ما هو الحوسبة الكمومية؟
الحوسبة الكمومية هي مجال من مجالات علوم الكمبيوتر التي تستخدم مبادئ النظرية الكمومية. تشرح النظرية الكمومية سلوك الطاقة والمادة على المستويات الذرية ودون الذرية.
يستخدم الحوسبة الكمومية الجسيمات دون الذرية، مثل الإلكترونات أو الفوتونات. تتيح البتات الكمومية، أو الكيوبتات، لهذه الجسيمات أن توجد في أكثر من حالة واحدة (أي 1 و0) في نفس الوقت.
نظريًا، يمكن للكيوبتات المرتبطة "استغلال التداخل بين حالاتها الكمومية الموجية لإجراء حسابات قد تستغرق ملايين السنين بطريقة أخرى."
تستخدم الحواسيب الكلاسيكية اليوم سلسلة من النبضات الكهربائية (1 و0) بطريقة ثنائية لترميز المعلومات في وحدات البت. هذا يحد من قدرتها على المعالجة مقارنة بالحوسبة الكمومية.
النقاط الرئيسية
- يستخدم الحوسبة الكمومية ظواهر فيزياء الكم لابتكار طرق جديدة للحوسبة.
- الحوسبة الكمومية تتضمن الكيوبتات.
- على عكس البت في الكمبيوتر العادي، الذي يمكن أن يكون إما 0 أو 1، يمكن للكيوبت أن يوجد في حالة متعددة الأبعاد.
- تزداد قوة الحواسيب الكمومية بشكل أسي مع زيادة عدد الكيوبتات.
- أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي تضيف المزيد من البتات يمكنها زيادة القوة بشكل خطي فقط.
فهم الحوسبة الكمومية
ظهر مجال الحوسبة الكمومية في الثمانينيات. تم اكتشاف أن بعض المشاكل الحسابية يمكن معالجتها بشكل أكثر كفاءة باستخدام الخوارزميات الكمومية مقارنة بنظيراتها الكلاسيكية.
الحوسبة الكمومية لديها القدرة على استعراض عدد هائل من الاحتمالات واستخلاص الحلول المحتملة للمشاكل والتحديات المعقدة. بينما تخزن الحواسيب التقليدية المعلومات كبتات إما 0 أو 1، تستخدم الحواسيب الكمومية الكيوبتات. تحمل الكيوبتات المعلومات في حالة كمومية تتفاعل مع 0 و1 بطريقة متعددة الأبعاد.
لقد جذبت هذه الإمكانيات الحاسوبية الهائلة وحجم السوق المتوقع لاستخدامها انتباه بعض من أبرز الشركات. وتشمل هذه الشركات IBM، Microsoft، Google، D-Waves Systems، Alibaba، Nokia، Intel، Airbus، HP، Toshiba، Mitsubishi، SK Telecom، NEC، Raytheon، Lockheed Martin، Rigetti، Biogen، Volkswagen، وAmgen.
استخدامات وفوائد الحوسبة الكمومية
يمكن أن تساهم الحوسبة الكمومية بشكل كبير في مجالات الأمن، التمويل، الشؤون العسكرية والاستخبارات، تصميم واكتشاف الأدوية، تصميم الطيران، المرافق (الاندماج النووي)، تصميم البوليمرات، التعلم الآلي، الذكاء الاصطناعي (AI)، البحث في البيانات الضخمة، والتصنيع الرقمي.
يمكن استخدام الحواسيب الكمومية لتحسين المشاركة الآمنة للمعلومات. أو لتحسين الرادارات وقدرتها على اكتشاف الصواريخ والطائرات. مجال آخر يُتوقع أن تساعد فيه الحوسبة الكمومية هو البيئة والحفاظ على نظافة المياه باستخدام أجهزة استشعار كيميائية.
