منذ وقت ليس ببعيد، دفعت القيود المفروضة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية العلماء إلى تطوير نوع جديد من الحوسبة - الحوسبة الكمومية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات بدلاً من البتات الكلاسيكية ويمكنها إجراء حسابات معينة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يمكن لهذه الميزة أن تحول العديد من المجالات وتجعل حياتنا أفضل. في هذه المقالة، سنقدم نظرة عامة على الحوسبة الكمومية، بما في ذلك الصناعات والمجالات التي يمكن أن تحدث ثورة بواسطة الحوسبة الكمومية. وسنناقش أيضًا التحديات والمخاطر المرتبطة بهذه التكنولوجيا، وكذلك ما يخبئه المستقبل لها.
الجزء الداخلي من نظام الحوسبة الكمومية IBM. (الائتمان: آي بي إم
)
ما هي الحوسبة الكمومية؟
لقد قطعت الحوسبة شوطا طويلا منذ أن تم تطوير نظرية الكم في عشرينيات القرن الماضي، وتم بناء أول كمبيوتر قابل للبرمجة، وهو التكامل العددي الإلكتروني والكمبيوتر ( ENIAC
)، في عام 1945. وكانت الآلة أول "آلية، متعددة الأغراض، إلكترونية، العشري، الكمبيوتر الرقمي،" وفقًا لكتاب إدوين دي رايلي "معالم في علوم الكمبيوتر وتكنولوجيا المعلومات". ما هي الحوسبة الكمومية بالضبط؟ باختصار، إنها تقنية سريعة الظهور تسخر قوانين ميكانيكا الكم لحل المشكلات المعقدة بطريقة أكثر كفاءة وقوة من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. بالنسبة لبعض المشاكل، أجهزة الكمبيوتر العملاقة ليست بهذه القوة. تعتمد الحوسبة الكمومية في جوهرها على استخدام البتات الكمومية (qubits) لمعالجة المعلومات ومعالجتها. على عكس البتات الكلاسيكية، التي لا يمكن أن توجد إلا في إحدى الحالتين (0 أو 1)، يمكن للبتات الكمومية أن تتواجد في حالات متعددة في وقت واحد بسبب ظاهرة التراكب. وهذا يسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء العديد من الحسابات في وقت واحد. مبدأ رئيسي آخر للحوسبة الكمومية هو التشابك ، والذي يسمح للبتات الكمومية أن تصبح مرتبطة بطريقة يمكن أن تؤثر فيها حالة أحد الكيوبتات بشكل فوري على حالة أخرى، حتى لو كانت منفصلة ماديًا. وهذا يسمح لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بأداء مهام معينة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر العملاقة، مثل تحليل أعداد كبيرة، والبحث في قواعد البيانات الكبيرة، وما إلى ذلك.
كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟
كما ذكرنا للتو، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات بدلاً من البتات لتشغيل خوارزميات الكم متعددة الأبعاد. يتم إنشاء البتات الكمومية باستخدام الموصلات الفائقة، والتي تظهر تأثيرات ميكانيكية كمومية مثل أزواج كوبر التي يمكنها حمل الشحنة عبر العوازل عبر نفق الكم. يمكن التحكم في سلوك الكيوبتات ومعالجتها عن طريق إطلاق فوتونات الموجات الدقيقة عليها. يمكن وضع البتات الكمومية في حالة تراكب، مما يمثل مزيجًا من جميع التكوينات الممكنة للبت الكمي. يمكن لمجموعات من الكيوبتات المتراكبة أن تخلق مساحات حسابية معقدة يمكن أن تمثل مشاكل معقدة بطرق جديدة. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية أصغر حجمًا وتتطلب طاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر العملاقة ولكنها تحتاج إلى أن تكون شديدة البرودة، وهو ما يتم تحقيقه باستخدام السوائل الفائقة التبريد.
