لقد سمعنا عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية منذ بضع سنوات على الأقل. ولكن ما هو؟ ما هو الكمبيوتر الكمومي؟ اليوم كل شيء عن ذلك بكلمات بسيطة.
الكم الحاسوب هو اختراع يعلق العديد من الباحثين آمالًا كبيرة عليه ، ويتوقعون أن يكون له تأثير إيجابي على تطور العلوم. ومع ذلك ، فإن فهم كيفية عمل فيزياء الكم أمر صعب للغاية. حتى أن بعض علماء الفيزياء يشككون فيما إذا كان ينبغي تسمية "أجهزة الكمبيوتر الكمومية" الحالية بهذا الاسم. أكبر عقبة في استخدام الحوسبة الكمومية هي العدد الكبير من الأخطاء التي تتأثر حتى بأصغر التغييرات في بيئة الآلات الكمومية. حتى الآن ، لم نتمكن بعد من استغلال إمكانات البتات الكمومية بشكل مرضٍ تمامًا. اليوم سنحاول معرفة ما هو المميز في هذه البتات الكمومية؟
هل توجد أجهزة كمبيوتر كمومية؟
جوهر أي عالم حقيقي هو عدم الثقة والتحقق طوال الوقت. تذكرت هذه الكلمات بالذات عندما كنت لا أزال طالبة. وتأكد أكثر من مرة من صحة هذه العبارة. وهذا ينطبق أيضًا على "أجهزة الكمبيوتر الكمومية". لماذا اقتبست اسم هذه الحواسيب؟ هيا نكتشف.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية موضوعًا معقدًا للغاية ، لكنني سأحاول تبسيطه قدر الإمكان والتحدث عنها بطريقة يسهل الوصول إليها. حتى اليوم ، يمكن للعلماء والفيزيائيين والمهندسين مناقشة السؤال الذي يبدو بسيطًا حول ما إذا كان الكمبيوتر الكمومي العامل موجودًا في مكان ما في العالم. "لكن كيف ، بعد كل شيء ، أن تتفاخر شركات مثل IBM بأجهزة الكمبيوتر الكمومية!" - قد يقول أحدهم. وسيكون على حق. يبقى السؤال مفتوحًا ما إذا كانت شركة IBM قد أنشأت بالفعل كمبيوترًا كميًا أو ببساطة أطلقت على أجهزتها "كمبيوتر كمومي".
عندما يطلب مني أحد أصدقائي أن أشرح بكلمات بسيطة كيف تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن أجهزة الكمبيوتر التي اعتدنا عليها ، عادةً ما أستخدم مقارنة بسيطة. إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لدينا (مثل PC, أجهزة الكمبيوتر المحمولة و الهواتف الذكية) هي الشموع ، ثم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي مصابيح كهربائية. الغرض من كليهما هو نفسه - بالنسبة للمصابيح المتوهجة والشموع ، فهو انبعاث الضوء ، وبالنسبة لأجهزة الكمبيوتر ، فهو مخصص للحسابات. ومع ذلك ، في كلتا الحالتين يتم تحقيق الهدف بشكل مختلف تمامًا والنتيجة مختلفة. ببساطة ، الكمبيوتر الكمومي ليس مجرد نسخة محسنة من أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، تمامًا مثل المصباح الكهربائي ليس مجرد شمعة أكبر. لا يمكنك إنشاء مصباح كهربائي بجعل الشموع أفضل وأفضل. المصباح الكهربائي مختلف تكنولوجيا، على أساس فهم علمي أعمق. وبالمثل ، يعد الكمبيوتر الكمومي نوعًا جديدًا من الأجهزة يعتمد على فيزياء الكم ، ومثلما غيّر المصباح الكهربائي المجتمع ، يمكن أن تؤثر أجهزة الكمبيوتر الكمومية على العديد من جوانب حياتنا ، بما في ذلك الاحتياجات الأمنية والرعاية الصحية وحتى الإنترنت.
لذلك ، إذا التزمنا بمقارنة أجهزة الكمبيوتر مع المصابيح الكهربائية ، فلن يظهر بعد "الكم جوزيف سوان" (مبتكر أول مصباح كهربائي متوهج وظيفي) ، وحتى الآن يحاول العلم ، بكلمات بسيطة ، أن يصنع "شيء أحمر وساخن" عن طريق التحقق من مدى توهجها. نحن نعرف بعض الأسس النظرية لكيفية عمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ولكن هناك عقبات كبيرة أمام تطويرها لا تزال تنتظر الحل.
