارة أخرى، فإن حفل الكم بدأ للتو.

لقد لعبت ميكانيكا الكم دورًا فعالاً في تطوير أشباه الموصلات والإلكترونيات الحديثة. كما يجري العمل على الشبكات الكمومية والتشفير، مثل تلك الموجودة في سويسرا. رائد التشفير الكمي ID Quantiqueبالإضافة إلى ذلك، أظهرت الظواهر الكمومية أيضًا نتائج واعدة في العديد من مجالات البحث، بما في ذلك التمثيل الضوئي، ومستقبلات الرائحة، وحتى فهمنا للوقت.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية في العالم الحقيقي

هناك العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتطبيقات المماثلة. وهي تأتي من شركات متعددة الجنسيات كبيرة مثل جوجل وآي بي إم، وكذلك من الحكومات، وحتى من شركات أصغر مثل ريجيتي.

تُعد الحوسبة الكمومية حاليًا واحدة من أكثر مجالات البحث رواجًا على مستوى العالم. لذا فمن المحتمل أن يكون هناك برامج سرية أكثر مما يمكنك تخيله. فيما يلي بعض المشاريع الرئيسية:

• تمتلك شركة جوجل أجهزة 54 كيوبت و72 كيوبت
• تمتلك شركة IBM أكثر من 30 جهازًا منتشرًا في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك جهاز مانهاتن 65 كيوبت
• تعد الصين موطنًا للعديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية، بما في ذلك جهاز 76 كيوبت وحتى الاتصالات عبر الأقمار الصناعية الكمومية.
• لقد أمضى جهاز جوجل Sycamore ذو الـ 54 كيوبت 200 ثانية فقط لحساب ما قد يحتاجه أجهزة الكمبيوتر العملاقة 10,000 عام لحسابه.
• IBM تعمل على تطوير جهاز بسعة 1,000 كيوبت بحلول عام 2023
• تمتلك شركة Rigetti Computing أربعة أجهزة، بما في ذلك جهاز 31 كيوبت
• تعمل شركة جوجل على بناء مركز كمي جديد لإنشاء كمبيوتر يحتوي على 1,000 كيوبت بحلول عام 2029. ومع تصحيح الأخطاء، يمكن أن يصل إجمالي كيوبتات هذا الكمبيوتر إلى مليون.

خاتمة

إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة لتبقى. فهي ستخلق العديد من الفرص وتحل مشاكل العالم الحقيقي التي عانت منها أجهزة الكمبيوتر التقليدية لعقود من الزمن.

ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين علينا القيام به والتحديات التي يتعين علينا التغلب عليها قبل أن نصل إلى هذه النقطة. وحتى ذلك الحين، ربما تفاجئ الصين العالم.