ما هو الحوسبة الكمومية؟ العصر التالي للتطور الحسابي ، وأوضح

عندما تتعثر لأول مرة عبر مصطلح “الكم الحاسوبي” ، فقد تنطلق منه كمفهوم خيال علمي بعيد المدى بدلاً من عنصر أخبار حالي جاد.

ولكن مع طرح العبارة بتواتر متزايد ، من المفهوم أن نتساءل بالضبط عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وبقدر ما تكون مفهوما أن تكون في حيرة فيما يتعلق بمكان الغوص فيها. وإليك المتهدمة بشأن ماهية أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ولماذا يوجد الكثير الطنانة من حولهم ، وما قد تعني بالنسبة لك.

ما هي الحوسبة الكمومية وكيف تعمل؟

تعتمد جميع الحوسبة على وحدات البت ، وهي أصغر وحدة من المعلومات التي يتم تشفيرها كحالة “تشغيل” أو “إيقاف” ، والتي يشار إليها عمومًا باسم 1 أو 0 ، في وسيط مادي أو آخر.

معظم الوقت ، يأخذ الشكل المادي بعض الشيء إشارة كهربائية تنتقل عبر الدوائر في اللوحة الأم للكمبيوتر. من خلال ربط سلسلة متعددة من البتات معًا ، يمكننا تمثيل أشياء أكثر تعقيدًا وفائدة مثل النص والموسيقى والمزيد.

ibms سكوت القرود على الطفولة من أجهزة الكمبيوتر الكم ibm جهاز كمبيوتر 5
أبحاث IBM

الاختلافان الرئيسيان بين البتات الكمومية والبتات “الكلاسيكية” (من أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم) هما الشكل المادي الذي تتخذه البتات ، وبالمقابل ، طبيعة البيانات المشفرة فيها. يمكن أن توجد البتات الكهربائية لجهاز كمبيوتر تقليدي في حالة واحدة فقط في وقت واحد ، إما 1 أو 0.

تُصنع البتات الكمومية (أو “البتات”) من جسيمات دون ذرية ، أي الفوتونات الفردية أو الإلكترونات. لأن هذه الجسيمات دون الذرية تتفق أكثر مع قواعد ميكانيكا الكم عن الميكانيكا الكلاسيكية ، فإنها تظهر الخصائص الغريبة للجزيئات الكمومية. وأبرز هذه الخصائص لعلماء الكمبيوتر هو التراكب. هذه هي فكرة أن الجسيم يمكن أن يوجد في حالات متعددة في وقت واحد ، على الأقل حتى يتم قياس تلك الحالة وتنهار في حالة واحدة. من خلال تسخير خاصية التراكب هذه ، يمكن لعلماء الكمبيوتر جعل الكودبيتات تشفير 1 و 0 في نفس الوقت .

الغريب الميكانيكي الكمومي الآخر الذي يجعل علامة الحواسيب الكمومية هو التشابك ، وهو عبارة عن ربط لجزيئين الكم أو ، في هذه الحالة ، جربتان. عندما يكون الجسيمان متشابكين ، فإن التغيير في حالة أحد الجسيمات سيغير حالة شريكه بطريقة يمكن التنبؤ بها ، ويكون ذلك مفيدًا عندما يحين الوقت للحصول على كمبيوتر كمّي لحساب إجابة المشكلة التي تغذيها.

تبدأ وحدات البت الكمومية للكمبيوتر في حالتها المختلطة 1 و 0 حيث يبدأ الكمبيوتر في البداية في التغلب على مشكلة ما. عندما يتم العثور على الحل ، تنهار البتات في التراكب إلى الاتجاه الصحيح للثابتين 1 و 0 ثانية لإرجاع الحل.

ما هي فائدة الحوسبة الكمومية؟

بصرف النظر عن حقيقة أنها بعيدة كل البعد عن متناول جميع فرق البحث باستثناء معظم النخبة (ومن المرجح أن تظل هكذا لفترة من الوقت) ، فإن معظمنا لا يستفيد كثيرًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لا تقدم أي ميزة حقيقية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لأنواع المهام التي نقوم بها معظم الوقت.

