ما هي الحوسبة الكمومية؟ وكيف تعمل وما الفائدة منها؟

مفهوم الحوسبة الكمومية:

الحوسبة الكمومية هي من مجالات علوم الكمبيوتر، تركِّز على تطوير تقنيات الكمبيوتر بالاعتماد على مبادئ نظرية الكم، وتستخدم السلوكات الفريدة لفيزياء الكم لحل المشكلات المعقدة جداً بالنسبة إلى الحوسبة الكلاسيكية.

لقد أصدرت شركة D-Wave Systems أول حاسوب كمي متوفر تجارياً عام 2011، ثمَّ أصدرت شركة IBM نظام Quantum System One عام 2019، بعد ذلك كشفت Osprey عن أول حاسوب كمي حتى الآن في نوفمبر 2022.

شاهد بالفيديو: 10 نصائح تحفظ خصوصيتك على الإنترنت

مبدأ عمل الحوسبة الكمومية:

تستفيد الحوسبة الكمومية من كيفية عمل المادة الكمومية؛ إذ تشرح نظرية الكم طبيعة الطاقة والمادة وسلوكهما على المستويات الكمومية أو الذرية وغير الذرية؛ إذ تستخدم الحوسبة التقليدية البتَّات الثنائية 1 و 0، بينما تستخدم الحوسبة الكمومية 1s و0s، وكلاهما 1 و0 في وقت واحد، وهذا يجعل الحاسوب الكمومي يمتلك قدرة كبيرة على المعالجة؛ إذ إنَّ البتَّات قد تكون في حالات عدة في الوقت نفسه.

تُستخدَم الحالة الكمومية لكائن ما لإنتاج ما يعرف بالكيوبت؛ إذ إنَّ هذه الحالات هي الخصائص غير المحددة لجسم ما قبل أن تُكتشف مثل دوران الإلكترون أو استقطاب الفوتون، فبدلاً من الحصول على موضع واضح تحدث الحالات الكمية غير المقاسة في “تراكب” مختلط، لا يختلف عن عملة معدنية تدور في الهواء قبل أن تهبط في يدك.

كما تستطيع أن تتشابك هذه التراكبات مع التراكبات الخاصة بأشياء أخرى؛ ومن ثَمَّ تكون نتائجها النهائية مرتبطة رياضياً حتى لو لم نكن نعرف ماهيتها بعد.

مكونات الحواسيب الكمومية:

تتكوَّن الحواسيب الكمومية من ثلاثة مكونات: منطقة تحتوي على الكيوبتات طريقة تنقل الإشارات إلى الكيوبتات، وجهاز كمبيوتر كلاسيكي يشغِّل برنامج ويرسل التعليمات؛ حيث الكيوبت أو البت الكمي يعادل البت في الحوسبة التقليدية، فكما أنَّ البت هو الوحدة الأساسية للمعلومات في الحواسيب التقليدية فإنَّ الكيوبت هي الوحدة الأساسية للمعلومات في الحاسوب الكمومي.

تستخدم الحواسيب الكمومية جسيمات تشبه الإلكترونات أو الفوتونات تُعطى بشكل شحنة أو استقطاب لتعمل كـ 0 أو1 أو كلاهما من 0 و1؛ إذ يشير التراكب إلى وضع المعلومات الكمومية التي يحملها الكيوبت في حالة من التكوينات الممكنة كلها، بينما يشير التشابك إلى أنَّ كيوبت واحد قد يغير الآخر مباشرة.

تكون الحواسيب الكمومية كثيفة الاستخدام للموارد، وهذا يجعلها تحتاج إلى قدر كبير من الطاقة والتبريد لتعمل عملاً صحيحاً؛ لذا تأتي مع أنظمة تبريد للحفاظ على درجة حرارة المعالج فائق التوصيل عند حد معين، فعندما تنخفض درجة الحرارة انخفاضاً كبيراً، قد تتدفَّق الإلكترونيات عبر الموصلات الفائقة، التي تكوِّن أزواجاً من الإلكترونات.

كيفية بناء الحواسيب الكمومية:

يتطلب بناء حاسوب كمي وظيفي الاحتفاظ بجسم ما في حالة تراكب لفترة كافية لتنفيذ عمليات مختلفة عليه، لكن في حال التقاء التراكب مع المواد التي تشكل جزءاً من نظام مُقاس، سوف يفقد حالته البينية المعروفة باسم فك الترابط ويصبح بتاً كلاسيكياً قديماً مملاً.

لذا يجب أن تكون الأجهزة قادرة على حماية الحالات الكمية من فك الترابط، مع الحفاظ عليها سهلة القراءة.