فيما يلي بعض الفوائد المحتملة للحوسبة الكمومية:
- قد تتمكن المؤسسات المالية من استخدام الحوسبة الكمومية لتصميم محافظ استثمارية أكثر فعالية وكفاءة للعملاء الأفراد والمؤسسات. يمكنهم التركيز على إنشاء محاكيات تداول أفضل وتحسين اكتشاف الاحتيال.
- يمكن لصناعة الرعاية الصحية استخدام الحوسبة الكمومية لتطوير أدوية جديدة ورعاية طبية مستهدفة جينيًا. كما يمكن أن تدعم أبحاث الحمض النووي (DNA) الأكثر تقدمًا.
- لتعزيز الأمان عبر الإنترنت، يمكن للحوسبة الكمومية المساعدة في تصميم تشفير بيانات أفضل وطرق لاستخدام إشارات الضوء لاكتشاف المتسللين في النظام.
- يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتصميم طائرات أكثر كفاءة وأمانًا وأنظمة تخطيط حركة المرور.
ميزات الحوسبة الكمومية
التراكب والتشابك هما ميزتان من ميزات الفيزياء الكمومية التي تعتمد عليها الحوسبة الكمومية. تمكن هذه الميزات الحواسيب الكمومية من معالجة العمليات بسرعات أعلى بشكل أسي من الحواسيب التقليدية ومع استهلاك أقل بكثير للطاقة.
Superposition
وفقًا لشركة IBM، فإن ما يميز الكيوبت ليس ما هو عليه، بل ما يمكنه فعله. يضع الكيوبت المعلومات الكمية التي يحتويها في حالة تراكب. يشير هذا إلى مزيج من جميع التكوينات الممكنة للكيوبت. "يمكن لمجموعات من الكيوبتات في حالة التراكب أن تخلق مساحات حسابية معقدة ومتعددة الأبعاد. يمكن تمثيل المشكلات المعقدة بطرق جديدة في هذه المساحات."
التشابك الكمومي
التشابك هو جزء لا يتجزأ من قوة الحوسبة الكمومية. يمكن جعل أزواج من الكيوبتات تتشابك. وهذا يعني أن الكيوبتين يوجدان في حالة واحدة. في مثل هذه الحالة، فإن تغيير أحد الكيوبتات يؤثر مباشرة على الآخر بطريقة يمكن التنبؤ بها.
تم تصميم الخوارزميات الكمومية للاستفادة من هذه العلاقة لحل المشكلات المعقدة. في حين أن مضاعفة عدد البتات في الحاسوب التقليدي تضاعف من قدرته على المعالجة، فإن إضافة الكيوبتات تؤدي إلى زيادة أسية في قوة وقدرة الحوسبة.
الاضمحلال الكمي (Decoherence)
يحدث فك الترابط عندما يتلاشى السلوك الكمي للكيوبتات. يمكن أن تتعرض الحالة الكمية للاضطراب بشكل فوري بسبب الاهتزازات أو التغيرات في درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي ذلك إلى خروج الكيوبتات من حالة التراكب وظهور أخطاء في الحوسبة. من المهم حماية الكيوبتات من مثل هذه التداخلات باستخدام، على سبيل المثال، الثلاجات فائقة التبريد، والعزل، وغرف التفريغ.
قيود الحوسبة الكمومية
يقدم الحوسبة الكمومية إمكانيات هائلة للتطورات وحل المشكلات في العديد من الصناعات. ومع ذلك، فإنها حاليًا لديها بعض القيود.
- يمكن أن يكون فك الترابط، أو التحلل، ناتجًا عن أقل اضطراب في بيئة الكيوبت. يؤدي ذلك إلى انهيار العمليات الحسابية أو حدوث أخطاء فيها. كما ذُكر أعلاه، يجب حماية الحاسوب الكمي من أي تدخل خارجي خلال مرحلة الحوسبة.
- لم يتم إتقان تصحيح الأخطاء خلال مرحلة الحوسبة بعد. وهذا يجعل العمليات الحسابية غير موثوقة بشكل محتمل. نظرًا لأن الكيوبتات ليست بتات رقمية من البيانات، فإنها لا تستطيع الاستفادة من حلول تصحيح الأخطاء التقليدية المستخدمة في الحواسيب الكلاسيكية.
