الحواسيب أو أجهزة الكومبيوتر الكمومية هي آلات تستخدم خصائص فيزياء الكم لتخزين البيانات وإجراء العمليات الحسابية. يمكن أن يكون هذا مفيدًا للغاية لمهام معينة حيث يمكن أن يتفوقوا بشكل كبير حتى على أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدينا.
الفرق بين الحواسيب الكمومية و الحواسيب الكلاسيكية
تقوم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، التي تشمل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، بترميز المعلومات في “بتات” ثنائية يمكن أن تكون إما 0 أو 1. أما في الكمبيوتر الكمومي ، تكون الوحدة الأساسية للذاكرة هي بت كمي أو كيوبت – qubit .
تصنع الكيوبتات باستخدام أنظمة فيزيائية ، مثل دوران الإلكترون أو اتجاه الفوتون. يمكن أن تكون هذه الأنظمة في العديد من الترتيبات المختلفة دفعة واحدة ، وهي خاصية تُعرف باسم التراكب الكمومي. يمكن أيضًا ربط الكيوبت ببعضها البعض ارتباطا وثيقا باستخدام ظاهرة تسمى التشابك الكمومي. والنتيجة هي أن سلسلة من الكيوبتات يمكن أن تمثل أشياء مختلفة في وقت واحد.
على سبيل المثال ، ثمانية بتات كافية للكمبيوتر الكلاسيكي لتمثيل أي رقم بين 0 و 255 , لكن ثمانية بتات كافية للحاسوب الكمومي لتمثيل كل رقم بين 0 و 255 في نفس الوقت. يكفي بضع مئات من الكيوبتات المتشابكة لتمثيل أعداد أكثر من عدد الذرات في الكون (80^10).
لذلك تتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الأجهزة التقليدية. ومع ذلك ، قد يكون هناك أيضًا الكثير من الميزات التي ستظل فيها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية تتفوق على الأجهزة الكمومية. لذلك قد تكون أجهزة الكمبيوتر في المستقبل مزيجًا من هذين النوعين.
التفوق الكمي – Quantum Supremacy
إنها النقطة التي يمكن عندها لكمبيوتر الكم أن يكمل حسابا رياضيا يمكن إثباته يكون أبعد من متناول حتى أقوى حاسوب فائق القوة.
ولا يزال من غير الواضح بالضبط كم عدد القطع التي سنحتاجها لتحقيق ذلك لأن الباحثين يواصلون البحث عن خوارزميات جديدة لتعزيز أداء الآلات الكلاسيكية، وأجهزة الحوسبة الفائقة تواصل التحسن.
ولكن الباحثين والشركات يعملون بجد للحصول على اللقب – في الوصول الى ذلك، حيث يجرون إختبارات أمام بعض أقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة في العالم.
هناك الكثير من النقاش في عالم الأبحاث حول مدى أهمية تحقيق هذا الإنجاز. فبدلا من انتظار الإعلان عن التفوق، بدأت الشركات بالفعل في تجربة أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي أنتجتها شركات مثل IBM، و D-Wave، وهي شركة كندية. كما تعرض شركات صينية مثل شركة Alibaba – علي بابا القدرة على الوصول إلى آلات الكم. فبعض الشركات تشتري حواسيب الكم، بينما تستخدم شركات أخرى حواسيب متاحة من خلال خدمات الحوسبة السحابية.
ما هو الكيوبت – Qubit ؟
تستخدم أجهزة الكمبيوتر اليوم البتات – bits ؛ تدفق من النبضات الكهربائية أو الضوئية تمثل 1 أو 0. اذ ان كل شيء من التغريدات والبريد الإلكتروني إلى أغاني iTunes ومقاطع فيديو YouTube هي في الأساس سلاسل طويلة من هذه الأرقام الثنائية -binary digits.
من ناحية أخرى ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات – qubits، والتي تكون عادةً جسيمات دون ذرية ( اصغر من حجم الذرة ) مثل الإلكترونات أو الفوتونات. كما ويعد إنشاء الكيوبتات وإدارتها تحديًا علميًا وهندسيًا. تستخدم بعض الشركات ، مثل IBM و Google و Rigetti Computing ، دوائر فائقة التوصيل مبردة إلى درجات حرارة أبرد من الفضاء العميق. آخرون ، مثل IonQ ، يحبسون الذرات الفردية في المجالات الكهرومغناطيسية على شريحة سيليكون في غرف مفرغة الهواء فائقة التفريغ. في كلتا الحالتين ، الهدف هو عزل الكيوبتات في حالة كمومية مضبوطة.
