تَعد الحوسبة الكَمومية بإحداث ثورة في الطريقة التي نُعالج بها المعلومات ونحلّ المشاكل المعقّدة، مع إمكانية إحداث قفزات في مختلف المجالات كالتشفير و اكتشاف الأدوية، تمثل الحوسبة الكَمومية نقلة نوعية في تكنولوجيا الحوسبة التي تستعد لتغيير عالمنا بطرق لم نكن نتخيلها من قبل.

نبدء بتعريف العلم الذي قاد إلى ابتكار الحوْسبة الكمّومية و هو فزياء الكم.

الكم

يشير الكم إلى مجال الفيزياء الذي يدرس سلوك المادة والطاقة في أصغر المقاييس، عادةً على المستوى الذرّي و دون الذرّي. يعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم، التي تصِف السلوك الاحتمالي للجسيمات والأمواج على مستوى الكم.

في ميكانيكا الكم، لا تمتلك الجسيمات مواقع و سرعات محددة مثل الأجسام الكلاسيكية، ولكن بدلاً من ذلك لها طبيعة شبيهة بالموجة توصف بوظيفة رياضية تُعرف باسم الدالة الموجية. تحتوي هذه الدالة الموجية على جميع المعلومات حول خصائص الجسيم، مثل موقعه و دفعته و طاقته.

تقدم ميكانيكا الكم أيضًا مفهوم التراكب، والذي يسمح للجسيمات بالوجود في حالات أو مواقع متعدّدة في نفس الوقت. بالإضافة إلى ذلك، فإنه يقدّم فِكرة التشابُك، حيث يمكن للجسيمات أن ترتبط بطريقة تجعل حالة أحد الجسيمات تعتمد على حالة الجُسَيْم الآخر، حتى لو بعدت المسافة بينهم.

لميكانيكا الكم العديد من التطبيقات المهمة في مجالات مثل الإلكترونيات و التشفير و علوم المواد، وهي أيضًا أساس التقنيات الناشئة مثل الحوسبة الكمّومية والتواصل الكمّي.

الحوْسبة الكَمومية

الحوْسبة الكمومية هي نوع من الحوْسبة التي تستخدم مبادئ ميكانيكا الكم لإجراء أنواع معيّنة من العمليات الحسابية بسرعة أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

بينما تخزّن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية المعلومات في وحدات "بت" إما 0 أو 1 ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمّومية "بِتات" كمّومية ، أو كيوبتات (qubits) ، يمكنها أن تتواجد في حالات متعدّدة في نفس الوقت. تسمح هذه الخاصّية، التي تسمّى التراكب، لأجهزة الكمبيوتر الكمّومية بإجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت، مما قد يؤدّي إلى تسريع كبير لحل أنواع معيّنة من المشاكل.

مفهوم رئيسي آخر في الحوسبة الكمّومية هو التشابك، و الذي يسمح لحالة كيوبت واحدة أن تعتمد على حالة كيوبت آخر، حتى لو كانت منفصلة بمسافات كبيرة. تسمح هذه الخاصية لأجهزة الكمبيوتر الكمّومية بإجراء أنواع معينة من العمليات الحسابية التي قد تكون مستحيلة بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمّومية في المراحل الأولى من التطوير، و في الوقت الحالي، يمكن التحكم في عدد صغير فقط من وحدات البت ومعالجتها بشكل مَوثوق. يعمل الباحثون على تطوير تقنيات و إيجاد تقنيات جديدة للتّغلّب على هذه التحديات و بناء حواسيب كمّومية أكثر قوة في المستقبل. تمتلك الحوسبة الكمّومية القدرة على إحداث ثورة في مجالات مثل التشْفير وعلوم المواد و اكتشاف الأدوية، و غيرها العديد من المجالات أخرى.