تجري مراكز وشركات البحث في جميع أنحاء العالم المزيد من الاختبارات والأبحاث ، ويتفق الخبراء في مجال فيزياء الكم على أن إنشاء آلات كم تعمل بكامل طاقتها يمكننا استخدامها لتحقيق الأهداف التي يستحيل تحقيقها في هذه المرحلة سوف يجتاز العشرات من الواضح. سنوات.
أعتقد ، وسيوافقني العديد من العلماء ، أن الآلات التي تسمى حاليًا أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تستحق مثل هذا الاسم على الإطلاق. إنهم يفتقرون إلى القدرة على إجراء العمليات الحسابية أو حل المشكلات التي لا يمكننا حلها بطريقة عادية وكلاسيكية.
لم نصل بعد إلى مثل هذه الدرجة من التطور التكنولوجي الذي يمكننا من إنشاء آلة كمومية من شأنها حل المشكلات التي يتعذر الوصول إليها حاليًا على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. بالطبع ، تتحدث Google أو IBM عن بعض الحسابات التي تم إجراؤها أو غيرها والتي سيكون من الصعب القيام بها بالطريقة الكلاسيكية ، لكنها غير مقنعة في الوقت الحالي.
اقرأ أيضا: الصين حريصة أيضًا على استكشاف الفضاء. كيف حالهم؟
ما هو الكم؟
ما هو "الكم" على أي حال؟ إنه ليس كائنًا ماديًا. يستخدم مصطلح "الكم" في الفيزياء لوصف أصغر جزء ممكن من شيء ما. لذلك يمكن أن يكون لديك "قوة كم" ، "كمية زمنية" أو "كم جسيم". باتباع هذا المسار ، سنصل إلى مصطلحات مثل "فيزياء الكم" و "ميكانيكا الكم" ، أي فروع العلم التي تتعامل مع أصغر التفاعلات أو الأنظمة الممكنة - على مستوى الذرات وحتى الكواركات الفردية.
والآن وصلنا إلى الكيوبت (البت الكمي) ، أي "أصغر وحدة غير قابلة للتجزئة من المعلومات الكمومية". في الوقت نفسه ، وصلنا أيضًا إلى النقطة الأولى ، التي تخبرنا عن أوجه التشابه والاختلاف في كيفية قيام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية (باستخدام البتات) وأجهزة الكمبيوتر الكمومية (باستخدام الكيوبتات) بإجراء العمليات الحسابية.
في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، يتم تخزين كل معلومة على شكل سلسلة من الآحاد والأصفار. يتم إدراك هذه المعلومات وتفسيرها بواسطة جهاز كمبيوتر أو وحدة تحكم أو هاتف ذكي ، ساعة ذكية و تلفزيون ذكي، على غرار العمليات التي يتم إجراؤها على هذه المعلومات. سواء كنا ننظر إلى صور العطلات أو الدردشة مع الأصدقاء أو لعب أحدث لعبة أو إجراء حسابات تشفير متقدمة ، فإن كل شيء يحدث في نظام ثنائي حيث يوجد 0 أو 1 ولا شيء آخر. في الواقع ، إنه أشبه بنعم أو لا كلاسيكي.
كيف يمكن رؤية عدم كفاءة هذا النظام عندما نصل إلى حدوده. وسواء نفدت المساحة على هواتفنا الذكية لالتقاط صورة شخصية أخرى أو كان العلماء يحاولون إنشاء نماذج رياضية لتطور الجائحة ، فإن المشكلة تكمن في وجود عدد كبير جدًا من الأصفار والآحاد ، والموارد اللازمة لتخزينها والقدرة على احسب لهم غير متوفرة.
Qubit يحل هذه المشكلة. تستخدم هذه القطعة من المعلومات خصائص فيزياء الكم تسمح لها بالبقاء في ما يسمى بالتراكب. يمكن للكيوبت أن يأخذ أي قيمة بين 0 و 1. وله خصائص الطيف بأكمله ويمكن أن يكون له قيم مثل 15 بالمائة صفر و 85 بالمائة واحد. من الناحية النظرية ، يتيح لك هذا حفظ المزيد من المعلومات أو تسريع العمليات الحسابية. ولكن في الوقت نفسه ، تنشأ الكثير من المشاكل التي يصعب السيطرة عليها وحتى فهمها.
ميزة أخرى لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، والتي تسمح بالتوسع الإضافي لقوة الحوسبة ، هي استخدام التشابك الكمومي. هذه حالة حيث يتم توصيل اثنين من البتات الكمومية ببعضها البعض ، وفي كل مرة نلاحظ أحدهما ، سيكون الآخر في نفس الحالة تمامًا. يسمح التشابك بتجميع الكيوبتات في وحدات أكثر كفاءة لتسجيل المعلومات ومعالجتها.