تحتوي الكيوبتات على بعض الخصائص الكمومية الغريبة التي تعني أن مجموعة متصلة منها يمكن أن توفر قوة معالجة أكبر من نفس عدد البتات الثنائية. تُعرف إحدى هذه الخصائص باسم التراكب وأخرى تسمى التشابك.
فما هو التراكب؟
التراكب – Superposition
يمكن أن تمثل Qubits العديد من المجموعات الممكنة من 1 و 0 في نفس الوقت. تسمى هذه القدرة على التواجد في حالات متعددة في نفس الوقت بالتراكب. لوضع الكيوبتات في حالة تراكب ، يقوم الباحثون بمعالجتها باستخدام أشعة الليزر الدقيقة أو أشعة الميكروويف.
بفضل هذه الظاهرة غير البديهية ، يمكن لجهاز كمبيوتر كمي به عدة كيوبتات في حالة تراكب أن يتغلب على عدد كبير من النتائج المحتملة في وقت واحد. لا تظهر النتيجة النهائية للحساب إلا بعد قياس الكيوبتات ، مما يؤدي على الفور إلى “انهيار” حالتها الكمية إلى 1 أو 0.
اقرأ ايضاً : مقدمة في حجة المحاكاة الحاسوبية
التحكم بالبتّات الكمومية ::
يتحكم علماء الحاسوب بالجسيمات “الميكروية” التي تلعب دور البتات الكمومية في الحواسيب الكمومية باستخدام أجهزة تحكم هي:
• المصائد الأيونية (Ion traps): تستخدم الحقول البصرية والمغناطيسية (أو تجمّعاً منهما) لأسر الأيونات.
• المصائد البصرية (Optical traps): تستخدم الأمواج الضوئية لأسر الجسيمات والتحكم بها.
• النقاط الكمومية (Quantum dots): وهي مؤلفة من مادة نصف ناقلة، تُستخدم في احتواء الالكترونات والتلاعب بها.
• الشوائب نصف الناقلة (Semiconductor impurities): تقوم باحتواء الالكترونات عبر استخدام ذرات “غير مرغوب بها” وموجودة في المادة نصف الناقلة.
• دارات فائقة الناقلية (Superconducting circuits): وهي التي تسمح للالكترونات بالتدفق بوجود مقاومة مكافئة للصفر تقريباً، وعند درجات حرارة منخفضة.
التشابك – Entanglement
يمكن للباحثين إنشاء أزواج من الكيوبتات “المتشابكة” ، مما يعني أن العضوين من الزوج موجودان في حالة كمومية واحدة. سيؤدي تغيير حالة إحدى الكيوبتات إلى تغيير حالة الأخرى بشكل فوري بطريقة يمكن التنبؤ بها. يحدث هذا حتى لو تم فصلهم بمسافات طويلة جدًا.
لا أحد يعرف حقًا كيف ولماذا يعمل التشابك. حتى أنها حيرت أينشتاين ، الذي وصفها بأنها “عمل مخيف عن بعد.” لكنها مفتاح قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. في الكمبيوتر التقليدي ، بمضاعفة عدد البتات تتضاعف قوتها في المعالجة. ولكن بفضل التشابك ، فإن إضافة كيوبتات إضافية إلى آلة كمومية ينتج عنها زيادة هائلة في قدرتها على تحطيم الأرقام – Number-Crunching ability.
تسخر أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات المتشابكة في سلسلة كمومية أشبه بـ “سلسلة الأقحوان” ليعمل سحرها ! إن قدرة الآلات على تسريع العمليات الحسابية باستخدام خوارزميات كمومية مصممة خصيصًا هي السبب في وجود الكثير من الضجة حول إمكاناتها.
الأخبار السيئة هي أن الآلات الكمومية أكثر عرضة للخطأ من أجهزة الكمبيوتر التقليدية بسبب فك الترابط.
