مرحبًا بكم في عصر الكم
في مقال نُشر عام 2012 ، طرح جون بريسكيل ، عالم الفيزياء النظرية ، السؤال التالي: "هل تطور الأنظمة الكمومية واسعة النطاق أمر صعب للغاية ، أم أنه صعب للغاية؟" بعد سبع سنوات لدينا الجواب: إنه صعب للغاية.
في الآونة الأخيرة ، ظهرت ورقة بحثية حول هذا الموضوع على الإنترنت لفترة قصيرة جدًا ولحسن الحظ. وافقت مجلة "Nature" ، وهي مجلة علمية رفيعة المستوى ، على نشر الورقة التي كانت ، حتى وقت النشر المؤقت ، لا تزال سرية.
وكشفت الصحيفة أن جوجل حققت ما أسماه بريسكيل "التفوق الكمي". باستخدام كمبيوتر كمي ، أجرى باحثون من عملاق الإنترنت عملية حسابية في ثلاث دقائق كانت تتطلب سوميت ، أقوى كمبيوتر عملاق من شركة IBM حاليًا في العالم ، 10.000 عام من المعالجة.
تعبير نهائي عن السيادة الكمومية. هناك إجماع على أن هذه الوثيقة السرية تمثل حقًا علامة فارقة في تاريخ التكنولوجيا.
يمكن أن يكون نقطة فاصلة بين حقبتين: "ما قبل" ، عندما تم الاعتماد على أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتجاوز حواسيب السيليكون ، و "ما بعد" ، عندما حدث هذا بالفعل. لقد قيل الكثير حتى الآن عن الحقبة الثانية. لقد وصل الآن
قفزة كبيرة إلى الأمام
تمثلت تجربة Google في إجراء "عينات الدائرة". يتحقق الاختبار مما إذا كانت المعالجة التي يقوم بها الجهاز ، بدءًا من المدخلات العشوائية ، يمكن أن تتكيف مع نموذج معين.
تم اختيار هذه المهمة الغريبة نوعًا ما لتناسب تفاصيل الكمبيوتر الكمومي ، ولكن أيضًا لمقارنة نفس المعالجة على جهاز كمبيوتر كلاسيكي.
تجربة ذات صلة عملية قليلة ، حتى لو كان هناك اعتقاد شائع بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، بمرور الوقت ، يمكن أن تكون قادرة على التعامل مع الأمور ذات الأهمية العملية وأكثر طبيعية لحياة الناس العاديين.
يمكن أن تتعلق هذه بتصميم الأدوية والمواد الجديدة أو التعلم الآلي. علاوة على ذلك ، يمكن أن يجعلوا رموز التشفير التي عفا عليها الزمن والتي ، اليوم ، تحمي أسرار العالم.
من بت إلى كيوبتات
تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية ثلاثة مفاهيم. أحدهما هو "التراكب الكمومي" ، أي الفكرة وراء قطة شرودنجر الشهيرة الميتة والحيوية. على عكس البتات الكلاسيكية ، التي يمكن أن تحتوي على حالتين فقط - واحدة أو صفر - يمكن أن تكون الكيوبتات مزيجًا من كليهما.
جهاز Google ، على سبيل المثال ، يحتوي على 53 كيوبت ، والتي يمكن أن تمثل فيما بينها ما يقرب من عشرة ملايين حالة متداخلة محتملة.
والثاني هو "التشابك". إنه يربط الجسيمات الكمومية معًا عبر الزمان والمكان. في أجهزة الكمبيوتر القياسية ، يرتبط كل بت بشكل صارم بحالة التالية.
الكيوبتات في الحوسبة الكمومية متشابكة للغاية. يمكن للعمليات الحسابية على الكيوبتات المتداخلة والمتشابكة أن تعمل في وقت واحد ، بدرجة أكبر أو أقل ، على جميع الكيوبتات في عملية حسابية واحدة.
كيف يعمل الكمبيوتر الكمومي
يبدأ الحساب الكمي عن طريق الاقتراب من الكيوبت واحدًا تلو الآخر. للتبسيط قدر الإمكان ، يمكن القول أنه يجعل كيوبت واحدًا أو صفرًا ، ثم يتقاطع مع جاره. بمجرد أن يتم ذلك ، فإنه يترك قواعد فيزياء الكم تعمل مع حالات وروابط الكيوبت التي تتطور بمرور الوقت.
أخيرًا (ولكن ليس قبل ذلك ، لأنه قد يؤدي إلى إفساد الحساب) ، يتم فحص الكيوبتات في وقت واحد للحصول على إجابة.
المهمة الرئيسية هي تحديد الإجابة الصحيحة من بين مليار إجابة غير صحيحة. هذا هو المكان الذي تدخل فيه الفكرة الثالثة ، الفكرة غير البديهية.
