الحوسبة الكمومية: المعنى والمزايا والمزيد

الحوسبة الكمومية هي تطبيق مبادئ ميكانيكا الكم في أداء العمليات الحسابية. الظواهر الأساسية المستخدمة هنا هي التشابك والتراكب .

في حين أن الحوسبة الكمومية هي كلمة طنانة جديدة نسبيًا ، فإن ميكانيكا الكم موجودة منذ فترة أطول. كان مسؤولاً عن التطورات الرئيسية في صناعة الإلكترونيات ويقدم بالإضافة إلى ذلك إجابات للعديد من ألغاز البشرية.

تركز ميكانيكا الكم على كيفية عمل الذرات والجسيمات دون الذرية ، بينما تشير كلمة الكم إلى أصغر جسيم يمكن للمرء العمل معه. هذا هو اللبنة الأساسية لأي كائن مادي.

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

يأخذك هذا المنشور إلى العالم السحري للظواهر الكمية ، ويوضح لك كيفية صنع جهاز كمبيوتر منه ، ويستكشف المجالات ذات الصلة به.

عمل مخيف عن بعد

تتحدى الظواهر الكمومية الفهم التقليدي وتعمل بمصطلحات مختلفة تمامًا عن الفيزياء الكلاسيكية. لذلك ، في الثلاثينيات من القرن الماضي ، استخدم أينشتاين عبارة "عمل مخيف عن بعد" لوصف ظاهرة التشابك الكمومي وكيف أنها لا تتناسب مع العلوم التقليدية.

التشابك الكمي ليس بالأمر الجديد. إذا قمت بإنشاء جسيمين في نفس المكان والحظة ، فسيصبحان متشابكين. بمعنى أن كل ما يحدث لأحدهما يؤثر على الآخر.

إنه مثل الوقوع في الحب والحصول على مكالمة كلما فكرت في حبيبك. أو إجراء مكالمة والاستماع إلى "كنت على وشك الاتصال بك". من المعروف أيضًا أن التوائم المتطابقة تمرض في نفس الوقت.

الجزء الأكثر رعبا في التشابك الكمومي هو أنه يمكنك أخذ أحد الجسيمات المتشابكة بعيدًا. ومهما كانت الظروف التي تخضع لها ستؤثر على الجسيم الثاني على الفور ، حتى من نصف مجرة.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه الخاصية لتخزين كميات هائلة من المعلومات على جسيمات متعددة في وقت واحد. تسمى هذه الجسيمات بالكيوبتات أو بتات الكم ، ولكن أولاً ، نظرة على ظاهرة ميكانيكا الكم الثانية.

اروين شرودنجر وقطته

كان الفيزيائي النمساوي إروين شرودينجر ، باحثًا كميًا مبكرًا آخر ، وجد ، مثل ألبرت أينشتاين ، أجزاء من الظواهر الكمومية سخيفة. لذلك ، ابتكر تجربة فكرية مشهورة تسمى "قطة شرودنغر" لتصور مفارقة التراكب الكمي.

تشير هذه التجربة إلى أنه إذا وضعت قطة وشيئًا يمكن أن يقتل القطة في صندوق وختمه. لن تعرف ما إذا كانت القطة حية أم ميتة حتى تفتح الصندوق. لذلك ، من الناحية المنطقية ، كانت القطة حية وميتة حتى تفتح الصندوق.

التراكب هو الظاهرة الثانية التي تجعل الحوسبة الكمومية ممكنة. حيث تعمل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية مع أجزاء من المعلومات التي يمكن أن تمثل 1 أو 0 في أي وقت معين ، تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع كيوبتات (بتات كمومية) التي يمكن أن تمثل كلا من 0 و 1 في نفس الوقت ، تمامًا مثل القطة التي ماتت و على قيد الحياة.

هنا نظرة فاحصة على كيوبت.

البت مقابل Qubit

الكيوبت هو ما يجعل الحوسبة الكمومية ممكنة. يُشار إليه أيضًا باسم البت الكمي أو qbit ، وهو أصغر وحدة طاقة يمكنك معالجتها لحفظ المعلومات واستردادها منها.

يمكن أن يكون بت الكمبيوتر العادي 0 أو 1 فقط في أي وقت. بينما يمكن أن تكون البتة الكمية في نفس الوقت. لذلك ، يمكن أن تحتوي بتتان عاديتان على 00 و 01 و 10 و 11 في أي وقت. لكن اثنين من البتات الكمومية يمكنهما الاحتفاظ بجميع الحالات الأربع في نفس الوقت. هذا يعني 4 مرات أسرع دورات الحوسبة.

