ما هي الحوسبة الكمومية؟ الدليل السلكي الكامل

مثل الرياضيات المربكة التي تقوم عليها الحوسبة الكمومية ، فإن بعض التوقعات التي تنشأ حول هذه التقنية التي لا تزال غير عملية يمكن أن تجعلك تشعر بالدوار. إذا قمت بالتحديق من نافذة رحلة إلى مطار سان فرانسيسكو الدولي في الوقت الحالي ، يمكنك أن ترى ضبابًا من الضجيج الكمي ينجرف فوق وادي السيليكون. لكن الإمكانات الهائلة للحوسبة الكمومية لا يمكن إنكارها ، والأجهزة اللازمة لتسخيرها تتقدم بسرعة. إذا كان هناك وقت مثالي لإثارة عقلك حول الحوسبة الكمومية ، فقد حان الوقت الآن. قل “تراكب شرودنغر” بسرعة ثلاث مرات ، ويمكننا الغوص فيه.

شرح تاريخ الحوسبة الكمومية

بدأت عصور ما قبل التاريخ للحوسبة الكمومية في أوائل القرن العشرين ، عندما بدأ الفيزيائيون يشعرون بأنهم فقدوا سيطرتهم على الواقع.

أولاً ، تبين أن التفسيرات المقبولة للعالم دون الذري غير كاملة. لم تكن الإلكترونات والجسيمات الأخرى تتنقل بدقة مثل كرات البلياردو النيوتونية ، على سبيل المثال. في بعض الأحيان يتصرفون مثل الموجة بدلاً من ذلك. ظهرت ميكانيكا الكم لشرح مثل هذه المراوغات ، لكنها قدمت أسئلة مقلقة من تلقاء نفسها. لنأخذ مثالًا واحدًا فقط حول تجاعيد الحاجب ، فقد أشارت هذه الرياضيات الجديدة إلى أن الخصائص الفيزيائية للعالم دون الذري ، مثل موضع الإلكترون ، موجودة الاحتمالات قبل أن يتم ملاحظتهم. قبل أن تقيس موقع الإلكترون ، فهو ليس هنا ولا هناك ، ولكن هناك احتمالية في كل مكان. يمكنك التفكير في الأمر وكأنه ربع يتقلب في الهواء. قبل أن يهبط ، فإن الربع ليس رأسًا ولا ذيلًا ، ولكن هناك احتمال لكليهما.

إذا وجدت هذا محيرًا ، فأنت في شركة جيدة. قبل عام من فوزه بجائزة نوبل لمساهماته في نظرية الكم ، لاحظ ريتشارد فاينمان من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا أنه “لا أحد يفهم ميكانيكا الكم”. الطريقة التي نختبر بها العالم غير متوافقة. لكن بعض الناس استوعبوها جيدًا بما يكفي لإعادة تعريف فهمنا للكون. وفي الثمانينيات ، بدأ عدد قليل منهم – بما في ذلك فاينمان – في التساؤل عما إذا كان يمكن استخدام الظواهر الكمومية مثل الوجود الاحتمالي للجسيمات دون الذرية لمعالجة المعلومات. لا تزال النظرية الأساسية أو المخطط الأساسي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تشكلت في الثمانينيات والتسعينيات توجه Google والشركات الأخرى التي تعمل على التكنولوجيا.

قبل أن نتخبط في الضحلة الغامضة للحوسبة الكمومية 0.101 ، يجب أن نجدد فهمنا لأجهزة الكمبيوتر القديمة العادية. كما تعلم ، فإن الساعات الذكية وأجهزة iPhone وأسرع كمبيوتر عملاق في العالم تقوم جميعها بنفس الشيء: فهي تقوم بإجراء العمليات الحسابية عن طريق تشفير المعلومات على هيئة وحدات بت رقمية ، ويعرف أيضًا باسم 0 و 1. قد يقوم الكمبيوتر بقلب الجهد في الدائرة وتشغيله وإيقافه لتمثيل 1s و 0s ، على سبيل المثال.

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية باستخدام وحدات البت أيضًا. بعد كل شيء ، نريدهم أن يتصلوا ببياناتنا وأجهزة الكمبيوتر الموجودة لدينا. لكن البتات الكمومية ، أو الكيوبتات ، لها خصائص فريدة وقوية تسمح لمجموعة منها بعمل أكثر بكثير من عدد مكافئ من البتات التقليدية.

يمكن بناء Qubits بطرق مختلفة ، لكنها تمثل جميعها 0 و 1 رقميًا باستخدام الخصائص الكمومية لشيء يمكن التحكم فيه إلكترونيًا. تشمل الأمثلة الشائعة – على الأقل بين شريحة منتقاة جدًا من البشر – الدوائر فائقة التوصيل ، أو الذرات الفردية التي ترفرف داخل الحقول الكهرومغناطيسية. تكمن القوة السحرية للحوسبة الكمومية في أن هذا الترتيب يتيح للكيوبتات القيام بأكثر من مجرد التقليب بين 0 و 1. تعامل معها بشكل صحيح ويمكن أن تتحول إلى وضع إضافي غامض يسمى التراكب.

