ما هي الحوسبة الكمومية؟!

ما هي الحوسبة الكمومية: تعريفها، وكيفية استخدامها

هل تعلم ما هي الحوسبة الكمومية؟!

الحوسبة الكمومية هي أحد مجالات علوم الكمبيوتر التي تستخدم مبادئ نظرية الكم.

حيث تشرح نظرية الكم سلوك الطاقة والمواد على المستويين الذري ودون الذري.

و تستخدم الحوسبة الكمومية الجسيمات دون الذرية، مثل الإلكترونات أو الفوتونات.

و تسمح البتات الكمومية، أو الكيوبتات، لهذه الجسيمات بالتواجد في أكثر من حالة (أي 1 و0) في نفس الوقت.

من الناحية النظرية، يمكن للبتات الكمومية المرتبطة “استغلال التداخل بين حالاتها الكمومية الشبيهة بالموجة لإجراء حسابات قد تستغرق ملايين السنين”.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية اليوم تيارًا من النبضات الكهربائية (1 و 0) بطريقة ثنائية لتشفير المعلومات بالبت. وهذا يحد من قدرتها على المعالجة، مقارنة بالحوسبة الكمومية.

المعلومات الأساسية

تستخدم الحوسبة الكمومية ظواهر فيزياء الكم لإنشاء طرق جديدة للحوسبة.

تتضمن الحوسبة الكمومية الكيوبتات.

على عكس بت الكمبيوتر العادي، والذي يمكن أن يكون إما 0 أو 1، يمكن أن يوجد الكيوبت في حالة متعددة الأبعاد.
تنمو قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل كبير مع زيادة عدد الكيوبتات.
يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تضيف المزيد من البتات زيادة الطاقة بشكل خطي فقط.

فهم الحوسبة الكمومية

ظهر مجال الحوسبة الكمومية في الثمانينات. تم اكتشاف أنه يمكن معالجة بعض المشكلات الحسابية بشكل أكثر كفاءة باستخدام الخوارزميات الكمومية مقارنة بنظيراتها الكلاسيكية.

تتمتع الحوسبة الكمومية بالقدرة على غربلة أعداد هائلة من الاحتمالات واستخراج الحلول المحتملة للمشاكل والتحديات المعقدة.

حيث تقوم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بتخزين المعلومات على شكل بتات إما 0 أو 1، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات. تحمل البتات الكمومية المعلومات في حالة كمومية تتفاعل مع 0 و1 بطريقة متعددة الأبعاد.

وقد جذبت هذه الإمكانات الحاسوبية الهائلة وحجم السوق المتوقع لاستخدامها انتباه بعض 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
المالية
الشؤون العسكرية والاستخبارات
تصميم الأدوية واكتشافها
تصميم الطيران
المرافق (الاندماج النووي)
تصميم البوليمر
التعلم الآلي
الذكاء الاصطناعي (AI)
البحث في البيانات الضخمة و الرقمية.

كما يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية:

لتحسين المشاركة الآمنة للمعلومات.
أو لتحسين الرادارات وقدرتها على كشف الصواريخ والطائرات.

المجال الآخر الذي من المتوقع أن تساعد فيه الحوسبة الكمومية هو:

البيئة
والحفاظ على نظافة المياه باستخدام أجهزة الاستشعار الكيميائية.

فيما يلي بعض الفوائد المحتملة للحوسبة الكمومية:

قد تكون المؤسسات المالية قادرة على استخدام الحوسبة الكمومية لتصميم محافظ استثمارية أكثر فعالية وكفاءة لعملاء التجزئة والمؤسسات. حيث يمكنهم التركيز على إنشاء محاكيات تداول أفضل وتحسين اكتشاف الاحتيال.
كما يمكن لصناعة الرعاية الصحية استخدام الحوسبة الكمومية لتطوير أدوية جديدة ورعاية طبية تستهدف الجينات. ويمكنه أيضًا تعزيز أبحاث الحمض النووي الأكثر تقدمًا.
ولتحقيق أمان أقوى عبر الإنترنت، يمكن أن تساعد الحوسبة الكمومية في تصميم تشفير أفضل للبيانات وطرق لاستخدام الإشارات الضوئية للكشف عن المتسللين في النظام.
يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتصميم طائرات وأنظمة تخطيط حركة المرور أكثر كفاءة وأمانًا.

40%

النسبة المئوية للشركات الكبيرة التي تخطط لإنشاء مبادرات حول الحوسبة الكمومية بحلول عام 2025، وفقًا لبحث أجرته مؤسسة جارتنر.

مميزات الحوسبة الكمومية

التراكب والتشابك هما سمتان من سمات فيزياء الكم التي تعتمد عليها الحوسبة الكمومية.

إنها تمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من التعامل مع العمليات بسرعات أعلى بشكل كبير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية وباستهلاك أقل بكثير للطاقة.

ومن أهم مميزات الحوسبة الكمومية، نذكر:

1. التراكب

وفقًا لشركة IBM، فإن ما يمكن أن يفعله الكيوبت وليس ما هو مميز. يضع الكيوبت المعلومات الكمومية التي يحتوي عليها في حالة من التراكب.

