ما هي الحوسبة الكمومية؟
تقدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية مفاهيم جديدة لأساليب البرمجة التقليدية باستخدام القواعد الخاصة لفيزياء المقدار لإجراء العمليات الحسابية.
دعونا نرى كيف تختلف الحوسبة الكمومية عن الحوسبة الكلاسيكية وكيفية بناء كمبيوتر كمومي.
ولادة الحوسبة الكمومية
ولدت فكرة الكمبيوتر الكمومي من صعوبة محاكاة الأنظمة الكمومية على كمبيوتر كلاسيكي. في الثمانينات، اقترح ريتشارد فينمان ويوري ماين بشكل مستقل أن الأجهزة المستندة إلى الظواهر الكمومية قد تكون أكثر كفاءة لمحاكاة الأنظمة الكمومية من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
هناك العديد من الطرق لفهم سبب صعوبة محاكاة ميكانيكا المقدار. الأبسط هو أن نرى أن هذه المسألة، على مستوى المقدار، هي في العديد من التكوينات المحتملة (المعروفة باسم الحالات).
الحوسبة الكمومية تنمو بشكل كبير
ضع في اعتبارك نظام الإلكترونات حيث توجد مواقع محتملة بمبلغ 40 دولارا. لذلك قد يكون النظام في أي من تكوينات $2^{40}$ (حيث يمكن أن يكون لكل موقع إلكترون أو لا يحتوي عليه). لتخزين الحالة الكمومية للإلكترونات في ذاكرة كمبيوتر تقليدية، سيتطلب ما يزيد عن 130$ غيغابايت من الذاكرة! إذا سمحنا للجسيمات أن تكون في أي من مواضع $41$، سيكون هناك ضعف العديد من التكوينات في $2^{41}$، والتي بدورها تتطلب أكثر من 260$ جيجابايت من الذاكرة لتخزين الحالة الكمومية.
لا يمكن لعب هذه اللعبة لزيادة عدد المواقع إلى أجل غير مسمى. إذا أردنا تخزين الدولة بشكل تقليدي، فإننا سنتجاوز بسرعة قدرات الذاكرة لأقوى الآلات في العالم. في بضع مئات من الإلكترونات، تتجاوز الذاكرة المطلوبة لتخزين النظام عدد الجسيمات في الكون؛ وبالتالي لا يوجد أمل مع أجهزة الكمبيوتر التقليدية لدينا لمحاكاة ديناميكيات المقدار الخاصة بهم.
تحويل الصعوبة إلى فرصة
إن ملاحظة هذا النمو الأسي دفعتنا إلى طرح سؤال قوي: هل يمكننا تحويل هذه الصعوبة إلى فرصة؟ على وجه التحديد، إذا كان من الصعب محاكاة الديناميكيات الكمومية ماذا سيحدث إذا أردنا إنشاء أجهزة لها تأثيرات كمومية ك عمليات أساسية؟ هل يمكننا محاكاة أنظمة الكم من الجسيمات المتفاعلة باستخدام آلة تستغل بالضبط نفس قوانين الفيزياء؟ ويمكننا استخدام تلك الآلة للتحقيق في المهام الأخرى الغائبة عن الجسيمات الكمومية، ولكنها حاسمة بالنسبة لنا؟ أدت هذه الأسئلة إلى نشأة الحوسبة الكمومية.
في عام 1985، أظهر ديفيد دويتش أن الكمبيوتر الكمومي يمكنه محاكاة سلوك أي نظام مادي بكفاءة. كان هذا الاكتشاف أول إشارة إلى أنه يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لحل المشاكل المستعصية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
في عام 1994، اكتشف بيتر شور خوارزمية كمومية لحساب الأعداد الصحيحة التي تعمل بشكل أسرع أضعافا مضاعفة من أفضل خوارزمية كلاسيكية معروفة. إن حل العوامل يجعل من الممكن القدرة على كسر العديد من أنظمة التشفير الرئيسية العامة التي تقوم على أمان التجارة الإلكترونية اليوم، بما في ذلك تشفير RSA و Elliptic Curve. أثار هذا الاكتشاف اهتماما كبيرا بالحوسبة الكمومية وأدى إلى تطوير خوارزميات المقدار للعديد من المشاكل الأخرى.