باستخدام 3 بتات عادية ، يمكنك إما الحصول على 000 و 001 و 010 و 011 و 100 و 101 و 110 و 111 في أي وقت. لكن 3 كيوبت ستحتفظ بجميع الحالات الثمانية في نفس الوقت ، مما يمنحك دورات حوسبة أسرع 8 مرات. كما ترى ، هذه العلاقة أسية ، ثم تضاعف كل بت إضافية كمية المعلومات المتاحة.

إذن ، مع 5 كيوبت ، فإنك تنظر إلى 32 حالة متزامنة ، مع 10 كيوبتات ، فهي تزيد عن 1000 حالة ، و 20 كيوبت ، أكثر من مليون. الآن ، ضع في اعتبارك عدد الدول التي يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يبلغ حجمها 1000 كيلوبت والتي تعمل على تطويرها شركة IBM و Google ، الاحتفاظ بها في وقت واحد.

يمكنك تكوين وحدات كيوبت من الفوتونات والإلكترونات والنوى الذرية والنقاط الكمومية والموصلات الفائقة والتطبيقات الأخرى. الهدف هو إنشاء مجموعة مستقرة من وحدات الطاقة الكمومية التي يمكنك ضبطها وقياسها بسهولة حسب الرغبة.

مزايا الحوسبة الكمومية

الميزة الرئيسية للحوسبة الكمومية هي النتائج اللحظية للمشكلات المعقدة. هذا بشكل أساسي في المواقف التي يتعين عليك فيها اختيار الإجابة الصحيحة من العديد من الاحتمالات. وهذا يجعلها رائعة في تحليل الأرقام والمحاكاة واسعة النطاق والتعرف على الأنماط في الذكاء الاصطناعي.

النهج القياسي لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هو التحقيق في كل احتمال حتى تجد ما تبحث عنه. غالبًا ما تسمى إبرة في البحث عن كومة قش ، يعتمد مقدار الوقت الذي تستغرقه هذه العملية على مقدار التبن أو السجلات التي يتعين عليك فحصها. وحول مدى سرعة جهازك.

تعمل أجهزة الكمبيوتر العملاقة على تسهيل مثل هذه المشكلات عن طريق زيادة سرعة التحقق من كل احتمال. من ناحية أخرى ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تولد كل الاحتمالات في وقت واحد ، إذا توفرت كيوبتات كافية. لهذا السبب يمكنهم حساب المشكلات في بضع ساعات تستغرق أجهزة الكمبيوتر العادية مئات إلى آلاف السنين لحسابها.

مشاكل وقيود الحوسبة الكمومية

بينما يمكنك بسهولة قياس وحدات البت في جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، فإن قياس كيوبت يدمر حالته وحالة الكيوبتات المتشابكة الخاصة به.

أيضًا ، يتم صنع البتات الكلاسيكية من مجموعة واسعة من مواد أشباه الموصلات التي يجب أن تحمل شحنة (1) أو لا (0). ومع ذلك ، فإن Qubits أكثر تعقيدًا وصعوبة في التنفيذ. بالإضافة إلى العزل المكاني للكيوبت ، فإنك تحتاج إلى حمايته من التداخل البيئي ، مثل تقلبات درجة الحرارة والإلكتروستاتيكية. لأن مثل هذه التغييرات البيئية الصغيرة ستفسد هذه الدول أيضًا.

يسمى هذا الخسارة في التشابك أو توازن النظام بفك الترابط الكمي وهو المشكلة الرئيسية التي يحاول معظم الباحثين حلها. إنه أمر شديد الخطورة لدرجة أن آلة Google التي تبلغ قوتها 1000 كيلوبت ستحتاج إلى ما يصل إلى 1000 كيوبت لتصحيح الخطأ لكل كيوبت. مما يجعلها آلة 1 مليون كيوبت.

هذا يعني أيضًا أنه لا يمكنك حاليًا التعامل مع جهاز كمبيوتر كمي كما تفعل مع جهاز كمبيوتر محمول أو هاتف ذكي. يحتاج الكمبيوتر إلى ظروف معملية للحفاظ على مستوى آمن من الاستقرار للكيوبتات الخاصة به.