تعد الحوسبة الكمومية مجالًا سريع التطور وسيُحدث ثورة في طريقة حل المشكلات المعقدة. قامت العديد من الشركات، بما في ذلك IBM وGoogle وRigetti، ببناء أجهزة كمبيوتر كمومية واستخدامها. تتراوح أحجام أجهزة الكمبيوتر هذه من عدد قليل من الكيوبتات إلى أكثر من 100 كيوبت، ولكل منها بنيتها الفريدة ومجموعة من القدرات.
في عام 2017، أعلنت ريجيتي عن توفر النسخة التجريبية العامة من Forest 1.0، وهي أول بيئة برمجية متكاملة في العالم للحوسبة الكمومية.
Google Sycamore
هو معالج كمي يحتوي على 53 كيوبت. تم تطويره في عام 2019 وادعى أنه يكمل مهمة في 200 ثانية تتطلب حاسوبًا فائقًا متطورًا 10000 عام لإنهائها.
تم تقديم IBM Quantum System One
للكمبيوتر الكمي بواسطة IBM في عام 2019 أيضًا. يحتوي على معالج كمي 20 كيوبت موجود في نظام حاسوبي 2.7x2.7x2.7 متر. ومن المثير للاهتمام أن شركة IBM أعلنت عن معالج "Osprey" الجديد بسعة 433 كيوبت في قمة IBM Quantum Summit 2022.
"يقربنا معالج "Osprey" الجديد بسعة 433 كيوبت من النقطة التي سيتم فيها استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة المشكلات التي لم يكن من الممكن حلها سابقًا،" - الدكتور داريو جيل، نائب الرئيس الأول لشركة IBM ومدير الأبحاث. بالإضافة إلى تطورات الأجهزة، تتقدم الأدوات البرمجية للحوسبة الكمومية أيضًا. تسمح لغات البرمجة مثل Q# وQiskit للمطورين بكتابة برامج كمومية وتشغيلها على أجهزة كمومية أو أجهزة محاكاة. ومع ذلك، لا تزال الحوسبة الكمومية تواجه بعض التحديات والقيود. وأهمها تصحيح الأخطاء . أثناء تشغيل البرنامج الكمي، تتراكم الأخطاء بسرعة، مما يشكل تحديات أمام العلماء. لذا، فإن تطوير أساليب فعالة لتصحيح الأخطاء أمر بالغ الأهمية لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية موثوقة وواسعة النطاق. هناك قيد مهم آخر وهو قابلية التوسع . في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تحتوي على عشرات أو مئات من الكيوبتات موجودة بالفعل، فإن بناء جهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق يحتوي على آلاف أو ملايين من الكيوبتات لا يزال يمثل تحديًا. ومع ذلك، هناك تفاؤل بأن هذه التحديات سيتم التغلب عليها في السنوات المقبلة، مما يمهد الطريق لاعتماد أوسع للحوسبة الكمومية. تعد أنظمة IBM Quantum بالارتقاء إلى أكثر من 4000 كيوبت بحلول عام 2025 وما بعده.
كيف تغير الحوسبة الكمومية العالم؟ تطبيقات الحياة الواقعية
ومع ذلك، هناك بالفعل العديد من حالات الاستخدام في صناعات مختلفة حيث تظهر الحوسبة الكمومية نتائج مذهلة.
الرعاىة الصحية
واحدة من أكثر المجالات الواعدة هي الرعاية الصحية. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية محاكاة سلوك الجزيئات والمواد بشكل أكثر دقة من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، مما قد يؤدي إلى تسريع اكتشاف أدوية وعلاجات جديدة للأمراض. على سبيل المثال، يمكن استخدام الخوارزميات الكمومية مثل Variational Quantum Eigensolver (VQE) لحساب البنية الإلكترونية للجزيئات بشكل أكثر دقة من الطرق الكلاسيكية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتحليل مجموعات كبيرة من البيانات من السجلات الطبية والتجارب السريرية لتحديد أهداف جديدة لاكتشاف الأدوية. مثال آخر لكيفية استخدام الحوسبة الكمومية في الرعاية الصحية هو من خلال الفحص الافتراضي للأدوية المرشحة. يتضمن ذلك البحث في قواعد بيانات كبيرة عن الأدوية المحتملة لتحديد الأدوية التي تتمتع بالخصائص المطلوبة. الحوسبة الكمومية قادرة على تسريع هذه العملية من خلال البحث بكفاءة عبر كميات هائلة من البيانات، مما يؤدي إلى اكتشاف الأدوية وتطويرها بشكل أسرع.
