الميزة الكمومية هي علامة بارزة في مجال الحوسبة الكمومية التي تعمل بجد لتحقيقها، حيث يمكن للكمبيوتر الكمي حل المشكلات التي هي بعيدة عن متناول أقوى أجهزة الكمبيوتر غير الكمومية أو الكلاسيكية.
يشير الكم إلى حجم الذرات والجزيئات حيث تنهار قوانين الفيزياء كما نختبرها وتنطبق مجموعة مختلفة من القوانين غير البديهية. تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من هذه السلوكيات الغريبة لحل المشكلات.
هناك بعض أنواع المشكلات التي لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها، مثل كسر خوارزميات التشفير الحديثة. وقد أظهرت الأبحاث في العقود الأخيرة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لديها القدرة على حل بعض هذه المشاكل. إذا كان من الممكن بناء حاسوب كمي يحل إحدى هذه المشكلات فعليًا، فسيكون قد أثبت ميزة كمومية.
أنا فيزيائي يدرس معالجة المعلومات الكمومية والتحكم في الأنظمة الكمومية. أعتقد أن حدود الابتكار العلمي والتكنولوجي هذه لا تعد فقط بإحراز تقدم رائد في مجال الحساب، ولكنها تمثل أيضًا طفرة أوسع في تكنولوجيا الكم، بما في ذلك التقدم الكبير في التشفير الكمي والاستشعار الكمي.
مصدر قوة الحوسبة الكمومية
الشيء المركزي في الحوسبة الكمومية هو البت الكمي، أو الكيوبت. على عكس البتات الكلاسيكية، التي يمكن أن تكون فقط في حالات 0 أو 1، يمكن أن يكون الكيوبت في أي حالة عبارة عن مزيج من 0 و 1. تُعرف هذه الحالة التي لا تحتوي على 1 أو 0 فقط باسم التراكب الكمومي. ومع كل كيوبت إضافية، يتضاعف عدد الحالات التي يمكن تمثيلها بواسطة الكيوبتات.
غالبًا ما يتم الخلط بين هذه الخاصية ومصدر قوة الحوسبة الكمومية. وبدلاً من ذلك، يتعلق الأمر بتفاعل معقد بين التراكب والتداخل والتشابك.
يتضمن التداخل معالجة الكيوبتات بحيث تتحد حالاتها بشكل بناء أثناء العمليات الحسابية لتضخيم الحلول الصحيحة وبشكل مدمر لقمع الإجابات الخاطئة. التداخل البناء هو ما يحدث عندما تتحد قمم موجتين – مثل الموجات الصوتية أو أمواج المحيط – لتكوين قمة أعلى. التداخل المدمر هو ما يحدث عندما تتحد ذروة الموجة وقاع الموجة ويلغيان بعضهما البعض. تقوم الخوارزميات الكمومية، وهي قليلة ويصعب تصميمها، بإعداد سلسلة من أنماط التداخل التي تؤدي إلى الإجابة الصحيحة على المشكلة.
ينشئ التشابك علاقة كمية فريدة بين الكيوبتات: لا يمكن وصف حالة أحدها بشكل مستقل عن البقية، بغض النظر عن مدى تباعد الكيوبتات. وهذا ما وصفه ألبرت أينشتاين في عبارته الشهيرة بأنه “عمل مخيف عن بعد”. يتيح السلوك الجماعي للتشابك، المُنسق من خلال كمبيوتر كمي، عمليات تسريع حسابية بعيدة عن متناول أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
تطبيقات الحوسبة الكمومية
تتمتع الحوسبة الكمومية بمجموعة من الاستخدامات المحتملة حيث يمكنها أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. في مجال التشفير، تمثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية فرصة وتحديًا في نفس الوقت. وأشهرها أن لديها القدرة على فك رموز خوارزميات التشفير الحالية، مثل نظام RSA المستخدم على نطاق واسع.
إحدى نتائج ذلك هي أن بروتوكولات التشفير الحالية تحتاج إلى إعادة تصميمها لتكون مقاومة للهجمات الكمومية المستقبلية. وقد أدى هذا الاعتراف إلى مجال مزدهر للتشفير ما بعد الكم. وبعد عملية طويلة، اختار المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مؤخرًا أربع خوارزميات مقاومة للكم، وبدأ عملية تجهيزها حتى تتمكن المؤسسات حول العالم من استخدامها في تكنولوجيا التشفير الخاصة بها.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للحوسبة الكمومية تسريع عملية المحاكاة الكمومية بشكل كبير: القدرة على التنبؤ بنتائج التجارب الجارية في عالم الكم. لقد تصور الفيزيائي الشهير ريتشارد فاينمان هذا الاحتمال منذ أكثر من 40 عامًا. توفر المحاكاة الكمومية إمكانية تحقيق تقدم كبير في الكيمياء وعلوم المواد، مما يساعد في مجالات مثل النمذجة المعقدة للهياكل الجزيئية لاكتشاف الأدوية وتمكين اكتشاف أو إنشاء مواد ذات خصائص جديدة.
