التطور والاختراقات في الحوسبة الكمية ｜ آفاق تكنولوجيا الجيل القادم.

أساسيات الحواسيب الكمية ووضعها الحالي.

حققت الحوسبة الكمية تقدماً هائلاً في السنوات الأخيرة وهي في طليعة التكنولوجيا. تصف هذه المقالة أحدث الإنجازات في الحوسبة الكمية وتأثيرها.

ما هو الحاسوب الكمي؟

تعتمد الحواسيب الكمية على مبدأ حسابي مختلف جذرياً عن الحواسيب التقليدية. ومن المتوقع أن تُظهر الحواسيب الكمومية، باعتبارها تقنية متطورة، إمكانات كبيرة في مجال الذكاء الاصطناعي (AI)، وفي تحليل البيانات على نطاق واسع وفي حل مشاكل التحسين. في حين أن الحواسيب التقليدية تعالج المعلومات باستخدام بتات بقيمة 0 أو 1، تستخدم الحواسيب الكمومية وحدات ميكانيكية كمومية تسمى الكيوبتات، والتي يمكن أن تأخذ الحالتين 0 و1 في آن واحد. يسمح تراكب الحالات هذا للكيوبتات بمعالجة عدد n من الكيوبتات لمعالجة عدد n من الحالات حتى الأس رقم 2 في آن واحد، مما يعني أن العمليات الحسابية التي قد تستغرق آلاف السنين باستخدام الحواسيب التقليدية يمكن حلها نظرياً في ثوانٍ. على سبيل المثال، نظام يحتوي على 100 كيوبت سيكون لديه القدرة الحسابية لمعالجة 100 حالة في وقت واحد إلى القوة 2، وهو أكثر من عدد جميع الذرات على الأرض.
بالإضافة إلى التراكب، تستفيد الحواسيب الكمية من ظاهرة ميكانيكية كمومية أخرى مهمة تسمى التشابك. التشابك هو ظاهرة ترتبط فيها الكيوبتات المتعددة ببعضها البعض بقوة وتؤثر على بعضها البعض حتى عندما تكون متباعدة. من خلال الجمع بين التراكب والتشابك، تمتلك الحواسيب الكمية القدرة على حل المشاكل المعقدة بكفاءة والتي يستحيل حلها باستخدام الحواسيب التقليدية.

التطورات التكنولوجية الحالية.

في السنوات الأخيرة، تم إحراز تقدم ملحوظ في البحث والتطوير في مجال الحواسيب الكمومية، وعلى وجه الخصوص، تم تنفيذ عدد من المشاريع واسعة النطاق للتطبيق العملي للتكنولوجيا الكمومية بالتعاون بين المؤسسات البحثية، وخاصة الجامعات، والصناعة. كما تم تحسين أداء الحواسيب الكمومية بشكل كبير من خلال تطوير تقنيات مثل البتات الكمومية فائقة التوصيل والبتات الكمومية المحاصرة بالأيونات والبتات الكمومية الذرية المحايدة. تتبنى كل من هذه التقنيات نهجًا مختلفًا ولكل منها نقاط قوتها وضعفها.

الابتكارات في الكيوبتات فائقة التوصيل.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي تقنية تستخدم دارات فائقة التوصيل لتحقيق الكيوبتات؛ وتتيح الطريقة التي تستخدمها شركة آي بي إم وجوجل أزمنة تماسك طويلة نسبياً (الوقت الذي يتم خلاله الحفاظ على الحالة الكمية) تصل إلى عشرات الميكروثانية، مما يجعل من الممكن تنفيذ خوارزميات كمومية معقدة. من ناحية أخرى، تواجه الكيوبتات فائقة التوصيل تحديًا يتمثل في الحاجة إلى العمل في بيئات مبردة بالقرب من الصفر المطلق (حوالي -273 درجة مئوية).

تحكم دقيق في نظام مصيدة الأيونات.

الكيوبتات المحتجزة بالأيونات هي تقنية تستخدم الأيونات المحتجزة بواسطة ضوء الليزر لتحقيق الكيوبتات. وتتميز الكيوبتات المحصورة بالأيونات بميزة أزمنة تماسك أطول وتحكم أكثر دقة من الكيوبتات فائقة التوصيل. ومن ناحية أخرى، تُعد الكيوبتات المحصورة أيونيًا أكثر تعقيدًا في التصنيع من الكيوبتات فائقة التوصيل ولديها مشاكل في قابلية التوسع (زيادة عدد الكيوبتات).

مزايا الكيوبتات الذرية المحايدة.

