ما هي الحوسبة الكمومية؟ وأوضح العصر القادم من التطور الحسابي

عندما تصادف مصطلح "الكمبيوتر الكمي" لأول مرة، فقد تمرره على أنه مفهوم خيال علمي بعيد المدى بدلاً من كونه خبرًا جديًا حاليًا.

ولكن مع تزايد تكرار هذه العبارة، من المفهوم أن نتساءل بالضبط عن ماهية أجهزة الكمبيوتر الكمومية، ومن المفهوم أيضًا أن نكون في حيرة بشأن المكان الذي يجب أن نتعمق فيه. فيما يلي ملخص عن ماهية أجهزة الكمبيوتر الكمومية، ولماذا يوجد الكثير من الضجيج حولها، وما قد تعنيه بالنسبة لك.

ما هي الحوسبة الكمومية، وكيف تعمل؟

تعتمد جميع عمليات الحوسبة على البتات، وهي أصغر وحدة من المعلومات يتم تشفيرها كحالة "تشغيل" أو حالة "إيقاف"، ويشار إليها بشكل أكثر شيوعًا بالرقم 1 أو 0، في بعض الوسائط المادية أو غيرها.

في معظم الأحيان، يأخذ جزء منها الشكل المادي للإشارة الكهربائية التي تنتقل عبر الدوائر الموجودة في اللوحة الأم للكمبيوتر. من خلال ربط عدة أجزاء معًا، يمكننا تمثيل أشياء أكثر تعقيدًا وإفادة مثل النص والموسيقى والمزيد.

الفرقان الرئيسيان بين البتات الكمومية والبتات "الكلاسيكية" (من أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم) هما الشكل المادي الذي تتخذه البتات، وبالتالي طبيعة البيانات المشفرة فيها. يمكن للبتات الكهربائية للكمبيوتر الكلاسيكي أن تتواجد فقط في حالة واحدة في كل مرة، إما 1 أو 0.

البتات الكمومية (أو "البتات الكمومية") مصنوعة من جزيئات دون الذرية، أي الفوتونات أو الإلكترونات الفردية. ولأن هذه الجسيمات دون الذرية تتوافق مع قواعد ميكانيكا الكم أكثر من الميكانيكا الكلاسيكية، فإنها تظهر الخصائص الغريبة للجسيمات الكمومية. وأبرز هذه الخصائص بالنسبة لعلماء الكمبيوتر هو التراكب. هذه هي فكرة أن الجسيم يمكن أن يوجد في حالات متعددة في وقت واحد، على الأقل حتى يتم قياس تلك الحالة وانهيارها في حالة واحدة. ومن خلال تسخير خاصية التراكب هذه، يستطيع علماء الكمبيوتر القيام بذلك جعل البتات الكمومية تشفر 1 و0 في نفس الوقت.

الميزة الأخرى في ميكانيكا الكم التي تجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية تدق هي التشابك، وهو ربط بين جسيمين كميين، أو في هذه الحالة، اثنين من الكيوبت. عندما يتشابك الجسيمان، فإن التغير في حالة أحد الجسيمين سيغير حالة شريكه في أ طريقة يمكن التنبؤ بها، والتي تكون مفيدة عندما يحين وقت الحصول على حاسوب كمي لحساب إجابة المشكلة أنت تطعمه.

تبدأ البتات الكمومية للكمبيوتر الكمومي في حالتها الهجينة 1 و0 عندما يبدأ الكمبيوتر في البداية في معالجة المشكلة. عندما يتم العثور على الحل، تنهار البتات الكمومية في التراكب إلى الاتجاه الصحيح لـ 1s و0s المستقرة لإعادة الحل.

ما فائدة الحوسبة الكمومية؟

وبصرف النظر عن حقيقة أنها بعيدة عن متناول الجميع باستثناء فرق البحث النخبة (ومن المرجح أن تظل على هذا النحو لفترة من الوقت)، فإن معظمنا لا يستخدم الكثير من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. فهي لا تقدم أي ميزة حقيقية مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية بالنسبة لأنواع المهام التي نقوم بها في معظم الأوقات.

ومع ذلك، حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية تواجه صعوبة في حل بعض المشكلات بسبب التعقيد الحسابي المتأصل فيها. وذلك لأن بعض الحسابات لا يمكن تحقيقها إلا بالقوة الغاشمة، والتخمين حتى يتم العثور على الإجابة. وينتهي بهم الأمر بالعديد من الحلول الممكنة، مما قد يستغرق آلاف السنين حتى تتمكن جميع أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم مجتمعة من العثور على الحل الصحيح.