اذا ماهو فك الترابط ؟
فك الترابط – Decoherence
يُطلق على تفاعل الكيوبتات مع بيئتها بطرق تتسبب في انحلال سلوكها الكمي واختفاءها في النهاية بـ “فك الترابط”. حيث تكون حالتها الكمومية هشة للغاية. أدنى اهتزاز أو تغير في درجة الحرارة – الاضطرابات المعروفة باسم “الضوضاء” – في العالم الكمي – يمكن أن تجعلهم يخرجون من التراكب قبل أن تؤدي وظيفتها بشكل صحيح. هذا هو السبب في أن الباحثين يبذلون قصارى جهدهم لحماية الكيوبتات من العالم الخارجي في تلك الثلاجات فائقة التبريد وغرف التفريغ.
ولكن على الرغم من جهودهم ، لا تزال الضوضاء تسبب الكثير من الأخطاء لتتسلل إلى الحسابات. يمكن لخوارزميات الكم الذكية أن تعوض عن بعض هذه الأشياء ، كما أن إضافة المزيد من الكيوبتات يساعد أيضًا. ومع ذلك ، من المحتمل أن يتطلب الأمر آلاف الكيوبتات القياسية لإنشاء وحدة واحدة عالية الموثوقية تُعرف باسم كيوبت “منطقي”. سيؤدي هذا إلى استنزاف الكثير من القدرة الحسابية للكمبيوتر الكمومي.
وهناك مشكلة: حتى الآن ، لم يتمكن الباحثون من إنشاء أكثر من 128 كيوبت قياسيًا . لذلك ما زلنا على بعد سنوات عديدة من الحصول على أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي ستكون مفيدة على نطاق واسع.
لم يؤثر ذلك على آمال الرواد في أن يكونوا أول من يظهر “التفوق الكمي”.
عدم يقين هايزنبرغ ::
بحسب الفيزيائيين يرجع تاريخ نظرية الكم إلى عام ١٩٢٧، حين أظهر الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبيرغ أن الأساليب الكلاسيكية لم تكن ناجحة في التعامل مع أجسام صغيرة للغاية، تلك التي تكاد تكون بحجم الذرات.
عندما يرمي أحدهم كرة، على سبيل المثال، من السهل تحديد مكان الكرة بالضبط، ومدى سرعتها.
ولكن كما أظهر هايزنبرغ، هذا لا ينطبق على الذرات والجسيمات دون الذرية. بدلا من ذلك، يمكن للمراقب أن يرى مكانه أو مدى سرعته – ولكن ليس كلاهما في نفس الوقت بالضبط. وهذا إدراك غير مريح , حتى منذ اللحظة التي شرح فيها هايزنبيرغ فكرته، كان ألبرت أينشتاين (من بين آخرين) غير مرتاح لها. من المهم أن ندرك أن “عدم اليقين الكمي” هذا , ليس عيبا في معدات القياس أو الهندسة، ولكنه بالأحرى في كيفية عمل أدمغتنا. لقد تطورنا لكي نكون معتادين على كيفية عمل “العالم الكلاسيكي” بحيث أن الآليات الفيزيائية الفعلية ل”عالم الكم” ببساطة تفوق قدرتنا على الفهم الكامل.
تصميم الحواسيب الكمومية ::
نظرًا لأن الباحثين يفهمون المزيد حول حد السرعة الكمومية ، سوف يؤثر ذلك على كيفية تصميم معالجات الكمبيوتر الكمومية. فكما اكتشف المهندسون كيفية تقليص حجم الترانزستورات وتجميعها بشكل وثيق معًا على رقاقة كمبيوتر كلاسيكية ، سيحتاجون إلى بعض الابتكارات الذكية لبناء أسرع أنظمة كمية ممكنة ، وتعمل على مقربة قدر الإمكان من الحد الأقصى للسرعة.
هناك الكثير من الأشياء التي يجب على الباحثين استكشافها. ليس من الواضح ما إذا كان الحد الأقصى للسرعة الكمومية مرتفعًا جدًا بحيث يتعذر الوصول إليه. ولا نفهم تمامًا كيف يمكن للعناصر غير المتوقعة في البيئة أن تساعد في تسريع العمليات الكمومية. نظرًا لأن التقنيات القائمة على فيزياء الكم أصبحت أكثر شيوعًا ، سنحتاج لمعرفة المزيد حول حدود فيزياء الكم ، وكيفية هندسة الأنظمة التي تستفيد بشكل أفضل مما نعرفه.