ومع ذلك ، فحتى أكثر الحواسيب العملاقة الكلاسيكية روعة تواجه صعوبة في حل بعض المشكلات بسبب تعقيدها الحسابي المتأصل. وذلك لأن بعض الحسابات لا يمكن تحقيقها إلا عن طريق القوة الغاشمة ، والتخمين حتى يتم العثور على الجواب. لقد انتهى الأمر بالعديد من الحلول الممكنة التي قد تستغرق آلاف السنين لجميع الحواسيب العملاقة في العالم مجتمعة للعثور على الحل الصحيح.

ibms سكوت القرود على الطفولة من أجهزة الكمبيوتر الكم ibm جهاز كمبيوتر 11
أبحاث IBM

يمكن أن تسمح خاصية التراكب التي تعرضها الكيبيتات للحواسب العملاقة بخفض وقت التخمين هذا بشكل كبير. لا يمكن لحسابات التجربة والخطأ في الحوسبة الكلاسيكية أن تخمن إلا مرة واحدة في كل مرة ، في حين أن الحالة المزدوجة 1 و 0 لحجم الكومبت للكمبيوتر الكمومي تتيح لها إجراء تخمينات متعددة في نفس الوقت.

لذا ، ما نوع المشاكل التي تتطلب كل هذا التخمين حساب تستغرق وقتا طويلا؟ ومن الأمثلة على ذلك محاكاة الهياكل الذرية ، وخاصة عندما تتفاعل كيميائيا مع تلك الموجودة في الذرات الأخرى. مع كمبيوتر الكم الذي يشغل النمذجة الذرية ، يمكن للباحثين في علوم المواد إنشاء مركبات جديدة لاستخدامها في الهندسة والتصنيع. أجهزة الكمبيوتر الكمومية مناسبة تمامًا لمحاكاة الأنظمة المعقدة المشابهة ، مثل قوى السوق الاقتصادية ، وديناميات الفيزياء الفلكية ، أو أنماط الطفرة الوراثية في الكائنات الحية ، على سبيل المثال لا الحصر.

في خضم كل هذه التطبيقات غير الفعالة عمومًا لهذه التقنية الناشئة ، هناك أيضًا بعض الاستخدامات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تثير مخاوف خطيرة. إلى حد بعيد الضرر الأكثر شيوعًا هو احتمال قيام أجهزة الكمبيوتر الكمومية بكسر بعض أقوى خوارزميات التشفير المستخدمة حاليًا .

في أيدي خصم عدواني من قبل حكومة أجنبية ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تهدد قطاعًا واسعًا من حركة مرور الإنترنت الآمنة ، تاركةً الاتصالات الحساسة عرضة للمراقبة الواسعة النطاق. يجري العمل حاليًا لتنضج أصفار التشفير استنادًا إلى الحسابات التي لا يزال من الصعب على أجهزة الكمبيوتر الكمومية القيام بها ، ولكنها ليست جاهزة تمامًا للوقت الأولي ، أو يتم اعتمادها على نطاق واسع في الوقت الحالي.

هل الحوسبة الكمومية ممكنة؟

قبل أكثر من عقد بقليل ، كان التصنيع الفعلي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بالكاد في مراحله الأولية. بداية من 2010 ، على الرغم من ذلك ، بدأ تطوير أجهزة الكمبيوتر الكم النموذجية العاملة. قام عدد من الشركات بتجميع أجهزة كمبيوتر كمومية عاملة منذ عدة أعوام ، حيث ذهب IBM إلى أبعد من ذلك للسماح للباحثين والهواة بتشغيل برامجهم الخاصة عبر السحابة .

ميزة الحوسبة الكمية من IBM
براد جونز / الاتجاهات الرقمية

على الرغم من الخطوات الكبيرة التي قطعتها شركات مثل IBM بلا شك لبناء نماذج أولية فعالة ، لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية في مهدها. في الوقت الحالي ، تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي بنتها فرق البحث حتى الآن الكثير من النفقات العامة لتنفيذ تصحيح الأخطاء. مقابل كل كيلوبت يقوم بحساب فعلي ، هناك العشرات الذين تتمثل مهمتهم في تعويض خطأ الشخص. مجموع كل هذه الروايات qubits يجعل ما يسمى “qubit المنطقي”.

القصة القصيرة ، عمد عمال الصناعة والأكاديميات إلى جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل ، لكنهم يفعلون ذلك بشكل غير فعال.