مخطط وصف للكيوبت

التخصّصات المساهمة في تطوير الحوسبة الكمّومية

يعدّ تطوير الحوْسبة الكمومية جهدًا متعدد التخصّصات، فهو يتضمّن مساهمات من مختلف المجالات مثل الفيزياء و علوم الكمبيوتر و الرياضيات والهندسة و علوم المواد. نذكر في مايلي بعض مجالات البحث المحددّة التي تساهم في تطوير هذه التكنولوجيا:

• ميكانيكا الكم: تشكّل مبادئ ميكانيكا الكم أساس تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمّومية، و يتطلب تطوير خوارزميات و بروتوكولات الكم الجديدة فهمًا عميقًا في هذا المجال.
• نظرية المعلومات الكمّومية: يدرس هذا المجال المبادئ الأساسية لمعالجة المعلومات في الأنظمة الكمّومية و يوفّر الأساس النظري للحوْسبة الكمّومية.
• البصريات الكمومية: يدرس هذا المجال تفاعل الضوْء مع المادة و له تطبيقات مهمّة في تطوير أجهزة الحَوْسبة الكمّومية ، مثل إنشاء ومعالجة الكِيوبِتات باستخدام الفوتونات.
• الموصلية الفائقة: تُظهِر بعض المواد، المعروفة باسم الموصلات الفائقة، مقاومة صفرية للتيار الكهربائي عند درجات الحرارة المُنْخَفضَة. تُستخدم هذه المواد لإنشاء وحدات كِيوبِت في بعض أنواع أجهزة الحَوْسَبة الكمّومِية.
• تقنية النانو: يعدّ تصنيع المواد ومعالجتها بالمقياس النانومتري ضروريًا لإنشاء الكِيوبِتات و المكوّنات الأخرى لأجهزة الحوْسبة الكَمّومِية.
• هندسة التحكم: يعد التحكم الدقيق في أنظمة الكم أمرًا ضروريًا للتّشغيل المَوْثوق لأجهزة الكمبيوتر الكَمّومية، و تُستخدم تَقْنِيات هندسة التحكم لمعالجة الحالات الكَمّية وقياسِها.
• تصحيح الخطأ: نظرًا لأن الأنظمة الكَمّومية معرّضة بطبيعتها للأخطاء، فإنّ تطوير تقنيات تصحيح الأخطاء أمر ضروري للتّشغيل المَوثوق لأجهزة الكمبيوتر الكَمّومية.

يتطلّب تطوير الحوْسبة الكمّومية نِطاقًا واسعًا من الخِبرة والتعاون المتعدّد التخصّصات بين الباحثين في العديد من المجالات المختلفة.

حاسوب كمي ب50 كيوبت

التطور الذي ستحدثه الحَوسبة الكَمّومية

للحَوْسبة الكَمّومية القُدرة على إحداث تغيّرات و تطوّرات كبيرة في مختلف التقنيات. فيما يلي بعض التطوّرات المترقّب أن تُحْدثها:

• حَل المشاكل بشَكْل أسْرع: تمتلك الحَوْسبة الكَمّية القُدْرة على حل المشكلات بسرعة أكبر أسياً من أجهزة الكمبيوتر التقليدي، بحيث يمكنها أن تستغرق بضع ثواني في حل مشاكل يستغرق أحدث الكمبيوترات ألاف السنوات في حلها. قد يؤدّي هذا إلى تطوّرات كبيرة في مجالات مثل التشْفير و علوم المواد و اكتشاف الأدوية و التعلم الآلي.
• تطبيقات جديدة: يمكن للحَوْسبة الكَمّية أن تمكّن من تطوير تطبيقات جديدة لم تكن مُمكِنة مع الحَوْسبة الكلاسيكية. فعلى سبيل المثال، يمكن للتشفير الكَمّومي إحداث تشفير غير قابل للكسر و يمكن لمحاكاة الكم أن تمثل نموذجًا لسلوك الأنظمة المعقّدة مثل البروتينات.
• تحسين في الدقّة: يمكن أن تُوفر الحوْسبة الكمّية دقّة أحسن في عمليات المحاكاة والتنبؤ للأنظمة المعقدة مثل التنبؤ بالطقس والنمذجة المالية وكيمياء الكم.
• زيادة في الكفاءة: يمكن للحوسبة الكمية أن تمكّن من تَطْوير خوارزميات أكثر كفاءة لمشاكل التحسين المختلفة، مثل إدارة سلاسل التوريد، و تخطيط النقل ، و الخدمات اللوجستية.
• تقنيات الأجهزة الجديدة: يتطلب تطوير الحَوْسبة الكَمومية تقنيات جديدة مثل الكيوبِتات، والتي يمكن أن يكون لها تطبيقات تتجاوز الحَوْسبة الكَمومية. على سبيل المثال، يمكن أن توفر أجهزة الاستشعار الكمومية قياسات وتصويرًا أكثر دقّة من المستشْعِرات الكلاسيكية.
• التغييرات في الصناعات والقوى العامِلة: من المرجّح أن يؤدي تطوّر الحَوْسبة الكَمومية إلى إحداث تغييرات في الصناعات، فضلاً عن تطلبها قوة عامِلة ذات مهارات وخِبرات جديدة.