- يمكن أن يؤدي استرجاع النتائج الحسابية إلى تلف البيانات. التطورات مثل خوارزمية بحث قاعدة بيانات معينة التي تضمن أن عملية القياس ستؤدي إلى تلاشي الحالة الكمومية إلى الإجابة الصحيحة تحمل وعودًا.
- لم يتم تطوير الأمان والتشفير الكمي بشكل كامل بعد.
- يمنع نقص الكيوبتات أجهزة الكمبيوتر الكمومية من تحقيق إمكاناتها للاستخدام المؤثر. لم يتمكن الباحثون من إنتاج أكثر من 128 كيوبت حتى عام 2019.
وفقًا لشركة إيبردولا، الرائدة عالميًا في مجال الطاقة، "يجب أن تعمل الحواسيب الكمومية في ظروف تكاد تكون خالية من الضغط الجوي، ودرجة حرارة محيطة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية)، وعزل عن المجال المغناطيسي للأرض لمنع الذرات من التحرك أو التصادم مع بعضها البعض أو التفاعل مع البيئة."
"بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه الأنظمة تعمل فقط لفترات زمنية قصيرة جدًا، مما يؤدي إلى تلف المعلومات وعدم إمكانية تخزينها، مما يجعل استعادة البيانات أكثر صعوبة."
الكمبيوتر الكمي مقابل الكمبيوتر التقليدي
تمتلك الحواسيب الكمومية بنية أكثر بساطة من الحواسيب التقليدية. فهي لا تحتوي على ذاكرة أو معالج. كل ما يستخدمه الحاسوب الكمومي هو مجموعة من الكيوبتات فائقة التوصيل.
تقوم الحواسيب الكمومية والحواسيب التقليدية بمعالجة المعلومات بطرق مختلفة. يستخدم الحاسوب الكمومي الكيوبتات لتشغيل الخوارزميات الكمومية متعددة الأبعاد. تزداد قوة معالجتها بشكل أسي مع إضافة المزيد من الكيوبتات. بينما يستخدم المعالج التقليدي البتات لتشغيل البرامج المختلفة. تزداد قوته بشكل خطي مع إضافة المزيد من البتات. تمتلك الحواسيب التقليدية قدرة حوسبة أقل بكثير.
تُعتبر الحواسيب التقليدية الأفضل للمهام اليومية ولديها معدلات خطأ منخفضة. أما الحواسيب الكمومية فهي مثالية للمهام ذات المستوى الأعلى، مثل تشغيل المحاكاة، وتحليل البيانات (مثل التجارب الكيميائية أو الدوائية)، وإنشاء بطاريات موفرة للطاقة. ومع ذلك، يمكن أن تكون لديها معدلات خطأ عالية أيضًا.
لا تحتاج الحواسيب التقليدية إلى رعاية خاصة إضافية. قد تستخدم مروحة داخلية بسيطة لمنع ارتفاع درجة الحرارة. أما المعالجات الكمية فتحتاج إلى الحماية من أدنى الاهتزازات ويجب أن تُحفظ في درجات حرارة منخفضة للغاية. يجب استخدام السوائل الفائقة التبريد لهذا الغرض.
أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر تكلفة وصعوبة في البناء مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية.
في عام 2019، عرضت Google حاسوبًا كميًا يمكنه حل مشكلة في دقائق، بينما سيستغرق حاسوب تقليدي 10,000 سنة لحلها.
أجهزة الكمبيوتر الكمومية قيد التطوير
تقوم Google بإنفاق مليارات الدولارات لبناء حاسوبها الكمي بحلول عام 2029. وقد افتتحت الشركة حرمًا جامعيًا في كاليفورنيا يسمى Google AI للمساعدة في تحقيق هذا الهدف. بمجرد تطويره، يمكن لـ Google إطلاق خدمة الحوسبة الكمية عبر السحابة.