اقرأ أيضا: من هم القراصنة البيولوجيون ولماذا يقطعون أنفسهم طواعية؟
معدات الكم
يتكون الكمبيوتر الكمي من ثلاثة أجزاء رئيسية: منطقة لتخزين الكيوبتات ، وطريقة لنقل الإشارات إلى الكيوبتات ، وجهاز كمبيوتر كلاسيكي لتشغيل برنامج وإرسال التعليمات.
تعتبر المادة الكمومية التي تتكون منها الكيوبتات حساسة للغاية وحساسة للغاية للتأثيرات البيئية. بالنسبة لبعض طرق تخزين الكيوبت ، يتم الاحتفاظ بالوحدة التي تضم الكيوبتات عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق لتعظيم تماسكها. تستخدم الأنواع الأخرى من تخزين الكيوبت غرفة مفرغة لتقليل الاهتزاز وتثبيت وحدات البت.
هناك طرق مختلفة لإرسال الإشارات إلى الكيوبتات ، مثل الموجات الدقيقة والليزر والجهد الكهربائي.
من أجل تأسيس التشغيل الطبيعي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من الضروري حل العديد من المشكلات. تتمثل المشكلة الرئيسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية في تصحيح الأخطاء ، كما أن التحجيم (إضافة المزيد من الكيوبتات) يزيد من ترددها. بسبب هذه القيود ، لا يزال الكمبيوتر الشخصي الكمومي الموجود على مكتبك مستقبلاً بعيد المنال ، ولكن قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية التجارية متاحة في المستقبل القريب. دعنا نتحدث عن هذا بمزيد من التفصيل.
مشاكل الحواسيب الكمومية
ومع ذلك ، فإن الحواسيب الكمومية لديها مشكلة واحدة كبيرة. أي أن العلماء يواجهون مشكلة كبيرة في استخدامها ، لأنه بفضل خصائصها الخاصة ، تحتاج الكيوبتات إلى بيئة هادئة بما يكفي لتتمكن من قراءة أي بيانات منها بدقة. كل ، حتى أصغر انتهاك ، سيجعل من المستحيل قراءة المعلومات بدقة.
في حالة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، لعبت مشكلة مماثلة أيضًا دورًا مهمًا في الماضي ، لكنها اليوم غير ذات أهمية لدرجة أنه غالبًا ما يتم تجاهلها حتى في العلوم الأكاديمية. نحن نتحدث عن معدل الخطأ. إنه مؤشر يحدد نسبة البتات أو الكيوبتات من المعلومات التي يمكن إتلافها. يمكن أن يحدث هذا ، على سبيل المثال ، في وقت زيادة الجهد أو اضطرابات أخرى.
بالنسبة للأجهزة الكلاسيكية ، يكون احتمال الخطأ واحدًا تقريبًا 1017 قليل في حالة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لا يزال هذا واحدًا من عدة مئات. وهذا في حالة تعمل فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية في أكثر الظروف عزلة وعند درجة حرارة -272 درجة مئوية ، أي أعلى بقليل من الصفر المطلق. أي تقلبات في درجة الحرارة ، والتغيرات في المجال الكهرومغناطيسي ، وحتى الحركة تدمر العملية الحسابية بأكملها.
مشكلة أخرى هي "عدم استقرار" الحالات الكمومية. في كل مرة نقيس أو نرغب في تشويش حالة كمومية ، فإنها تعود إلى موضع من موضعين ، صفر وواحد. في هذه الحالة ، سوف تتحلل الحالة الكمومية. هذه العملية تسمى فك الترابط الكمي.
فكر في الأمر بهذه الطريقة: الكمبيوتر الكمومي هو عالم رياضيات ماهر يقوم بإجراء حسابات معقدة ، وتتراوح نتائجه بين 0 و 1 مليون. نحن بدورنا طفل يفهم فقط أن شيئًا ما يمكن أن يكون كثيرًا أو قليلًا جدًا. كلما حصل عالم رياضيات على نتائج مختلفة ، مثل 356،670,23 أو 1،846،662 ، وفقًا لفهمنا للعالم ، سيتم تصنيف كل نتيجة من هذه النتائج على أنها قليلة (0) أو كثيرة (1) ، دون تحديد فرق معين بين الاثنين. هذا هو فك الترابط الكمي. الطريقة الوحيدة لإجراء حساب صحيح هي ضمان العمل الرياضي قبل الانتهاء منه.