ربما سمعت أن الكيوبت في التراكب هو كلاهما 0 و 1 في نفس الوقت. هذا ليس صحيحًا تمامًا كما أنه ليس خاطئًا تمامًا. يحتوي الكيوبت في التراكب على بعض احتمالا من كونها 1 أو 0 ، لكنها لا تمثل أيًا من الدولتين ، تمامًا كما أن ربعنا الذي يتقلب في الهواء ليس رأسًا ولا ذيلًا ، ولكن هناك احتمال لكليهما. في العالم المبسط والمثالي لهذا الشرح ، الشيء المهم الذي يجب معرفته هو أن رياضيات التراكب تصف احتمالية اكتشاف إما 0 أو 1 عند قراءة كيوبت. تؤدي عملية قراءة قيمة الكيوبت إلى تحطيمها من مزيج من الاحتمالات إلى حالة واحدة واضحة تمامًا ، مماثلة للربع الذي يهبط على الطاولة مع وجود جانب واحد لأعلى بشكل نهائي. يمكن للحاسوب الكمومي استخدام مجموعة من الكيوبتات في التراكبات للعب بمسارات مختلفة ممكنة من خلال عملية حسابية. إذا تم القيام به بشكل صحيح ، فإن المؤشرات إلى المسارات غير الصحيحة تلغي ، تاركة الإجابة الصحيحة عندما تُقرأ الكيوبت على أنها 0 و 1.

بالنسبة لبعض المشكلات التي تستغرق وقتًا طويلاً بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التقليدية ، فإن هذا يسمح للكمبيوتر الكمومي بالعثور على حل في خطوات أقل بكثير مما يحتاجه الكمبيوتر التقليدي. يمكن أن تجدك خوارزمية جروفر ، وهي خوارزمية بحث كمومية شهيرة ، في دفتر هاتف يضم 100 مليون اسم مع 10000 عملية فقط. إذا قامت خوارزمية بحث كلاسيكية بتخزين جميع القوائم للعثور عليك ، فستتطلب 50 مليون عملية في المتوسط. بالنسبة لخوارزميات Grover وبعض الخوارزميات الكمومية الأخرى ، كلما كانت المشكلة الأولية أكبر – أو دليل الهاتف – كلما ترك الكمبيوتر التقليدي في الغبار الرقمي.

السبب في عدم وجود أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة اليوم هو أن الكيوبتات صعبة للغاية. التأثيرات الكمومية التي يجب عليهم التحكم فيها حساسة للغاية ، ويمكن للحرارة أو الضوضاء الشاردة أن تقلب 0 و 1 أو تمحو تراكبًا مهمًا. يجب حماية الكيوبتات بعناية ، وتشغيلها في درجات حرارة شديدة البرودة – وأحيانًا أجزاء فقط من الدرجة فوق الصفر المطلق. يتضمن أحد المجالات الرئيسية للبحث تطوير خوارزميات لجهاز كمبيوتر كمي لتصحيح أخطائه ، الناتجة عن خلل في الكيوبتات. حتى الآن ، كان من الصعب تنفيذ هذه الخوارزميات لأنها تتطلب قدرًا كبيرًا من طاقة المعالج الكمومي بحيث لا يتبقى سوى القليل أو لا شيء لحل المشكلات. يأمل بعض الباحثين ، ولا سيما في Microsoft ، في تجنب هذا التحدي من خلال تطوير نوع من الكيوبت من مجموعات الإلكترونات المعروفة باسم الكيوبت الطوبولوجي. يتوقع الفيزيائيون أن تكون الكيوبتات الطوبولوجية أكثر قوة في مواجهة الضوضاء البيئية ، وبالتالي فهي أقل عرضة للخطأ ، لكنهم حتى الآن يكافحون لصنع واحدة. بعد الإعلان عن اختراق في الأجهزة في عام 2018 ، تراجع باحثو مايكروسوفت عن عملهم في عام 2021 بعد أن كشف علماء آخرون عن أخطاء تجريبية.

ومع ذلك ، فقد أثبتت الشركات قدرتها على استخدام أجهزتها المحدودة. في عام 2019 ، استخدمت Google جهاز كمبيوتر كمي سعة 53 كيلوبتًا لتوليد أرقام تتبع نمطًا رياضيًا محددًا بشكل أسرع من أي كمبيوتر عملاق. بدأ العرض التوضيحي سلسلة من تجارب “الميزة الكمية” المزعومة ، والتي شهدت مجموعة أكاديمية في الصين أعلنت عن مظاهرة خاصة بها في عام 2020 ، وأعلنت الشركة الناشئة الكندية Xanadu عن تجربتها في عام 2022. (على الرغم من أن تجارب “التفوق الكمي” المعروفة منذ فترة طويلة ، فإن العديد منها اختار الباحثون تغيير الاسم لتجنب ترديد “التفوق الأبيض”.) كان الباحثون يتحدىون كل مطالبة بميزة كمية من خلال تطوير خوارزميات كلاسيكية أفضل تسمح لأجهزة الكمبيوتر التقليدية بالعمل على حل المشكلات بسرعة أكبر ، في سباق يدفع كلا من الحوسبة الكمومية والكلاسيكية إلى الأمام.

في غضون ذلك ، نجح الباحثون في محاكاة جزيئات صغيرة باستخدام عدد قليل من الكيوبتات. لا تفعل هذه المحاكاة أي شيء بعيدًا عن متناول أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، لكنها قد تفعل إذا تم توسيع نطاقها ، مما قد يساعد في اكتشاف مواد كيميائية ومواد جديدة. في حين أن أيا من هذه العروض التوضيحية لا تقدم قيمة تجارية مباشرة حتى الآن ، إلا أنها عززت الثقة والاستثمار في الحوسبة الكمومية. بعد إثارة حيرة علماء الكمبيوتر لمدة 30 عامًا ، قد لا تكون الحوسبة الكمومية العملية قريبة تمامًا ، لكنها بدأت تبدو أقرب كثيرًا.