يمكن لخاصية التراكب التي تظهرها الكيوبتات أن تسمح للحواسيب العملاقة بتقليل وقت التخمين بشكل كبير. إن حسابات التجربة والخطأ الشاقة التي تقوم بها الحوسبة الكلاسيكية لا يمكنها إلا أن تقوم بتخمين واحد في كل مرة، في حين أن الحالة المزدوجة 1 و0 للبتات الكمومية للكمبيوتر الكمومي تتيح له إجراء تخمينات متعددة في نفس الوقت وقت.

إذًا، ما نوع المشاكل التي تتطلب كل هذا الحساب التخميني الذي يستغرق وقتًا طويلاً؟ أحد الأمثلة على ذلك هو محاكاة الهياكل الذرية، خاصة عندما تتفاعل كيميائيًا مع تلك الموجودة في الذرات الأخرى. باستخدام الكمبيوتر الكمي الذي يعمل على تشغيل النمذجة الذرية، يمكن للباحثين في علم المواد إنشاء مركبات جديدة لاستخدامها في الهندسة والتصنيع. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية مناسبة تمامًا لمحاكاة أنظمة معقدة مماثلة مثل قوى السوق الاقتصادية، أو ديناميكيات الفيزياء الفلكية، أو أنماط الطفرات الجينية في الكائنات الحية، على سبيل المثال لا الحصر.

وسط كل هذه التطبيقات غير الضارة بشكل عام لهذه التكنولوجيا الناشئة، هناك أيضًا بعض استخدامات أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تثير مخاوف جدية. إلى حد بعيد، فإن الضرر الأكثر شيوعًا هو إمكانية قيام أجهزة الكمبيوتر الكمومية بذلك كسر بعض أقوى خوارزميات التشفير المستخدمة حاليًا.

في أيدي حكومة أجنبية عدوانية، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تعرض للخطر مجموعة واسعة من الأجهزة من حركة المرور الآمنة على الإنترنت، مما يجعل الاتصالات الحساسة عرضة للانتشار على نطاق واسع مراقبة. ويجري العمل حاليًا على تطوير شفرات التشفير بناءً على حسابات لا تزال صعبة حتى أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها القيام بذلك، لكنها ليست كلها جاهزة للعمل في وقت الذروة، أو معتمدة على نطاق واسع في الوقت الحاضر.

هل الحوسبة الكمومية ممكنة حتى؟

منذ ما يزيد قليلاً عن عقد من الزمن، كان التصنيع الفعلي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بالكاد في مراحله الأولية. ومع ذلك، بدءًا من عام 2010، بدأ تطوير نماذج أولية فعّالة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. قام عدد من الشركات بتجميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية العاملة منذ بضع سنوات مضت، حيث ذهبت شركة IBM إلى حد السماح للباحثين والهواة تشغيل برامجهم الخاصة عليه عبر السحابة.

على الرغم من الخطوات التي قطعتها شركات مثل IBM بلا شك لبناء نماذج أولية فعالة، إلا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال في مهدها. حاليًا، تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي بنتها فرق البحث حتى الآن الكثير من النفقات العامة لتنفيذ تصحيح الأخطاء. مقابل كل كيوبت يقوم فعليًا بإجراء عملية حسابية، هناك العشرات من الكيوبتات التي تتمثل مهمتها في التعويض عن خطأ الواحد منها. إن مجموع كل هذه البتات الكمومية يشكل ما يسمى "الكيوبت المنطقي".

باختصار، نجح عمالقة الصناعة والأكاديميون في جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل، لكنهم يفعلون ذلك بشكل غير فعال للغاية.

من لديه حاسوب كمي؟

لا تزال المنافسة الشرسة بين الباحثين في مجال الكمبيوتر الكمومي محتدمة، بين اللاعبين الكبار والصغار على حد سواء. من بين أولئك الذين لديهم أجهزة كمبيوتر كمومية عاملة هناك شركات التكنولوجيا المهيمنة تقليديًا: آي بي إم، وإنتل، ومايكروسوفت، وجوجل.

على الرغم من صعوبة المشروع وتكاليفه مثل إنشاء كمبيوتر كمي، إلا أن هناك عددًا مذهلاً من الشركات الصغيرة وحتى الشركات الناشئة التي ترقى إلى مستوى التحدي.