منذ ذلك الوقت، تم تطوير خوارزميات الكمبيوتر الكمومية السريعة والفعالة للعديد من مهامنا الكلاسيكية الصعبة: محاكاة الأنظمة الفيزيائية في الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد، والبحث في قاعدة بيانات غير مرتبة، وحل أنظمة المعادلات الخطية، والتعلم الآلي.
ما هو qubit؟
وكما أن البتات هي العنصر الأساسي للمعلومات في الحوسبة الكلاسيكية، فإن البتات الكمومية (البت الكمومي) هي العنصر الأساسي للمعلومات في الحوسبة الكمومية.
البت الكمومي هو الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة الكمومية. تلعب Qubits دورا مشابها في الحوسبة الكمومية كما تلعب البتات في الحوسبة الكلاسيكية، ولكنها تتصرف بشكل مختلف. البتات الكلاسيكية ثنائية ويمكن أن تحتفظ بموضع $0$ أو $1$، ولكن يمكن أن تحتفظ البتات الكمومية بتراكب لجميع الحالات المحتملة. يعني هذا السلوك أن البت الكمومي يمكن أن يكون في حالة $0$أو $1$أو أي تراكب كمومي للاثنين. هناك تراكبات محتملة لا نهائية من $0$ و$1$، وكل منها هي حالة كيوبت صالحة.
في الحوسبة الكمومية، يتم ترميز المعلومات في تراكب الولايات $0$ و$1$. على سبيل المثال، مع $8$ بت، يمكننا ترميز قيم مختلفة $256$، ولكن علينا اختيار واحدة منها لترميزها. مع $8$ qubits، يمكننا ترميز قيم $256$ في نفس الوقت، لأن qubit يمكن أن يكون في تراكب لجميع الحالات المحتملة.
كيفية إنشاء كمبيوتر كمومي
الكمبيوتر الكمومي هو كمبيوتر يستفيد من الظواهر الميكانيكية الكمومية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالات الكمومية المهمة لتخزين المعلومات واحوسبتها. يمكنهم "برمجة" التداخل الكمومي للقيام بأشياء أسرع أو أفضل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
عند إنشاء كمبيوتر كمومي، نحتاج إلى التفكير في كيفية إنشاء البتات الكمومية وكيفية تخزينها. نحتاج أيضا إلى التفكير في كيفية التعامل معها وكيفية قراءة نتائج حساباتنا.
تقنيات البت الكمومي الأكثر استخداما هي qubits الأيونية المحاصرة، و qubits فائقة التوصيل، و qubits الطوبولوجية. بالنسبة لبعض أساليب تخزين البت الكمومي، يتم الاحتفاظ بالوحدة التي تضم البتات الكمومية عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لزيادة تماسكها وتقليل التداخل. تستخدم الأنواع الأخرى من سكن كيوبت غرفة فراغ للمساعدة في تقليل الاهتزازات وتثبيت البتات الكمومية. يمكن إرسال الإشارات إلى البتات الكمومية باستخدام أساليب مختلفة، بما في ذلك الميكروويف والليزر والجهد.
المعايير الخمسة للكمبيوتر الكمومي
يجب أن يحتوي الكمبيوتر الكمومي الجيد على هذه الميزات الخمس:
- قابل للتطوير: يمكن أن يحتوي على العديد من البتات الكمومية.
- قابل للتهيئة: يمكنه تعيين qubits إلى حالة معينة (عادة الحالة $0$).
- مرن: يمكن أن يحافظ على qubits في حالة تراكب لفترة طويلة.
- عالمي: لا يحتاج الكمبيوتر الكمومي إلى إجراء كل عملية ممكنة، بل يحتاج فقط إلى مجموعة من العمليات تسمى المجموعة العالمية. مجموعة من العمليات الكمومية العالمية هي بحيث يمكن تحليل أي عملية أخرى إلى تسلسل منها.
- موثوق به: يمكنه قياس البتات الكمومية بدقة.
غالبا ما تعرف هذه المعايير الخمسة باسم معايير Di Vincenzo للحساب الكمي.
إن التحدي الهندسي لأجهزة البناء التي تفي بهذه المعايير الخمسة هو أحد أكثر التحديات التي تواجهها البشرية تطلبا على الإطلاق. تشارك Microsoft مع بعض الشركات المصنعة للكمبيوتر الكمومي الأفضل في فئتها حول العالم لمنحك إمكانية الوصول إلى أحدث حلول الحوسبة الكمومية من خلال Azure Quantum.