في الفيزياء الكلاسيكية ، يجب التعبير عن الاحتمالات بأرقام موجبة. لنفترض أن هناك فرصة بنسبة 30٪ لتساقط الأمطار. تستخدم ميكانيكا الكم مفهومًا ذا صلة يسمى "السعة". يمكن أن تكون هذه سلبية وإيجابية.
عليك أن تجعل السعات التي تمثل الإجابات الخاطئة تلغي بعضها البعض ، بينما تظهر تلك التي تمثل الإجابات الصحيحة. بهذه الطريقة ، يمكن للمطورين الاقتراب من الحل الصحيح بتقريب مقبول.
في المختبر الأمر أكثر تعقيدًا
هذا هو التفسير الموجود في الكتب المدرسية. في المختبر ، تصبح الأمور أكثر تعقيدًا. التراكب الكمي والارتباطات الكمية ظواهر حساسة للغاية.
على سبيل المثال ، يمكن للحركة الموجية للجزيئات المجاورة أن تقاطعهم وتجعل الحساب صعبًا.
تتطلب معظم المشاريع التي تم تطويرها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية إبقاء الآلات في درجات حرارة أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي وأن يتم وضعها في غرف خاصة.
يتطلب الأمر أيضًا الكثير من الموظفين المتخصصين لتتبع عمليات المعالجة.
مشكلة اكتشاف الخطأ
ومع ذلك ، لا يمكن للمهارة الشديدة للعلماء ولا ظروف المختبر المثالية منع حدوث الأخطاء.
أكبر مشكلة تواجه علماء الكم هي اكتشاف الأخطاء في الحوسبة وتصحيحها. كما قلنا ، يتطلب تطوير تطبيقات عملية باستخدام الحوسبة الكمية معالجة أكثر بكثير من الأجهزة التقليدية. في هذا المقياس ، تزداد مخاطر الأخطاء بشكل كبير.
دفعت هذه الحالة الشركات الكبرى في صناعة الكمبيوتر ، مثل IBM و Intel و Microsoft ، وألمع العقول ، مثل Chad Rigetti ، إلى بناء مجموعات تطوير أفضل وأقل عيوبًا.
خوارزميات فعالة
بالتوازي مع هذا السباق لبناء آلات أفضل هو السباق لتطوير خوارزميات كم فعالة. ربما تكون أفضل حالة معروفة حتى الآن هي خوارزمية العوملة التي ابتكرها بيتر شور في عام 1994 في مختبرات بيل.
طور Shor خوارزمية رياضية بشاحن توربيني كمي يسمح بالتحليل السريع للأعداد الصحيحة في الأعداد الأولية المكونة لها.
شيء يخيف المشفرين ، مجموعة من العلماء تقدر قيمتها فيما يتعلق بصعوبة تنفيذ ما تفعله خوارزمية شور.
ولكن إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي التي تصنعها حقًا ، فستكون هناك حاجة إلى خوارزميات جديدة. سيتم تسهيل تطوير مثل هذه الخوارزميات من خلال حقيقة أن العديد من التطبيقات العملية (تصميم الأدوية والمواد وما إلى ذلك) نفسها تعتمد على العمليات الكمومية.
هذا ، في الواقع ، هو أيضًا سبب صعوبة تطوير هذا النوع من التطبيقات حتى الآن.
أجهزة قليلة؟
على الرغم من وعود الحوسبة الكمومية ، فإن العديد من الباحثين في هذا المجال غير مرتاحين لعبارة "التفوق الكمي". أنا غير مرتاح لأن ظهور التفوق الكمي يشير إلى نقطة تحول ، بمجرد عبورها ، ترسل عقودًا من الحوسبة التطبيقية إلى العلية باسم شيء غريب ومدهش.
وعلى الرغم من "ما قبل" و "بعد" الذي تحدده وثيقة Google ، فإن بناء أجهزة كمية فعالة لها تطبيقات عملية لن يكون مسارًا سهلاً.
يعتقد معظم الناس أنه من المقامرة توقع أن الحوسبة الكمومية ستحل محل الحوسبة الكلاسيكية. ومن الأمثلة على ذلك الجوانب العملية المتعلقة بتشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية في درجات حرارة منخفضة للغاية.
لا شك أن الحكومات والشركات الكبرى وأغنى الجامعات لديها سياراتها الخاصة. سيستأجر الآخرون الوقت على الأجهزة المتصلة بالإصدارات الكمية من السحابة. في أي حال ، سيكون العدد الإجمالي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية محدودًا.
ومن الجيد أنه كذلك. على أي حال ، قد يكون لدينا بعض الشكوك حول هذا التنبؤ ، بالنظر إلى بدايات الحوسبة الكلاسيكية التي كانت شيئًا للمختارين. في عام 1943 صرح توماس واتسون ، رئيس شركة IBM آنذاك: "أعتقد أنه قد يكون هناك سوق عالمي ، ربما ، لخمسة أجهزة كمبيوتر." توقع غير صحيح لبعض العوامل ، ربما مليار عامل.
من الإيكونوميست بتاريخ 26 سبتمبر 2019