كيوبتات الذرة المحايدة هي تقنية تستخدم الذرات المحايدة المحتجزة بواسطة ضوء الليزر لتحقيق الكيوبتات. وبالمقارنة مع تقنيات الكيوبت الأخرى، تمتاز كيوبتات الذرة المحايدة بأنها أقل عرضة للتشويش وذات قابلية أعلى للتوسع. من ناحية أخرى، من الصعب التحكم في الكيوبتات الكيوبتات الذرية المحايدة ولها أزمنة تماسك قصيرة نسبياً.

اللاعبون الرئيسيون.

تخوض الشركات والمعاهد البحثية في جميع أنحاء العالم سباقاً لتطوير الحواسيب الكمومية، حيث تقوم شركات رائدة مثل آي بي إم وجوجل ومايكروسوفت وأمازون وإنتل بتطوير تقنيات الحوسبة الكمية الخاصة بها وتقديمها كخدمات سحابية. وتستثمر هذه الشركات بكثافة في البحث والتطوير في مجال الحواسيب الكمية لتسريع الابتكار.
على سبيل المثال، طورت شركة IBM حاسوبًا كميًا يسمى IBMQuantum، والذي يستخدم تقنية الكيوبت فائقة التوصيل ويتم تقديمه كخدمة سحابية؛ وطورت Google حاسوبًا كميًا يسمى Sycamore، والذي يستخدم تقنية الكيوبت فائقة التوصيل وسيعرض "تجاوز الكم" في عام 2019 تعمل شركة مايكروسوفت على تطوير نوع جديد من الحواسيب الكمومية يسمى الحوسبة الكمية الطوبولوجية؛ وتقدم شركة أمازون خدمة حوسبة كمومية تسمى AmazonBraket؛ وتقوم شركة إنتل بالبحث والتطوير في تكنولوجيا الكيوبت السيليكوني. وتجري أبحاثًا وتطويرًا على تقنية الكيوبت السيليكوني.

تصحيح الخطأ الكمي والاختراقات الكمية

أهمية تصحيح الخطأ الكمي

يُعد تصحيح الأخطاء تقنية أساسية لتحسين الدقة في الحوسبة الكمية. فالبتات الكمية حساسة للغاية وعرضة للضوضاء الخارجية والحرارة، مما يجعلها عرضة للأخطاء أثناء الحوسبة. تضعف الأخطاء الكمية بشكل كبير دقة نتائج الحسابات، لذا فإن تقنيات تصحيح هذه الأخطاء بكفاءة ضرورية لتحقيق الحواسيب الكمية العملية.

أحدث الإنجازات

في السنوات الأخيرة، تم إحراز تقدم ملحوظ في مجال البحث والتطوير في تقنيات تصحيح الأخطاء الكمية، حيث تم تحقيق العديد من الإنجازات الهامة. على سبيل المثال، تم تطوير تقنية جديدة لتصحيح الأخطاء تسمى الحوسبة الكمية الطوبولوجية، والتي من المتوقع أن تؤدي إلى حواسيب كمومية ذات قدرة تحمل أعلى للأخطاء من التقنيات التقليدية. الحوسبة الطوبولوجية الكمية هي تقنية تجعل الكيوبتات أقل عرضة للأخطاء من خلال بنائها من مواد ذات خصائص طوبولوجية.
كما أن زيادة عدد الكيوبتات مهم أيضاً لتحسين أداء الحواسيب الكمية، ولكن زيادة عدد الكيوبتات يزيد أيضاً من احتمال حدوث أخطاء. ولحل هذه المشكلة، تم تطوير شفرات جديدة لتصحيح الأخطاء الكمية لإدارة عدد أكبر من الكيوبتات بكفاءة. تجمع رموز تصحيح الأخطاء هذه بين عدة كيوبتات فيزيائية في كيوبت منطقي واحد، مما يقلل من احتمال حدوث أخطاء.

التوقعات المستقبلية.

مع تطور تكنولوجيا تصحيح الأخطاء الكمية، من المتوقع أن يتم تطوير حواسيب كمومية مستقرة للمستخدمين في المستقبل. من المتوقع أن تجلب الحواسيب الكمية الابتكار في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الطب والتمويل وعلوم المواد والطاقة واكتشاف الأدوية، من خلال تمكين إجراء حسابات مستحيلة باستخدام الحواسيب التقليدية.
على سبيل المثال، يمكن أن يكون للحواسيب الكمية تأثير كبير على المجتمع من خلال تمكين إجراء حسابات مستحيلة باستخدام الحواسيب التقليدية، مثل تطوير عقاقير جديدة وتصميم مواد جديدة والتنبؤ بالأسواق المالية وفك رموز الشفرات وحل مشاكل التحسين المعقدة والمحاكاة الكمية.

إمكانات الحواسيب الكمية الضوئية.