مميزات الحوسبة الكمومية:

صُمِّمت أجهزة الحوسبة الكمومية بهدف إجراء عمليات حسابية معقدة بكميات هائلة من البيانات باستخدام ميزات التراكب والتشابك؛ إذ يخلق التراكب الكمي والتشابك معاً قوة حوسبة محسَّنة جداً؛ إذ إنَّ إضافة وحدات بت يزيد السعة زيادة كبيرة.

1. التراكب:

يدل التراكب إلى الكيوبتات التي توجد في التكوينات كلها في وقت واحد، ويعرف الكيوبت بأنَّه إلكترون في مجال مغناطيسي، وقد يكون دورانه بالمحاذاة مع مجال حالة الدوران أو عكسه، ويُغير دوران الإلكترون من حالة إلى أخرى باستخدام نبضة من الطاقة مثل نبضة الليزر، فعند استخدام نصف وحدة من طاقة الليزر، وعزل الجسيم عن التأثيرات الخارجية كلها سوف يدخل في تراكب الحالات، فيتصرَّف الجسيم كما لو كان في الحالتين كلتيهما في وقت واحد.

ذلك لأنَّ الكيوبتات تأخذ تراكباً من 0 و1؛ ومن ثَمَّ عدد العمليات الحسابية التي يستطيع أن ينفذها الحاسوب الكمومي يساوي 2 ^ n تشير n إلى عدد الكيوبتات المستخدمة.

2. التشابك:

جسيمات التشابك هي أزواج متشابكة من الكيوبتات الموجودة في حالة يؤدي فيها تغيير أحد الكيوبتات إلى تغيير الآخر مباشرة، بمعرفة اتجاه دوران أحد الجسيمات المتشابكة، ويزيل دوران الجسيم الآخر في الاتجاه المعاكس، كما أنَّ الجسيم المقاس له اتجاه دوران واحد قبل قياسه بفضل التراكب؛ إذ تحدَّد حالة دورانه في وقت القياس ثمَّ تُوصَل بالجسيم المتصل الذي يفترض في الوقت نفسه اتجاه الدوران المعاكس.

يسمح التشابك الكمي للكيوبتات المفصولة بمسافات كبيرة التفاعل مع بعضها مباشرةً، ومهما كانت المسافة الكبيرة بين الجسيمات المترابطة تبقى متشابكة ما دامت معزولة.

فوائد الحوسبة الكمومية واستخداماتها:

تقدِّم الحوسبة الكمومية فوائد عدة تتجلَّى فيما يأني:

1. السرعة:

أجهزة الكمبيوتر الكمومية سريعة سرعة لا تصدق مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

2. القدرة على حل العمليات المعقدة:

صُمَّمت الحواسيب الكمومية لإجراء عمليات حسابية معقدة عديدة في الوقت نفسه، وهذا يفيد في عوامل التحليل كما تساعد على تطوير تقنيات فك التشفير.

3. المحاكاة:

تستطيع الحواسيب الكمومية تشغيل عمليات محاكاة معقدة، فهي سريعة سرعة تكفي لاستخدامها لمحاكاة أنظمة معقدة أكثر من الحواسيب التقليدية.

4. التحسين:

تمتلك القدرة على تحويل الذكاء الاصطناعي والتعلُّم الآلي بفضل قدرتها على معالجة كميات هائلة من البيانات المعقدة.

عيوب الحوسبة الكمومية:

مع فوائد الحوسبة الكمومية، لكن توجد عقبات ضخمة يجب التغلب عليها وهي:

1. التشوش:

إنَّ اضطراباً صغيراً في النظام الكمومي قد يسبِّب انهيار الحساب الكمي ليحدث فك الترابط؛ لذا يجب أن يكون الحاسوب الكمي معزولاً تماماً عن التداخلات الخارجية كلها في أثناء مرحلة الحساب.

2. تصحيح الأخطاء:

لا تُعدُّ Qubits أجزاء رقمية من البيانات، كما لا تستطيع استخدام تصحيح الخطأ التقليدي؛ إذ إنَّ تصحيح الخطأ هام جداً في الحوسبة الكمية؛ فخطأ واحد في الحساب قد يسبِّب انهيار صلاحية الحساب بالكامل.

3. مراعاة الإخراج:

قد يؤدي استرداد بيانات المخرجات بعد اكتمال الحساب الكمي إلى إفساد البيانات، لكن تحل التطورات هذه المشكلة، مثل خوارزميات البحث في قاعدة البيانات التي تعتمد على شكل الموجة الخاصة لمنحنى الاحتمالية، كما توجد مشكلات أخرى مثل كيفية التعامل مع الأمان والتشفير الكمي.

في الختام:

إنَّ بعض الشركات مثل Google وIBM قد أعلنت أنَّه سيُصدر مزيداً من الحواسيب الكمومية مع قدرات عالية.