تمويل
قد يكمن أحد التطبيقات المهمة الأخرى للحوسبة الكمومية في تحسين المشكلات، مثل تلك التي تتم مواجهتها في المجال المالي. يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتحسين النمذجة المالية وإدارة المخاطر. على سبيل المثال، يمكن استخدام الخوارزميات الكمومية لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة بسرعة والتنبؤ باتجاهات السوق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام التشفير الكمي لتأمين المعاملات المالية والحماية من التهديدات السيبرانية. توزيع المفتاح الكمي (QKD) هو أسلوب يستخدم مبادئ ميكانيكا الكم لنقل مفاتيح التشفير بشكل آمن بين طرفين. يستخدم QKD قوة البتات الكمومية المتشابكة لإنشاء مفتاح من المستحيل اعتراضه دون أن يتم اكتشافه.
الخدمات اللوجستية
يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتحسين إدارة سلسلة التوريد، وتقليل تكاليف النقل وتحسين أوقات التسليم. على سبيل المثال، يمكن استخدام الخوارزميات الكمومية لتحليل الطرق الأكثر كفاءة للنقل والتوزيع بسرعة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لحل مشاكل الجدولة المعقدة، مثل تلك التي تتم مواجهتها في جدولة شركات الطيران والسكك الحديدية.
طاقة
يمكن استخدام الخوارزميات الكمومية لمحاكاة سلوك المواد المستخدمة في أجهزة تخزين الطاقة، مما يؤدي إلى تطوير بطاريات أكثر كفاءة. إلى جانب ذلك، يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتحسين إنتاج الطاقة من خلال تحليل أنماط الطقس والتنبؤ بالطلب على الطاقة.
تصنيع
وبما أن الحوسبة الكمومية قادرة على تحليل مجموعات كبيرة من البيانات والتنبؤ بجداول الإنتاج المثالية، فيمكن أن تكون ذات فائدة كبيرة في التصنيع أيضًا. كما ترون، فإن التطبيقات المحتملة للحوسبة الكمومية واسعة وهناك العديد من الصناعات التي يمكن أن تتحول بواسطة هذه التكنولوجيا.
"مخاوف" من المستقبل
من كل هذا، من السهل أن نستنتج أن تأثير الحوسبة الكمومية على المجتمع سيكون كبيرًا. وكما هو الحال مع أي تكنولوجيا ثورية أخرى، هناك بعض المخاطر المرتبطة بالحوسبة الكمومية. أحد أهم التحديات هو الآثار الأخلاقية والمجتمعية للتكنولوجيا. تتمتع الحوسبة الكمومية بالقدرة على كسر العديد من طرق التشفير المستخدمة لتأمين البيانات الحساسة، مما قد يؤدي إلى انتهاكات الخصوصية ومخاوف أمنية أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتطوير أسلحة وتقنيات جديدة قد تشكل تهديدًا للأمن العالمي.
ملخص
في حين أن الحوسبة الكمومية تمثل العديد من التحديات والمخاطر، فإن العديد من المنظمات تعمل بنشاط على معالجتها من خلال تطوير طرق تشفير جديدة، وتحسين الأجهزة والبرمجيات الكمومية، فضلا عن توفير فرص التدريب والتعليم. لذلك، نعتقد أن الحوسبة الكمومية ستحدث ثورة في العالم بطريقة جيدة. ومن خلال تطوير تقنيات كمومية قوية وموثوقة، يمكننا إطلاق العنان للإمكانات الكاملة للحوسبة الكمومية وخلق مستقبل أكثر إشراقًا للحوسبة والمجتمع ككل. حان وقت العمل، لذا واصل اكتشاف عالم التكنولوجيا مع CodeGym!
GO TO FULL VERSION