استخدام آخر لتكنولوجيا المعلومات الكمومية هو الاستشعار الكمي: اكتشاف وقياس الخصائص الفيزيائية مثل الطاقة الكهرومغناطيسية والجاذبية والضغط ودرجة الحرارة بحساسية ودقة أكبر من الأدوات غير الكمومية. للاستشعار الكمي تطبيقات لا تعد ولا تحصى في مجالات مثل المراقبة البيئية والاستكشاف الجيولوجي والتصوير الطبي والمراقبة.
تعد مبادرات مثل تطوير الإنترنت الكمي الذي يربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية خطوات حاسمة نحو سد عوالم الحوسبة الكمومية والكلاسيكية. ومن الممكن تأمين هذه الشبكة باستخدام بروتوكولات التشفير الكمي مثل توزيع المفتاح الكمي، والذي يعمل على تمكين قنوات الاتصال فائقة الأمان والمحمية ضد الهجمات الحسابية ــ بما في ذلك تلك التي تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
على الرغم من مجموعة التطبيقات المتنامية للحوسبة الكمومية، فإن تطوير خوارزميات جديدة تستفيد بشكل كامل من الميزة الكمومية – وخاصة في التعلم الآلي – يظل مجالًا بالغ الأهمية للبحث المستمر.
البقاء متماسكًا والتغلب على الأخطاء
يواجه مجال الحوسبة الكمومية عقبات كبيرة في تطوير الأجهزة والبرمجيات. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية حساسة للغاية لأي تفاعلات غير مقصودة مع بيئاتها. يؤدي هذا إلى ظاهرة فك الترابط، حيث تتحلل البتات الكمومية بسرعة إلى الحالة 0 أو 1 للبتات الكلاسيكية.
إن بناء أنظمة حوسبة كمومية واسعة النطاق قادرة على الوفاء بوعد التسريع الكمي يتطلب التغلب على عدم الترابط. المفتاح هو تطوير أساليب فعالة لقمع وتصحيح الأخطاء الكمومية، وهو مجال يركز عليه بحثي.
وفي التغلب على هذه التحديات، ظهرت العديد من الشركات الناشئة في مجال الأجهزة والبرامج الكمومية جنبًا إلى جنب مع لاعبين راسخين في صناعة التكنولوجيا مثل Google وIBM. ويؤكد هذا الاهتمام الصناعي، إلى جانب الاستثمارات الكبيرة من جانب الحكومات في جميع أنحاء العالم، على الاعتراف الجماعي بالإمكانات التحويلية التي تنطوي عليها التكنولوجيا الكمومية. تعمل هذه المبادرات على تعزيز نظام بيئي غني حيث تتعاون الأوساط الأكاديمية والصناعة، مما يؤدي إلى تسريع التقدم في هذا المجال.
الميزة الكمومية تظهر للعيان
قد تصبح الحوسبة الكمومية ذات يوم مدمرة مثل وصول الذكاء الاصطناعي التوليدي. حاليًا، يمر تطوير تكنولوجيا الحوسبة الكمومية بمنعطف حاسم. فمن ناحية، أظهر هذا المجال بالفعل علامات مبكرة على تحقيقه لميزة كمية متخصصة على نطاق ضيق. أظهر الباحثون في جوجل، ولاحقًا فريق من الباحثين في الصين، ميزة كمية لتوليد قائمة من الأرقام العشوائية ذات خصائص معينة. أظهر فريقي البحثي تسريعًا كميًا في لعبة تخمين الأرقام العشوائية.
ومن ناحية أخرى، هناك خطر ملموس يتمثل في دخول “الشتاء الكمي”، وهي فترة من انخفاض الاستثمار إذا فشلت النتائج العملية في تحقيق نتائج عملية في المدى القريب.
وبينما تعمل صناعة التكنولوجيا على تقديم ميزة كمية في المنتجات والخدمات على المدى القريب، تظل الأبحاث الأكاديمية تركز على دراسة المبادئ الأساسية التي يقوم عليها هذا العلم والتكنولوجيا الجديد. إن هذا البحث الأساسي المستمر، الذي يغذيه كوادر متحمسة من الطلاب الجدد والمشرقين من النوع الذي أواجهه كل يوم تقريبًا، يضمن استمرار المجال في التقدم.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: دانييل ليدار، جامعة جنوب كاليفورنيا.
اقرأ أكثر:
يتلقى دانييل ليدار تمويلًا من NSF، وDARPA، وARO، وDOE.