و يشير هذا إلى مجموعة من جميع التكوينات الممكنة للبت الكمي. “يمكن لمجموعات الكيوبتات المتراكبة إنشاء مساحات حسابية معقدة ومتعددة الأبعاد. ويمكن تمثيل المشكلات المعقدة بطرق جديدة في هذه المساحات.”

2. التشابك

التشابك جزء لا يتجزأ من قوة الحوسبة الكمومية. يمكن جعل أزواج من الكيوبتات متشابكة. وهذا يعني أن الكيوبتين موجودان في حالة واحدة. في مثل هذه الحالة، يؤثر تغيير أحد الكيوبتات بشكل مباشر على الآخر بطريقة يمكن التنبؤ بها.

تم تصميم خوارزميات الكم للاستفادة من هذه العلاقة في حل المشكلات المعقدة. في حين أن مضاعفة عدد البتات في الكمبيوتر الكلاسيكي يؤدي إلى مضاعفة قوة المعالجة، فإن إضافة الكيوبتات يؤدي إلى ارتفاع هائل في قوة وقدرة الحوسبة.

3. فك الترابط

يحدث فك الترابط عندما يتحلل السلوك الكمي للكيوبتات. إذ يمكن أن تنزعج الحالة الكمومية على الفور بسبب الاهتزازات أو التغيرات في درجات الحرارة.

كما يمكن أن يتسبب هذا في سقوط الكيوبتات من التراكب والتسبب في ظهور أخطاء في الحوسبة.

و من المهم حماية الكيوبتات من مثل هذا التداخل، على سبيل المثال، عن طريق:

الثلاجات فائقة التبريد
والعزل
والغرف المفرغة.

حدود الحوسبة الكمومية

توفر الحوسبة الكمومية إمكانات هائلة للتطورات وحل المشكلات في العديد من الصناعات. ومع ذلك، في الوقت الحاضر، لديها حدودها.

يمكن أن يحدث فك الترابط، أو الاضمحلال، بسبب أدنى اضطراب في بيئة الكيوبت. وينتج عن ذلك انهيار الحسابات أو حدوث أخطاء فيها. كما ذكرنا سابقًا، يجب حماية الكمبيوتر الكمي من كافة التدخلات الخارجية أثناء مرحلة الحوسبة.
لم يتم تحسين تصحيح الأخطاء أثناء مرحلة الحوسبة. وهذا يجعل الحسابات غير موثوقة. نظرًا لأن الكيوبتات ليست أجزاء رقمية من البيانات، فلا يمكنها الاستفادة من حلول تصحيح الأخطاء التقليدية التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
يمكن أن يؤدي استرداد النتائج الحسابية إلى إتلاف البيانات. إن التطورات، مثل خوارزمية بحث معينة في قاعدة البيانات، والتي تضمن أن عملية القياس ستتسبب في فك ارتباط الحالة الكمومية بالإجابة الصحيحة، تحمل وعدًا.
الأمان والتشفير الكمي لم يتم تطويرهما بشكل كامل بعد.
إن نقص البتات الكمومية يمنع أجهزة الكمبيوتر الكمومية من الارتقاء إلى مستوى إمكاناتها للاستخدام المؤثر. لم ينتج الباحثون بعد أكثر من 128، اعتبارًا من عام 2019

وفقًا لقائد الطاقة العالمي إيبردولا، “يجب أن لا تحتوي أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقريبًا على أي ضغط جوي، ودرجة حرارة محيطة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) وعزل عن المجال المغناطيسي للأرض لمنع الذرات من التحرك، أو الاصطدام ببعضها البعض، أو التفاعل مع البيئة.”

“بالإضافة إلى ذلك، تعمل هذه الأنظمة فقط لفترات زمنية قصيرة جدًا، بحيث تصبح المعلومات تالفة ولا يمكن تخزينها، مما يزيد من صعوبة استعادة البيانات.”

الكمبيوتر الكمي مقابل الكمبيوتر الكلاسيكي

تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية ببنية أساسية أكثر من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. ليس لديهم ذاكرة أو معالج. كل ما يستخدمه الكمبيوتر الكمي هو مجموعة من الكيوبتات فائقة التوصيل.
تعالج أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية المعلومات بشكل مختلف. يستخدم الكمبيوتر الكمي الكيوبتات لتشغيل خوارزميات الكم متعددة الأبعاد. تزداد قوة المعالجة الخاصة بهم بشكل كبير مع إضافة الكيوبتات. يستخدم المعالج الكلاسيكي البتات لتشغيل برامج مختلفة. وتزداد قوتها خطيًا مع إضافة المزيد من البتات. تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بقدرة حاسوبية أقل بكثير.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هي الأفضل للمهام اليومية وتتميز بمعدلات خطأ منخفضة. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية مثالية لمستوى أعلى من المهام، على سبيل المثال، تشغيل عمليات المحاكاة، وتحليل البيانات (مثل التجارب الكيميائية أو الدوائية)، وإنشاء بطاريات موفرة للطاقة. يمكن أن يكون لديهم أيضًا معدلات خطأ عالية.
لا تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إلى رعاية خاصة إضافية. قد يستخدمون مروحة داخلية أساسية لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. تحتاج المعالجات الكمومية إلى الحماية من أدنى الاهتزازات ويجب أن تبقى باردة للغاية. ويجب استخدام السوائل الفائقة التبريد لهذا الغرض.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر تكلفة وأصعب في البناء من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

وفي عام 2019، أثبتت جوجل أن الكمبيوتر الكمي يمكنه حل مشكلة في دقائق، في حين أن الكمبيوتر الكلاسيكي قد يستغرق 10000 عام.