اقرأ أيضا: ماذا ستفعل المثابرة والإبداع على المريخ؟
لماذا سنستخدم الحواسيب الكمومية؟
اليوم ، يطرح السؤال حول ما يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، تمامًا كما كان الحال قبل 20 عامًا ، في ما يمكن استخدام الهاتف الذكي. بالطبع ، هناك بالفعل بعض الخطط والافتراضات ، ولكن من المحتمل أن تتضح الاتجاهات الأكثر إثارة للاهتمام لاستخدام الكيوبتات عندما تنتشر أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
يعد علم التشفير أحد أكثر المجالات شيوعًا حيث يتم استخدام الحوسبة الكمومية في أغلب الأحيان. الشيء هو أنها ستكون وسيلة لنقل المعلومات بطريقة آمنة للغاية ، ولا يعتمد الأمن على تعقيد عمليات الحوسبة ، ولكن على قوانين الفيزياء ، والتي ستمنح الثقة بأن أشياء معينة مستحيلة ببساطة. وفي هذه اللحظة سيكون من المستحيل الاستماع ، التجسس ، الاختراق.
يتم ضمان الأمان في هذه الحالة من خلال الخصائص الفيزيائية للكيوبتات ، والتي ، كما أوضحت سابقًا ، تتوقف عن إظهار ميزات التراكب بمجرد ملاحظتها. لذا فإن أي محاولة لاعتراض أو حتى نسخ الرسالة المشفرة ستدمرها ببساطة.
قد تسمح لنا أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا بفهم العمليات الطبيعية بشكل أفضل. تعكس "فوضى" التراكب بشكل أفضل الطريقة ، على سبيل المثال ، الطفرات في الحمض النووي ، وبالتالي تطور المرض والتطور. تُستخدم الحوسبة الكمومية بالفعل اليوم لابتكار عقاقير جديدة.
ربما يكون من المنطقي التحدث عن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لنقل البيانات عن بعد. نعم ، على وجه التحديد نقل البيانات عن بعد ، وربما الشخص. سنكون قادرين على نقل المعلومات من مكان إلى آخر دون نقلها فعليًا. يبدو الأمر وكأنه خيال ، لكنه ممكن ، لأن سيولة الجسيمات الكمومية يمكن أن تتشابك في الزمان والمكان ، بحيث يمكن للتغيير في جسيم ما أن يؤثر على آخر ، وهذا يخلق قناة للانتقال الآني. تم إثبات ذلك بالفعل في المختبرات ويمكن أن يكون جزءًا من الإنترنت الكمي للمستقبل. ليس لدينا مثل هذه الشبكة حتى الآن ، لكن بعض العلماء يعملون بالفعل على هذه الاحتمالات ، لمحاكاة شبكة كمومية على جهاز كمبيوتر كمي. لقد طوروا بالفعل ونفذوا بروتوكولات جديدة مثيرة للاهتمام ، مثل النقل الآني بين مستخدمي الشبكة ونقل البيانات الفعال ، وحتى التصويت الآمن.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى ضرورة استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمحاكاة المواقف المختلفة وإيجاد حلول للمشكلات ، بما في ذلك الأدوية واللقاحات. على سبيل المثال ، أثناء الأوبئة مثل فيروس كورونا ، عندما تكون هناك حاجة إلى حساب الخيارات وحسابها بشكل أسرع. هنا يمكنك استخدام إمكانية النمذجة الكمية ، والتي لا يمكن إجراؤها على جهاز كمبيوتر كلاسيكي. عندما يظهر مرض جديد ، تستغرق عملية البحث عن علاج حوالي 15 عامًا ويمكن أن تكلف ما يصل إلى 2,6 مليار دولار. في بعض الأمراض ، من الضروري تصفية ملايين الجزيئات لتحديد المئات فقط من الأفراد الواعدين الذين من المحتمل أن يصبحوا متبرعين. ثم ، أثناء الاختبار ، يتم إسقاط ما يقرب من 99٪ من الجزيئات بسبب جملة أمور من بينها سوء التنبؤ بالسلوك وقيود أخذ العينات. هذا هو المكان الذي ستظهر فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المقدمة.
وهذه ليست سوى عدد قليل من الأفكار الرائعة لما يمكن تحقيقه باستخدام فيزياء الكم. حاليًا ، ننجح إلى حد ما في ترويض شخصيتها المتقلبة ، لكن كل التطورات لا تزال في المستوى الأولي. لا يزال إنشاء كمبيوتر كمومي حقيقي وتطبيقه الشامل بعيدًا جدًا ، لكن التقدم لا يزال صامدًا. لذلك ، ربما في غضون عشر سنوات تقريبًا ستقرأ هذه المقالة بمساعدة كمبيوتر كمي وستبتسم بتنازل.
اقرأ أيضا:
في كل الأحوال, أهم ما يميز أجهزة الذاكرة الحديثة