سلسلة من الإنجازات في مجال الحوسبة الكمومية
يعمل الكمبيوتر العادي ، الذي يشار إليه الآن باسم الكمبيوتر الكلاسيكي أو التقليدي ، على المفهوم الأساسي للأصفار والآحاد (الأصفار والآحاد). عندما نسأل الكمبيوتر للقيام بمهمة لنا ، على سبيل المثال حساب رياضي أو حجز موعد أو أي شيء متعلق بالحياة اليومية ، يتم تحويل (أو ترجمة) هذه المهمة في لحظة معينة إلى سلسلة من 0 و 1 (والتي تسمى بعد ذلك المدخلات) ، تتم معالجة هذا الإدخال بواسطة خوارزمية (تُعرّف على أنها مجموعة من القواعد التي يجب اتباعها لإكمال مهمة على الكمبيوتر). بعد هذه المعالجة ، يتم إرجاع سلسلة جديدة من 0 و 1 (تسمى الإخراج) ، وهذا يشفر للنتيجة المتوقعة ويتم ترجمته مرة أخرى إلى معلومات أبسط سهلة الاستخدام كـ "إجابة" لما أراد المستخدم أن يفعله الكمبيوتر . إنه لأمر رائع أنه بغض النظر عن مدى ذكاء أو ذكاء الخوارزمية ومهما كان مستوى صعوبة المهمة ، فإن خوارزمية الكمبيوتر لا تفعل سوى هذا الشيء الوحيد - معالجة سلسلة من البتات - حيث تكون كل بت إما 0 أو 1. يحدث التلاعب على الكمبيوتر (في نهاية البرنامج) وعلى مستوى الجهاز يتم تمثيل ذلك بالدوائر الكهربائية (على اللوحة الأم للكمبيوتر). في مصطلحات الأجهزة عندما يمر التيار عبر هذه الدوائر الكهربائية ، يتم إغلاقه ويفتح في حالة عدم وجود تيار.
الكمبيوتر الكلاسيكي مقابل الكم
لذلك ، في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، فإن البتة هي جزء واحد من المعلومات يمكن أن توجد في حالتين محتملتين - 0 أو 1. ومع ذلك ، إذا تحدثنا عن كمية أجهزة الكمبيوتر ، وعادة ما تستخدم وحدات البت الكمومية (وتسمى أيضًا "الكيوبتات"). هذه أنظمة كمومية ذات حالتين ، ومع ذلك ، على عكس البتة المعتادة (المخزنة على هيئة 0 أو 1) ، يمكن للكيوبتات تخزين المزيد من المعلومات ويمكن أن توجد في أي افتراض لهذه القيم. للتوضيح بطريقة أفضل ، يمكن اعتبار الكيوبت على أنها كرة خيالية ، حيث يمكن أن يكون الكيوبت أي نقطة على الكرة. يمكن القول أن الحوسبة الكمومية تستفيد من قدرة الجسيمات دون الذرية على الوجود في أكثر من حالة في أي وقت ولا تزال متعارضة. من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون البتة الكلاسيكية في حالتين فقط - مثال في نهاية قطبين من الكرة. في الحياة العادية لا يمكننا رؤية هذا "التراكب" لأنه بمجرد النظر إلى النظام بأكمله ، تختفي هذه التراكبات وهذا هو السبب في أن فهم مثل هذه التراكبات غير واضح.