الهزيل نسبيا لقد حفزت أنظمة D-Wave العديد من التطورات في هذا المجال وأثبتت أنها لم تكن خارج نطاق الخلاف من خلال الرد على إعلان Google المهم بأخبار أ صفقة ضخمة مع مختبرات لوس ألاموس الوطنية. ومع ذلك، فإن المنافسين الأصغر حجمًا مثل Rigetti Computing يتنافسون أيضًا ترسيخ أنفسهم كمبتكرين في مجال الحوسبة الكمومية.

اعتمادًا على من تسأل، سوف تحصل على مرشح مختلف لأقوى كمبيوتر كمي. من المؤكد أن Google قدمت قضيتها مؤخرًا من خلال تحقيق التفوق الكمي، وهو مقياس ابتكرته Google بنفسها بشكل أو بآخر. التفوق الكمي هو النقطة التي يكون فيها الكمبيوتر الكمي قادرًا لأول مرة على التفوق على الكمبيوتر الكلاسيكي في بعض العمليات الحسابية. نموذج جوجل سيكامور الأولي المجهز بـ 54 كيوبتًا كان قادرًا على كسر هذا الحاجز عن طريق حل مشكلة في أقل من ذلك بقليل ثلاث دقائق ونصف تستغرق أقوى حاسوب عملاق كلاسيكي 10,000 سنة لتصنيعها خلال.

وحتى لا يتفوق عليها أحد، تفتخر شركة D-Wave بأن الأجهزة التي ستزودها قريبًا إلى لوس ألاموس يبلغ وزن كل منها 5000 كيوبت، على الرغم من أنه تجدر الإشارة إلى ذلك لقد تم التشكيك في جودة البتات الكمومية الخاصة بـ D-Wave من قبل. لم تحقق شركة IBM نفس النوع من النجاح الذي حققته Google وD-Wave في العامين الماضيين، ولكن لا ينبغي أن يتم احتسابهما حتى الآن، خاصة بالنظر إلى مسارهما سجل الإنجازات البطيئة والثابتة.

وببساطة، فإن السباق على أقوى كمبيوتر كمي في العالم مفتوح على مصراعيه كما كان من قبل.

هل ستحل الحوسبة الكمومية محل الحوسبة التقليدية؟

الإجابة المختصرة على هذا السؤال هي "ليس حقًا"، على الأقل في المستقبل القريب. تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية حجمًا هائلاً من المعدات وبيئات مضبوطة بدقة للعمل. تتطلب البنية الرائدة التبريد إلى درجات أعلى من الصفر المطلق، مما يعني أنها ليست عملية على الإطلاق بالنسبة للمستهلكين العاديين.

ولكن كما أثبت انفجار الحوسبة السحابية، فإنك لا تحتاج إلى امتلاك جهاز كمبيوتر متخصص لتسخير قدراته. كما ذكرنا سابقًا، تقدم شركة IBM بالفعل لعشاق التكنولوجيا الجريئين فرصة تشغيل البرامج على مجموعة فرعية صغيرة من أجهزة الكمبيوتر الخاصة بها. الكيوبتات الخاصة بنظام Q System One. ومع مرور الوقت، من المرجح أن تقوم شركة IBM ومنافسوها ببيع وقت الحوسبة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر قوة لأولئك المهتمين بتطبيقها على مشاكل غامضة.

ولكن إذا لم تكن تبحث في أنواع المشكلات الصعبة للغاية التي تهدف أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى حلها، فمن المحتمل أنك لن تتفاعل معها كثيرًا. في الواقع، تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية في بعض الحالات أسوأ في نوع المهام التي نستخدمها لأجهزة الكمبيوتر كل يوم، وذلك لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية شديدة التخصص. ما لم تكن أكاديميًا تدير هذا النوع من النمذجة التي تزدهر فيها الحوسبة الكمومية، فمن المحتمل أنك لن تحصل على واحدة أبدًا، ولن تحتاج إلى ذلك أبدًا.

توصيات المحررين

• ما هو GDDR7؟ كل ما تحتاج لمعرفته حول الجيل التالي من VRAM
• تعتقد شركة Intel أن وحدة المعالجة المركزية (CPU) القادمة لديك تحتاج إلى معالج AI - وهذا هو السبب
• Surface Pro 10: إليك ما يمكن توقعه من الجيل القادم
• لقد قام ChatGPT للتو بتوصيل نفسه بالإنترنت. ماذا حدث بعد ذلك؟
• هل جهاز Mac Mini M2 من Apple جيد؟ إليك ما تقوله المراجعات