الثورة المرتقبة

للحَوْسبة الكَمّومية القُدرة على إحداث ثَورة في العديد من المجالات من خِلال تَوفير طريقة لإجراء أنواع معيّنة من العمليات الحسابيّة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. من بعْض التطبيقات المحتملة للحَوْسبة الكَمومية ما يلي:

• التشْفير: تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكَمومية القدرة على كسر العديد من خَوارزميات التشفير الشائعة الاستخدام ، حيث يمكن أن يكون لها آثار كبيرة على الأمن المعلوماتي. و بذلك ، يمكن استخدامها أيضًا لتطوير أنظمة تشفير جديدة تُقاوم هجمات أجهزة الكمبيوتر الكَمومية.
• علم المواد: يمكن استخدام الحَوسبة الكَمّيَة لمحاكاة سلوك الجُزيئات و المواد، ممّا قد يؤدي إلى اكتشاف مواد جديدة ذات خصائص مرغوبة، مثل الموصلية الفائقة.
• اكتشاف الأدوية: يمكن استخدام الحَوسبة الكَمية لمحاكاة سلوك الأنظمة البيولوجية المعقّدة، مثل البروتينات، والتي يمكن أن تساعد في اكتشاف عقاقير و عِلاجات جديدة.
• التحسين: تتطلّب العديد من مشاكل العالم الحقيقي، مثل التخطيط و تعيين المسار، تحسين عدد كبير من المتغيرات. يمكن استخدام الحَوْسبة الكَمومية لحل هذه المشاكل بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
• التعلّم الآلي: للحَوسبة الكَمية القُدرة على تسْريع أنواع معيّنة من خوارزميات التعلم الآلي بشكل كبير، مما قد يؤدي إلى تحسينات في مجال الذكاء الاصطناعي.
• النمذَجة المالية: يمكن استخدام الحَوسبة الكمية لمحاكاة سلوك الأسواق المالية، مما قد يساعد في تطوير نماذج أكثر دقّة لإدارة المخاطر وتحسين أداء المحفظات و الأصول المالية.

من المترقّب أنّ التطور الذي ستُحقّقه الحَوْسَبة الكَمّية سَيكون كبير و يمكن أن يؤدّي إلى تطبيقات جديدة و تطّورات كبيرة في مختلف المجالات. غير أن تحقيق الإمكانات الكاملة للحَوْسبة الكَمومية يتطلب التغلّب على العديد من التحديات التقنية، وقد يستغرق الأمر عدة سنوات أو حتى عقود لتحقيق هذا الهدف.

تحديات الحَوسبة الكَمومية

للحَوسبة الكَمومية قيود يجب معالجتها قبل أن يمكن تحقيق الإمكانات الكاملة لها. من بين القيود الرئيسية للحَوسبة الكَمومية ما يلي:

• هَشاشة الكِيوبتات: Qubits، اللّبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، هشة للغاية و يمكن أن تتأثر بسهولة ببيئتها. بحيث يتسبّب ذلك في حدوث أخطاء في الحسابات و يتطلب تقنيات معقّدة لتصحيح هذه الأخطاء.
• فك الترابط: يمكن أن تفقد Qubits حالتها الكمومية بسبب التفاعلات مع بيئتها، وهي ظاهرة تُعرف باسم فك الترابط. يحد فك الترابط من مقدار الوقت الذي يمكن أن تبقى فيه الكِيوبِتات في حالة كمية و عدد الكِيوبِتات التي يمكن استخدامها في الحساب.
• اتصال كِيوبت محدود: في العديد من أنواع أجهزة الحَوسبة الكَمومية، لا يمكن للكِيوبت أن تتفاعل إلا مع عدد محدود من الكِيوبِتات الأخرى. و هذا يحد من تعقيد الحسابات التي يمكن إجراؤها.
• تطلّب موارد عالية: تتطلّب الحَوسبة الكَمية أجهزة و برامج متخصّصة باهظة الثمن و يصعُب تطويرُها. هذا يجعل من الصعب توسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية لإجراء عمليات حسابية أكبر.
• مجموعة محدودة من المشاكل: في حين أن أجْهِزة الكَمبيوتر الكَمومية يمكنها حل أنواع معينة من المشاكل بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية، إلا أن هناك مجموعة محدودة من المشاكل التي تمّ تطوير خوارزميات كَمومية لها.
• تعقيد البرمجة: تتطلب الحَوسبة الكَمّية نموذجًا جديدًا للبرمجة، والذي يمكن أن يكون معقدًا و صعْب الإتقان.

في نطاق هذه التحديات، تتّجه الجهود البحثية إلى تطوير أنواع جديدة من الكِيوبِتات و تحسين تقنيات تصحيح الأخطاء و تطوير خوارزميات كَمومية جديدة يمكنها حل مجموعة أوسع من المشاكل.

عن الأبحاث الجارية

هناك العديد من الجهود الجارية التي تهدف إلى معالجة قُيود الحَوسبة الكَمومية. في ما يلي نذكر بعض المجالات الرئيسية التي يجري البحث فيها:

• تقنيات Qubit: أحد التحديات الرئيسية في الحَوسبة الكَمومية هو تطوير كيوبتات مستقرة و قابلة للتّطوير. هناك جهود بحثية لتطوير أنواع جديدة من الكِيوبِتات أقل عُرضة للأخطاء و فك الترابط، مثل كِيوبِتات طوبولوجية، و كِيوبت ماجورانا ، و كيوبت مركز NV الماسي.
• تقنيات تصحيح الخطأ: هناك مجال رئيسي آخر للبحث و هو تطوير تقنيات تصحيح الأخطاء للتخفيف من آثار الضوضاء والأخطاء في الحسابات الكَمومية. يتضمن ذلك تطوير خوارزميات جديدة يمكنها اكتشاف الأخطاء وتصحيحها في وقتها الفعلي، بالإضافة إلى تطوير طرق جديدة لترميز المعلومات في الكِيوبِت لجعلها أكثر مقاومة للضوضاء و الأخطاء.
• برمجيات الكم: تعد البرامج الكَمومية مجالًا نشيطا للبحث، حيث الجهود المستمرة لتطوير خوارزميات جديدة و لغات برمجة محسّنة لأجهزة الكَمبيوتر الكَمومية. يتضمّن ذلك تطوير طرق جديدة لتجميع الدوائر الكَمومية و تحسينِها، بالإضافة إلى تطوير خوارزميات جديدة لتعلم الآلة الكَمومية وتقنيات محاكاة الكم.
• الشبكات و التواصل الكمي: تعدّ الشبكات و التواصل الكَمومي أيضًا مجالات نشيطة للبحث، و هدفها تطوير أجهزة إعادة الإرسال الكَمومية ، و أجهزة التوجيه الكَمومية ، و بروتوكولات الاتصال الكَمّي التي تمكّن من الاتصال الآمن و الحَوسبة الكَمومية لمسافات طويلة.
• الحَوسبة الكَمومية الهجينة: الحَوسبة الكمومية الهجينة هي مجال آخر من مجالات البحث، حيث تُستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية للتّحكم في الكِيوبِتات وقراءتها في الكمبيوتر الكَمومي. يمكن أن يُتيح هذا النّهج استخدام خوارزميات كمّية أكبر وأكثر تعقيدًا ، مع الاستفادة أيضًا من قوة الحَوسَبة الكلاسيكية لتحسين النتائج و تحليلها.

بصورة عامة، تركز جهود البحث الجارية على تطوير أجهزة و برامج و خوارزميات جديدة للتغلب على قيود الحَوسبة الكمومية، و لتمكين تطوير تقنيات الحوسبة الكَمية العملية و القابلة للاستخدام و التّطوير.