كل شيء تحتاج لمعرفته حول الحاسوب الكمومي

أجهزة الحاسوب الكمومي هي آلات تستخدم خصائص فيزياء الكم لتخزين البيانات وإجراء العمليات الحسابية بناءً على احتمالية حالة الكائن قبل قياسه. يمكن أن يكون هذا مفيدًا للغاية لمهام معينة حيث يمكن أن يتفوقوا بشكل كبير  حتى على أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة .

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية  معالجة مجموعات البيانات الضخمة والمعقدة  بكفاءة أكبر من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. يستخدمون أساسيات ميكانيكا الكم لتسريع عملية حل الحسابات المعقدة. غالبًا ما تتضمن هذه الحسابات عددًا غير محدود على ما يبدو من المتغيرات والتطبيقات المحتملة تمتد من الصناعات من علم الجينوم إلى التمويل.

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، التي تشمل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، بعمليات منطقية باستخدام الموضع المحدد للحالة المادية. يقومون بتشفير المعلومات في “بتات” ثنائية يمكن أن تكون إما 0 أو 1. في الحوسبة الكمومية ، تستخدم العمليات بدلاً من ذلك الحالة الكمومية للكائن لإنتاج الوحدة الأساسية للذاكرة التي تسمى بت الكم أو بت. تصنع الكيوبتات باستخدام أنظمة فيزيائية ، مثل دوران الإلكترون أو اتجاه الفوتون. يمكن أن تكون هذه الأنظمة في العديد من الترتيبات المختلفة دفعة واحدة ، وهي خاصية تُعرف باسم التراكب الكمومي. يمكن أيضًا ربط الكيوبت ببعضها البعض بشكل لا ينفصم باستخدام ظاهرة تسمى التشابك الكمومي. والنتيجة هي أن سلسلة من الكيوبتات يمكن أن تمثل أشياء مختلفة في وقت واحد. هذه الحالات هي الخصائص غير المحددة لكائن قبل أن يتم اكتشافها ،

بدلاً من الحصول على موضع واضح ، تحدث الحالات الكمية غير المقاسة في “تراكب” مختلط يمكن أن يتشابك مع تلك الخاصة بأشياء أخرى حيث أن نتائجها النهائية ستكون مرتبطة حتى رياضيًا. يمكن توصيل الرياضيات المعقدة وراء هذه الحالات غير المستقرة من “العملات المعدنية الدوارة” المتشابكة في خوارزميات خاصة لعمل حل قصير للمشكلات التي قد تستغرق وقتًا طويلاً من الكمبيوتر الكلاسيكي لحلها.

تاريخ أجهزة الكمبيوتر الكمومية

قدم الفيزيائي الأمريكي  الحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان  ملاحظة حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية في وقت مبكر من عام 1959. وذكر أنه عندما تبدأ المكونات الإلكترونية في الوصول إلى المقاييس المجهرية ، تحدث التأثيرات التي تنبأت بها ميكانيكا الكم ، والتي يمكن استغلالها في تصميم أجهزة كمبيوتر أكثر قوة.

خلال الثمانينيات والتسعينيات ، تقدمت نظرية أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل كبير إلى ما وراء تكهنات فاينمان المبكرة. في عام 1985 ، وصف  ديفيد دويتش David Deutsch  من جامعة أكسفورد بناء البوابات المنطقية الكمومية لحاسوب كمومي عالمي. ابتكر بيتر شور من AT&T خوارزمية  لتحليل الأرقام باستخدام كمبيوتر كمي يتطلب ما لا يقل عن ستة كيوبتات في عام 1994. لاحقًا في عام 1998 ، اسحق تشوانج من مختبر لوس ألاموس الوطني ، ونيل جيرشينفيلد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) من جامعة كاليفورنيا  أنشأ أول كمبيوتر كمي  مع 2 كيوبت ، والتي يمكن تحميلها بالبيانات وإخراج حل.

في الآونة الأخيرة ، أعلن الفيزيائي ديفيد وينلاند وزملاؤه في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أنهم قاموا  بإنشاء كمبيوتر كمي 4 كيوبت  عن طريق تشابك أربع ذرات من البريليوم المتأين باستخدام مصيدة كهرومغناطيسية. اليوم ، تستعد الحوسبة الكمومية  لقلب صناعات كاملة  بدءًا من الاتصالات إلى الأمن السيبراني والتصنيع المتقدم والطب المالي وما بعده.

أنواع الحواسيب الكمومية

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الحوسبة الكمومية. يختلف كل نوع حسب مقدار قوة المعالجة (كيوبت) المطلوبة وعدد التطبيقات الممكنة ، بالإضافة إلى الوقت اللازم لتصبح مجدية تجاريًا.

التلدين الكمي

التلدين الكمي هو الأفضل لحل مشاكل التحسين. يحاول الباحثون العثور على التكوين الأفضل والأكثر كفاءة بين العديد من مجموعات المتغيرات الممكنة.

أجرت فولكس فاجن مؤخرًا تجربة كمية لتحسين تدفق حركة المرور في مدينة بكين المكتظة بالصين. تم إجراء التجربة بالشراكة مع Google و D-Wave Systems. طورت الشركة الكندية D-Wave مادة التلدين الكمومية. لكن ، من الصعب معرفة ما إذا كانت تمتلك بالفعل أي “كمية” حقيقية حتى الآن. يمكن أن تقلل الخوارزمية من حركة المرور بنجاح عن طريق اختيار المسار المثالي لكل مركبة.

المحاكاة الكمومية

تستكشف عمليات المحاكاة الكمية مشاكل محددة في فيزياء الكم تتجاوز قدرة الأنظمة الكلاسيكية. يمكن أن تكون محاكاة الظواهر الكمومية المعقدة أحد أهم تطبيقات الحوسبة الكمومية. أحد المجالات الواعدة بشكل خاص للمحاكاة هو نمذجة تأثير التحفيز الكيميائي على عدد كبير من الجسيمات دون الذرية المعروفة أيضًا باسم كيمياء الكم.

الحوسبة الكمومية العالمية

أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالمية هي الأقوى والأكثر قابلية للتطبيق بشكل عام ، ولكنها أيضًا الأصعب في البناء. من اللافت للنظر أن الكمبيوتر الكمي العالمي من المرجح أن يستخدم أكثر من 100000 كيوبت وبعض التقديرات تضعه في مليون كيوبت. ولكن لخيبة الأمل ، فإن معظم الكيوبتات التي يمكننا الوصول إليها الآن هي 128 فقط. الفكرة الأساسية وراء الكمبيوتر الكمي العالمي هي أنه يمكنك توجيه الآلة إلى أي حساب معقد بشكل كبير والحصول على حل سريع. يتضمن ذلك حل معادلات التلدين المذكورة أعلاه ، ومحاكاة الظواهر الكمومية ، والمزيد.