ما يعنيه هذا بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر هو أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تستخدم الكيوبتات يمكنها تخزين كمية هائلة من المعلومات باستخدام طاقة أقل من الكمبيوتر الكلاسيكي، وبالتالي يمكن إجراء العمليات أو الحسابات بشكل أسرع نسبيًا على الكمبيوتر الكمي. لذلك، يمكن للكمبيوتر الكلاسيكي أن يأخذ 0 أو 1، ويمكن أن يكون البتان في هذا الكمبيوتر في أربع حالات محتملة (00، 01، 10 أو 11)، ولكن يتم تمثيل حالة واحدة فقط في أي وقت محدد. من ناحية أخرى، يعمل الكمبيوتر الكمي مع الجسيمات التي يمكن أن تكون في حالة تراكب، مما يسمح لاثنين من الكيوبت بتمثيل نفس الحالات الأربع في نفس الوقت بسبب خاصية التراكب التي تحرر أجهزة الكمبيوتر من "القيود الثنائية". وهذا يمكن أن يعادل تشغيل أربعة أجهزة كمبيوتر في وقت واحد، وإذا أضفنا هذه الكيوبتات، فإن قوة الكمبيوتر الكمي تنمو بشكل كبير. تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا من خاصية أخرى في فيزياء الكم تسمى "التشابك الكمي"، والتي حددها ألبرت أينشتاين، التشابك هو خاصية تسمح للجسيمات الكمومية بالاتصال والتواصل بغض النظر عن موقعها في الكون. الكون بحيث أن تغيير حالة أحدهما قد يؤثر بشكل فوري على الآخر. إن القدرات المزدوجة المتمثلة في "التراكب" و"التشابك" قوية جدًا من حيث المبدأ. لذلك، فإن ما يمكن أن يحققه الكمبيوتر الكمي لا يمكن تصوره بالمقارنة مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يبدو كل هذا مثيرًا ومباشرًا للغاية، ولكن هناك مشكلة في هذا السيناريو. الكمبيوتر الكمي، إذا أخذ الكيوبتات (البتات المتراكبة) كمدخل له، فإن مخرجاته ستكون أيضًا في حالة كمومية بالمثل، أي مخرجات تحتوي على بتات متراكبة والتي يمكن أيضًا أن تتغير اعتمادًا على الحالة التي هي فيها. هذا النوع من المخرجات لا تسمح لنا حقًا بتلقي جميع المعلومات، وبالتالي فإن التحدي الأكبر في فن الحوسبة الكمومية هو إيجاد طرق للحصول على أكبر قدر من المعلومات من هذا الناتج الكمي.
سيكون الكمبيوتر الكمومي هنا!
يمكن تعريف أجهزة الكمبيوتر الكمومية بأنها آلات قوية، بناءً على مبادئ ميكانيكا الكم التي تتخذ نهجًا جديدًا تمامًا لمعالجة المعلومات. إنهم يسعون إلى استكشاف قوانين الطبيعة المعقدة التي كانت موجودة دائمًا ولكنها ظلت مخفية في العادة. إذا أمكن استكشاف مثل هذه الظواهر الطبيعية، فيمكن للحوسبة الكمومية تشغيل أنواع جديدة من الخوارزميات لمعالجة المعلومات، مما قد يؤدي إلى اختراقات مبتكرة في علوم المواد، واكتشاف الأدوية، والروبوتات، والذكاء الاصطناعي. تم اقتراح فكرة الكمبيوتر الكمي من قبل الفيزيائي النظري الأمريكي ريتشارد فاينمان في عام 1982. واليوم، تعمل شركات التكنولوجيا (مثل IBM، ومايكروسوفت، وجوجل، وإنتل) والمؤسسات الأكاديمية (مثل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة برينستون) على الكمبيوتر الكمي. نماذج أولية للكمبيوتر لإنشاء كمبيوتر كمي سائد. قالت شركة International Business Machines Corp (IBM) مؤخرًا إن علماءها قاموا ببناء منصة حوسبة كمومية قوية ويمكن إتاحتها للوصول إليها، لكنهم لاحظوا أنها ليست كافية لأداء معظم المهام. يقولون إن النموذج الأولي ذو الـ 50 كيوبت الذي يتم تطويره حاليًا يمكن أن يحل العديد من المشكلات التي تقوم بها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية اليوم، وفي المستقبل سوف تسد أجهزة الكمبيوتر ذات الـ 50-100 كيوبت الفجوة إلى حد كبير، أي أن الكمبيوتر الكمي الذي يحتوي على بضع مئات من الكيوبتات فقط سيكون قادرًا على إجراء عمليات حسابية في وقت واحد أكثر من عدد الذرات المعروفة الكون. من الناحية الواقعية، فإن الطريق إلى حيث يمكن للكمبيوتر الكمي أن يتفوق فعليًا على الكمبيوتر الكلاسيكي في المهام الصعبة مليء بالصعوبات والتحديات. أعلنت شركة Intel مؤخرًا أن الكمبيوتر الكمي الجديد للشركة ذو 49 بت الكمي يمثل خطوة نحو هذا "التفوق الكمي"، في تقدم كبير للشركة التي عرضت نظام 17 بت الكمي قبل شهرين فقط. أولويتهم هي الاستمرار في توسيع المشروع، بناءً على فهم أن زيادة عدد الكيوبتات هو المفتاح لإنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية يمكنها تقديم نتائج في العالم الحقيقي.