آي بي إم (IBM)
تخطط شركة IBM لامتلاك حاسوب كمي يحتوي على 1000 كيوبت بحلول عام 2023. في الوقت الحالي، تتيح IBM الوصول إلى أجهزتها لتلك المؤسسات البحثية والجامعات والمختبرات التي تعد جزءًا من شبكتها الكمية.
مايكروسوفت
تقدم Microsoft للشركات إمكانية الوصول إلى تقنية الكم عبر منصة Azure Quantum.
الآخرون
هناك اهتمام في الحوسبة الكمومية وتقنياتها من قبل شركات الخدمات المالية مثل JPMorgan Chase وVisa.
ما هو الحوسبة الكمومية بأبسط العبارات؟
الحوسبة الكمومية تتعلق بالحوسبة التي تتم بواسطة حاسوب كمومي. بالمقارنة مع الحوسبة التقليدية التي تتم بواسطة حاسوب كلاسيكي، يجب أن يكون الحاسوب الكمومي قادرًا على تخزين معلومات أكثر بكثير والعمل باستخدام خوارزميات أكثر كفاءة. وهذا يترجم إلى حل المهام المعقدة للغاية بشكل أسرع.
## ما مدى صعوبة بناء حاسوب كمي؟
يتطلب بناء حاسوب كمي وقتًا طويلًا ويكلف مبالغ طائلة. لقد عملت Google على بناء حاسوب كمي لسنوات وأنفقت مليارات الدولارات. وتتوقع أن يكون حاسوبها الكمي جاهزًا بحلول عام 2029. في نوفمبر 2022، أعلنت Google عن نظام يحتوي على 433 كيوبت، وتبعتها بعد عام شركة IBM بإعلانها عن Condor، وهو معالج كمي يحتوي على 1,121 كيوبت فائق التوصيل. في ذلك الوقت، وضعت IBM خارطة طريق لعام 2033، قائلة إنها تهدف إلى Blue Jay، وهو نظام قادر على تنفيذ مليار بوابة عبر 2,000 كيوبت بحلول عام 2033.
كم تبلغ تكلفة الكمبيوتر الكمي؟
يكلف بناء حاسوب كمي مليارات الدولارات. ومع ذلك، في عام 2020، خططت شركة Shenzhen SpinQ Technology، التي تتخذ من الصين مقرًا لها، لبيع حاسوب كمي مكتبي بقيمة 5000 دولار للمستهلكين للمدارس والكليات. في العام السابق، كانت قد بدأت ببيع حاسوب كمي بقيمة 50000 دولار.
ما مدى سرعة الكمبيوتر الكمي؟
الكمبيوتر الكمي أسرع بكثير من الكمبيوتر التقليدي أو الكمبيوتر العملاق. يُقال إن الكمبيوتر الكمي الذي تطوره جوجل، Sycamore، قد أجرى عملية حسابية في 200 ثانية، مقارنة بـ 10,000 سنة التي سيستغرقها أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم، وهو Summit من IBM، لحلها. وقد اعترضت IBM على ادعاء جوجل، قائلة إن الكمبيوتر العملاق الخاص بها يمكنه حل العملية الحسابية في 2.5 يوم. ومع ذلك، فإن هذا أبطأ بـ 1,000 مرة من جهاز جوجل الكمي.
الخلاصة
الحوسبة الكمومية تختلف كثيرًا عن الحوسبة التقليدية. فهي تستخدم الكيوبتات، التي يمكن أن تكون 1 أو 0 في نفس الوقت. بينما تستخدم الحواسيب التقليدية البتات، التي يمكن أن تكون فقط 1 أو 0.
كنتيجة لذلك، فإن الحوسبة الكمومية أسرع بكثير وأكثر قوة. من المتوقع استخدامها لحل مجموعة متنوعة من المهام المعقدة للغاية والمفيدة.
بينما لديه بعض القيود في الوقت الحالي، فإنه يستعد ليتم استخدامه من قبل العديد من الشركات القوية في العديد من الصناعات المختلفة.