أجهزة الكمبيوتر الكمي في التنمية

جوجل

تنفق جوجل مليارات الدولارات لبناء حاسوبها الكمي بحلول عام 2029. وافتتحت الشركة حرمًا جامعيًا في كاليفورنيا يسمى Google AI لمساعدتها على تحقيق هذا الهدف. وبمجرد تطويرها، تستطيع جوجل إطلاق خدمة الحوسبة الكمومية عبر السحابة.

آي بي إم

وتخطط شركة IBM لامتلاك حاسوب كمي بسعة 1000 كيوبت بحلول عام 2023. وفي الوقت الحالي، تسمح شركة IBM بالوصول إلى أجهزتها للمؤسسات البحثية والجامعات والمختبرات التي تشكل جزءًا من شبكتها الكمومية.

مايكروسوفت

توفر Microsoft للشركات إمكانية الوصول إلى التكنولوجيا الكمومية عبر منصة Azure Quantum.

آخرون

هناك اهتمام بالحوسبة الكمومية وتقنياتها من قبل شركات الخدمات المالية مثل: JPMorgan Chase و Visa.

الأسئلة الشائعة حول الحوسبة الكمومية

ما هي الحوسبة الكمومية بأبسط المصطلحات؟

تتعلق الحوسبة الكمومية بالحوسبة التي يتم إجراؤها بواسطة الكمبيوتر الكمي. بالمقارنة مع الحوسبة التقليدية التي يقوم بها الكمبيوتر الكلاسيكي، يجب أن يكون الكمبيوتر الكمي قادرًا على تخزين المزيد من المعلومات والعمل باستخدام خوارزميات أكثر كفاءة. وهذا يترجم إلى حل المهام المعقدة للغاية بشكل أسرع.

ما مدى صعوبة بناء كمبيوتر كمي؟

يستغرق بناء الكمبيوتر الكمي وقتًا طويلاً ومكلفًا للغاية. تعمل جوجل على بناء حاسوب كمي منذ سنوات وأنفقت مليارات الدولارات.

وتتوقع أن يكون الكمبيوتر الكمي الخاص بها جاهزًا بحلول عام 2029 .

و قد كانت تأمل شركة IBM أن يكون لديها جهاز كمبيوتر كمي بسعة 1000 كيوبت بحلول عام 2023.

كم تكلفة الكمبيوتر الكمي؟

الكمبيوتر الكمي يكلف مليارات الدولارات لبنائه. ومع ذلك، في عام 2020، خططت شركة Shenzhen SpinQ Technology ومقرها الصين لبيع كمبيوتر كمي مكتبي بقيمة 5000 دولار للمستهلكين للمدارس والكليات. وفي العام السابق، بدأت بيع جهاز كمبيوتر كمي مقابل 50 ألف دولار.

ما مدى سرعة الكمبيوتر الكمي؟

يعد الكمبيوتر الكمي أسرع بعدة مرات من الكمبيوتر الكلاسيكي أو الكمبيوتر العملاق. ويُقال إن الكمبيوتر الكمي الذي طورته شركة Google، Sycamore، قد أجرى عملية حسابية في 200 ثانية، مقارنة بـ 10.000 عام التي يستغرقها أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر في العالم، IBM’s Summit، لحلها.

وقد اعترضت شركة IBM على ادعاءات Google، قائلة إن حاسوبها العملاق يمكنه حل العملية الحسابية خلال يومين ونصف. ومع ذلك، فهذا أبطأ بـ 1000 مرة من الآلة الكمومية من Google.

وفي الختام:

تختلف الحوسبة الكمومية كثيرًا عن الحوسبة الكلاسيكية. ويستخدم الكيوبتات، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 في نفس الوقت. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية البتات، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 فقط.

ونتيجة لذلك، أصبحت الحوسبة الكمومية أسرع وأقوى بكثير. ومن المتوقع أن يتم استخدامه لحل مجموعة متنوعة من المهام المعقدة للغاية والجديرة بالاهتمام.

و على الرغم من أن لها حدودها في هذا الوقت، إلا أنها جاهزة للعمل من قبل العديد من الشركات ذات الطاقة العالية في عدد لا يحصى من الصناعات.

اقرأ أيضًا:

ما هو تشفير البيانات ؟!

الفرق بين التشفير المتماثل وغير المتماثل

ما هي خوارزمية RSA ؟!