المادة هي المفتاح لبناء الكمبيوتر الكمي
كانت مادة السيليكون جزءًا لا يتجزأ من الحوسبة لعقود من الزمن لأن مجموعتها الرئيسية من القدرات تجعلها مناسبة تمامًا للحوسبة العامة (أو الكلاسيكية). ومع ذلك ، فيما يتعلق بالحوسبة الكمومية ، لم يتم اعتماد الحلول القائمة على السيليكون بشكل أساسي لسببين ، أولهما أنه من الصعب التحكم في الكيوبتات المصنعة من السيليكون ، وثانيًا ، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت كيوبتات السيليكون يمكن أن تتوسع مثل غيرها. حلول. في تطور كبير طورته إنتل مؤخرًا1 نوع جديد من الكيوبت يُعرف باسم "الكيوبت المغزلي" والذي يتم إنتاجه على السيليكون التقليدي. تشبه الكيوبتات المغزلية بشكل كبير إلكترونيات أشباه الموصلات وهي توفر قوتها الكمومية من خلال الاستفادة من دوران إلكترون واحد على جهاز سيليكون والتحكم في الحركة بنبضات ميكروويف دقيقة. هناك ميزتان رئيسيتان أدت إلى تحرك إنتل في هذا الاتجاه ، أولاً ، تستثمر شركة إنتل بالفعل بشكل كبير في صناعة السيليكون ، وبالتالي تتمتع بالخبرة المناسبة في مجال السيليكون. ثانيًا ، تعد كيوبتات السيليكون أكثر فائدة لأنها أصغر من الكيوبتات التقليدية ، ومن المتوقع أن تحافظ على التماسك لفترة أطول من الوقت. هذا ذو أهمية قصوى عندما تحتاج أنظمة الحوسبة الكمومية إلى التوسع (على سبيل المثال ، الانتقال من 100 كيلوبت إلى 200 كيلوبت). تختبر إنتل هذا النموذج الأولي وتتوقع الشركة أن تنتج شرائح تحتوي على آلاف من مصفوفات كيوبت الصغيرة ، ويمكن أن يكون هذا الإنتاج عند إجراؤه بكميات كبيرة مفيدًا جدًا لتوسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية ويمكن أن يكون عامل تغيير حقيقي للألعاب.
في بحث حديث نُشر في علوم، نمط مصمم حديثًا للبلورات الضوئية (أي تصميم بلوري مطبق على شريحة ضوئية) تم تطويره بواسطة فريق في جامعة ميريلاند بالولايات المتحدة الأمريكية ، حيث يزعمون أنه سيجعل الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر سهولة2. هذه الفوتونات هي أصغر كمية معروفة من الضوء وقد تم ترسيخ هذه البلورات بثقوب تسبب تفاعل الضوء. تغير أنماط الثقوب المختلفة طريقة انحناء الضوء وارتداده عبر البلورة ، وهنا تم عمل آلاف الثقوب المثلثية. يعد هذا الاستخدام للفوتونات الفردية مهمًا لعملية إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية لأن أجهزة الكمبيوتر ستتمتع بعد ذلك بالقدرة على حساب الأعداد الكبيرة والتفاعلات الكيميائية التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الحالية القيام بها. يجعل تصميم الرقاقة من الممكن حدوث نقل الفوتونات بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية دون أي خسائر. يُنظر إلى هذه الخسارة أيضًا على أنها تحدٍ كبير لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وبالتالي فإن هذه الشريحة تعتني بالمشكلة وتتيح مسارًا فعالاً كمية المعلومات من نظام إلى آخر.
Future
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية تتجاوز بكثير أي كمبيوتر عملاق تقليدي. لديهم القدرة على إحداث ثورة في اكتشاف مواد جديدة من خلال جعل من الممكن محاكاة سلوك المادة وصولاً إلى المستوى الذري. كما أنه يبني الأمل في الذكاء الاصطناعي والروبوتات من خلال معالجة البيانات بشكل أسرع وأكثر كفاءة. يمكن تقديم نظام حوسبة كمومية قابل للتطبيق تجاريًا من قبل أي من المنظمات الكبرى في السنوات القادمة لأن هذا البحث لا يزال مفتوحًا ولعبة عادلة للجميع. من المتوقع الإعلان عن الإعلانات الرئيسية في السنوات الخمس إلى السبع القادمة ، ومن الناحية المثالية مع سلسلة التطورات التي يتم إجراؤها ، يجب معالجة المشكلات الهندسية ويجب أن يصبح جهاز كمبيوتر كمي واحد أو أكثر من مليون كيوبت حقيقة واقعة.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
1. Castelvecchi D. 2018. السليكون يحقق مكاسب في سباق الحوسبة الكمومية. طبيعة سجية. 553 (7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. سابياساتشي ب وآخرون. 2018. واجهة البصريات الكمومية الطوبولوجية. علم. 359 (6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