أين من المحتمل أن يكون الكمبيوتر الكمومي مفيدًا أولاً ؟
أحد أكثر التطبيقات الواعدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو محاكاة سلوك المادة وصولاً إلى المستوى الجزيئي. تستخدم شركات تصنيع السيارات مثل فولكس فاجن Volkswagen ودايملر Daimler أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمحاكاة التركيب الكيميائي لبطاريات السيارات الكهربائية للمساعدة في إيجاد طرق جديدة لتحسين أدائها. وتستفيد منها شركات الأدوية لتحليل ومقارنة المركبات التي يمكن أن تؤدي إلى ابتكار أدوية جديدة.
تعد هذه الآلات أيضًا رائعة لمشاكل التحسين لأنها يمكن أن تتغلب على عدد كبير من الحلول المحتملة بسرعة كبيرة. على سبيل المثال ، تستخدمها شركة إيرباص للمساعدة في حساب مسارات الصعود والهبوط الأكثر كفاءة في استهلاك الوقود للطائرات. وكشفت فولكس فاجن Volkswagen عن خدمة تحسب الطرق المثلى للحافلات وسيارات الأجرة في المدن من أجل تقليل الازدحام. يعتقد بعض الباحثين أيضًا أنه يمكن استخدام هذه الآلات لتسريع الذكاء الاصطناعي.
قد تستغرق أجهزة الكمبيوتر الكمومية بضع سنوات لتحقيق إمكاناتها الكاملة. تواجه الجامعات والشركات التي تعمل عليها نقصًا في الباحثين المهرة في هذا المجال – ونقصًا في الموردين لبعض المكونات الرئيسية. ولكن إذا كانت آلات الحوسبة الجديدة والغريبة هذه تفي بوعودها ، فيمكنها تحويل صناعات بأكملها وتحفيز الابداع العالمي.
الحواسيب الكمومية و الحاضر
في الوقت الحالي ، تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية حساسة للغاية , يمكن أن تتسبب الحرارة والمجالات الكهرومغناطيسية والتصادم مع جزيئات الهواء في فقدان الكيوبت لخصائصه الكمومية. هذه العملية ، المعروفة باسم فك الترابط الكمي التي أوضحناها سابقا ، تتسبب في انهيار النظام ، وتحدث بسرعة أكبر كلما زاد عدد الجسيمات المعنية.
تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى حماية الكيوبتات من التداخل الخارجي ، إما عن طريق عزلها فعليًا ، أو إبقائها باردة ، أو الانطلاق بنبضات طاقة يتم التحكم فيها بعناية. هناك حاجة إلى كيوبتات إضافية لتصحيح الأخطاء التي تتسلل إلى النظام.
الحواسيب الكمومية و المستقبل
يسخر الكمبيوتر الكمومي بعض الظواهر شبه الغامضة لميكانيكا الكم لتحقيق قفزات هائلة إلى الأمام في قوة المعالجة. حيث يكمن سر قوة الكمبيوتر الكمومي في قدرته على توليد ومعالجة البتات الكمومية ، أو الكيوبتات. تعد الآلات الكمومية بأن تتفوق حتى على أكثر أجهزة الكمبيوتر العملاقة قدرة اليوم وغدًا.
لكن وجودها لن يمحي أجهزة الكمبيوتر التقليدية. سيظل استخدام آلة كلاسيكية هو الحل الأسهل والأكثر اقتصادا لمعالجة معظم المشاكل. لكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعد بإحداث تطورات مثيرة في مختلف المجالات ، من علوم المواد إلى أبحاث الأدوية. تقوم الشركات بالفعل بإجراء تجارب فيها لتطوير أشياء مثل بطاريات أخف وزنا وأكثر قوة للسيارات الكهربائية ، وللمساعدة في ابتكار أدوية جديدة.
المصادر :: Newscientist.com Technologyreview.com Space.com Howstuffworks.com