عيب آخر هو النطاق المحدود لما يسمى بالتفوق الكمي ، لأنه لا تتضمن كل مشكلة حوسبة كميات كبيرة من الأرقام أو الاحتمالات. لذا ، فإن التعزيز الحسابي في معظم العمليات الأخرى غير مهم للغاية لتبرير نهج الحوسبة الكمومية. وما لم تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أرخص من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، فإنها لن تحل محلها في أي وقت قريب.

على الرغم من كل هذه العيوب ، تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكيوبتات الخاصة بها الكثير من الإمكانات في صناعة الكمبيوتر بسبب الأعداد الكبيرة التي يمكنها التعامل معها بسهولة.

هل هناك مخاطر مع الحوسبة الكمومية؟

نعم. يعرف كل مخترق جيد أن لكل تقنية ثغرة. عليك فقط العثور عليه. لذلك ، بغض النظر عن التطبيقات الفعلية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل ، ستظل هناك مشكلات في التكنولوجيا. والممثلين على استعداد للاستفادة منها.

يشير هذا السيناريو إلى استخدامات مثل الأعمال المصرفية والتمويل والحكومة والأنشطة العامة المماثلة. السيناريو الثاني هو عندما يستخدم الفاعل الخبيث القوة المذهلة للحاسوب الكمومي الجيد لإنجاز عمل فذ. وكالعادة ، لن يدرك الناس مثل هذا الاحتمال إلا بعد إتمام الفعل.

تعمل الحوسبة الكمومية بشكل جيد مع الأرقام. لذلك ، فإن خوارزميات التشفير غير المتماثلة التي تستخدم التحليل ، مثل RSA للمفتاح العام ليست آمنة. التجزئة والتشفير المتماثل ، مثل AES-256 و 512 ، وكذلك SHA-256 و 512 ، من ناحية أخرى ، آمنة نسبيًا.

تطبيقات أخرى لميكانيكا الكم

على الرغم من إثارة عالم الحوسبة الكمومية ، إلا أنها لا تزال مجرد جزء من ميكانيكا الكم. بعبارة أخرى ، فإن الطرف الكمومي بدأ للتو.

كانت ميكانيكا الكم مفيدة في تطوير أشباه الموصلات والإلكترونيات الحديثة. يجري العمل أيضًا على الشبكات الكمومية والتشفير ، مثل شركة ID Quantique الرائدة في مجال التشفير الكمي ومقرها سويسرا. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت الظواهر الكمومية أيضًا أنها واعدة في العديد من مجالات البحث ، بما في ذلك التركيب الضوئي ، ومستقبلات الشم ، وحتى فهمنا للوقت.

أجهزة كمبيوتر الكم في العالم الحقيقي

هناك العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتطبيقات المماثلة. إنهم يأتون من شركات كبيرة متعددة الجنسيات مثل Google و IBM ، بالإضافة إلى الحكومات ، وحتى اللاعبين الأصغر مثل Rigetti.

تعد الحوسبة الكمومية حاليًا واحدة من أهم مجالات البحث على هذا الكوكب. لذلك ربما يكون هناك برامج سرية أكثر مما تتخيل. فيما يلي بعض المشاريع الكبرى:

• تمتلك Google أجهزة 54-كيوبت و 72-كيوبت
• تمتلك آي بي إم أكثر من 30 آلة منتشرة في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك 65 كيلوبت مانهاتن
• الصين هي موطن للعديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، بما في ذلك آلة 76-كيوبت وحتى اتصالات الأقمار الصناعية الكمومية.
• أمضت آلة Google التي تعمل بنظام Sycamore والتي تبلغ قوتها 54 كيلوبت 200 ثانية فقط لحساب ما تحتاجه أجهزة الكمبيوتر العملاقة 10000 عام لحسابه.
• تقوم شركة IBM بتطوير آلة 1000 كيلوبت بحلول عام 2023
• تمتلك Rigetti Computing أربعة ، بما في ذلك آلة 31-qubit
• تقوم Google ببناء مركز كمي جديد لإنشاء كمبيوتر بسعة 1000 كيلوبت بحلول عام 2029. وتصحيح أخطاء التحليل ، يمكن أن يصل إجمالي وحدات البت في هذا الكمبيوتر إلى مليون.

استنتاج

أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة لتبقى. لأنها ستخلق العديد من الفرص وتحل مشاكل العالم الحقيقي التي كافحت معها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لعقود.

ومع ذلك ، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به والتحديات التي يجب التغلب عليها قبل أن نصل إلى هناك. وحتى ذلك الحين ، قد تفاجئ الصين العالم.