من لديه كمبيوتر الكم؟

لا تزال المنافسة الشرسة بين الباحثين الكمبيوترات الكمومية مشتعلة ، بين اللاعبين الكبار والصغار على حد سواء. من بين أولئك الذين لديهم أجهزة كمبيوتر كمومية هي شركات التكنولوجيا المهيمنة تقليديًا التي يتوقعها المرء: IBM و Intel و Microsoft و Google.

كما هو الحال بالنسبة للمشروع الدقيق والمكلف مثل إنشاء كمبيوتر الكم ، هناك عدد مدهش من الشركات الأصغر وحتى الشركات الناشئة التي ترتفع إلى مستوى التحدي.

حفزت أنظمة D-Wave العجاف نسبيًا العديد من التطورات في هذا المجال ، وأثبتت أنها لم تكن متعارضة عن طريق الإجابة على إعلان Google الهام مع خبر صفقة ضخمة مع Los Alamos National Labs . ومع ذلك ، فإن المنافسين الصغار مثل Rigetti Computing يسابقون أنفسهم لتأسيس أنفسهم كمبدعين للحوسبة الكمومية .

آي بي إم الحوسبة الكمومية عام 2019 ف نظام رأس واحد

بناءً على من تسأل ، ستحصل على رائد مختلف عن الكمبيوتر الكم “الأقوى”. من المؤكد أن غوغل قدمت موقفها مؤخرًا من خلال تحقيقها التفوق الكمومي ، وهو المقياس نفسه الذي ابتكرته Google أكثر أو أقل. تفوق الكم هو النقطة التي يكون فيها الكمبيوتر الكمومي قادرًا أولاً على التفوق على الكمبيوتر الكلاسيكي في بعض العمليات الحسابية. تمكن نموذج Google Sycamore المجهز بـ 54 كيلو بايت من اختراق هذا الحاجز من خلال التغلب على مشكلة في أقل من ثلاث دقائق ونصفًا تقريبًا والتي قد تستغرق أقوى حاسوب عملاق كلاسيكي يصل إلى 10000 عام.

لا ينبغي تجاوزها ، تفتخر D-Wave أن الأجهزة التي ستزودها قريبًا بلوس ألاموس تزن 5000 رطل لكل مرة ، على الرغم من أنه يجب الإشارة إلى أن نوعية روايات D-Wave قد تم التشكيك فيها من قبل . لم يقم IBM بنفس النوع من البداية مثل Google و D-Wave في العامين الماضيين ، ولكن لا ينبغي عدهما بعد ، خاصةً بالنظر إلى سجلهما في الإنجازات البطيئة والمطردة .

ببساطة ، السباق على أقوى كمبيوتر كمومي في العالم مفتوح على مصراعيها كما كان من قبل.

هل ستستبدل الحوسبة الكمومية الحوسبة التقليدية؟

الجواب القصير على هذا هو “ليس حقا” ، على الأقل في المستقبل القريب. تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية حجمًا هائلاً من المعدات وبيئات مضبوطة جيدًا للعمل. تتطلب البنية الرائدة التبريد إلى مجرد درجات أعلى من الصفر المطلق ، مما يعني أنها ليست قريبة من أي مكان عملي بالنسبة للمستهلكين العاديين.

Kva Svore Microsoft Q # Quantum Computing Computing
مايكروسوفت

ولكن كما أثبت انفجار الحوسبة السحابية ، فلن تحتاج إلى امتلاك جهاز كمبيوتر متخصص لتسخير قدراته. كما ذكر أعلاه ، تقدم IBM بالفعل تقنيي الجرأة الفرصة لتشغيل البرامج على مجموعة فرعية صغيرة من وحدات Q System One الخاصة به . بمرور الوقت ، من المحتمل أن تبيع IBM ومنافسيها وقت حساب على أجهزة كمبيوتر كم قوية أكثر للراغبين في تطبيقها على مشاكل غامضة.

ولكن إذا كنت لا تبحث في أنواع المشكلات الصعبة للغاية التي تهدف أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى حلها ، فربما لن تتفاعل معها كثيرًا. في الواقع ، تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية في بعض الحالات أسوأ في نوع المهام التي نستخدمها لأجهزة الكمبيوتر كل يوم ، وذلك لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية شديدة التخصص للغاية. ما لم تكن أكاديميًا يدير نوعًا من النماذج حيث تزدهر الحوسبة الكمومية ، فمن المحتمل ألا تضع يدك أبدًا على الإطلاق ، ولن تحتاج أبدًا إلى ذلك.

تعليق