مزايا تقنية الكم الضوئي

الحواسيب الكمية الضوئية هي نوع جديد من الحواسيب الكمية التي تستخدم الطبيعة الكمية للضوء لإجراء العمليات الحسابية. الفوتونات هي أصغر وحدة من وحدات الإشعاع الكهرومغناطيسي، وليس لها كتلة، لذا فهي تولد أخطاء أكثر من الكيوبتات التقليدية كما أن الفوتونات مناسبة للحوسبة الكمية الموزعة، حيث يمكنها السفر لمسافات طويلة، وشبكات الاتصالات البصرية مثل الألياف البصرية.

البحث والتطوير ذو الصلة

تجري الأبحاث في مجال الحواسيب الكمية الضوئية بعناية وتتطور في جميع أنحاء العالم. وعلى وجه الخصوص، يعد تطوير تقنيات توليد الضوء والتحكم فيه والكشف عنه مسألة رئيسية. ويجري تطوير توليد الفوتونات والتكنولوجيا القائمة على التأثير الضوئي وتوليد الفوتونات باستخدام النقاط الكمية. وبالإضافة إلى ذلك، تم تطوير تقنيات التحكم في الفوتونات، مثل تقنية التحكم في الفوتونات باستخدام التداخل وعكس الموجات الضوئية، وتقنية التحكم في الفوتونات التي تستخدم الألياف الضوئية. وفي تكنولوجيا الكشف عن الضوء، تم تطوير تكنولوجيات مثل الكاشفات فائقة التوصيل وكاشفات الفوتون الواحد.

الطريق إلى التسويق التجاري

ومن المأمول أن تتوافر الحواسيب الكمية الضوئية بسعر مستقبلي في متناول المستهلك العادي. لدى الحواسيب الكمية الضوئية القدرة على إحداث ثورة في كل شيء من الطب والتمويل إلى علوم المواد والطاقة من خلال تمكين إجراء حسابات مستحيلة باستخدام الحواسيب التقليدية. على سبيل المثال، تتمتع الحواسيب الكمية الضوئية بإمكانية إحداث تأثير كبير على المجتمع من خلال تمكين إجراء حسابات مستحيلة باستخدام الحواسيب التقليدية، مثل تطوير أدوية جديدة وتصميم مواد جديدة والتنبؤ بالأسواق المالية وفك رموز الشفرات وحل مشاكل التحسين المعقدة.

أبحاث المواد الكمية وتطبيقاتها.

خصائص المواد الكمية

المواد الكمية هي مواد تُظهر خصائص مختلفة عن المواد التقليدية بسبب التأثيرات الميكانيكية الكمية. على سبيل المثال، المواد فائقة التوصيل هي مواد ذات مقاومة كهربائية صفرية، وهي تقنية يجري العمل عليها لتطوير الحواسيب الكمية. وهناك مادة أخرى، تسمى العازل الطوبولوجي، لها خاصية فريدة من نوعها وهي أن التيار يتدفق على سطحها وليس داخلها، ومن المتوقع أن تستخدم في تطوير الحواسيب الكمية والجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية. تساعد العوازل الطوبولوجية في حماية البتات الكمية.

التطبيق على التقنيات المبتكرة

للمواد الكمية تطبيقات محتملة في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الطب والأمن والطاقة. على سبيل المثال، يمكن استخدام المواد الكمية في تطوير عقاقير جديدة، وتصميم مواد جديدة، وتطوير خلايا شمسية عالية الكفاءة، وتطوير أنظمة أمنية من الجيل التالي. يمكن أن يكون للمواد الكمية تأثير كبير على المجتمع من خلال تمكين وظائف لا يمكن تحقيقها باستخدام المواد التقليدية.

أهمية التعاون العالمي.

تُجرى الأبحاث حول المواد الكمية من خلال التعاون الدولي وتبادل النتائج. تُجرى أبحاث المواد الكمية من قبل باحثين من مجموعة واسعة من التخصصات، من العلوم الأساسية إلى العلوم التطبيقية. ومن المهم أن يتم إجراء البحوث بكفاءة أكبر من خلال إقامة التعاون ومشاركة نتائج البحوث. وبالإضافة إلى ذلك، وبما أن بحوث المواد الكمية يمكن أن يكون لها تأثير كبير على المجتمع، فمن الضروري أيضاً تعزيز النقاش حول قضايا مثل الأخلاقيات.

مستقبل الحوسبة الكمية

آفاق تكنولوجيات الجيل التالي

توفر الحواسيب الكمية إمكانيات إضافية للتكامل مع تقنيات الجيل التالي الأخرى.

على سبيل المثال، من المتوقع أن تتيح الحواسيب الكمية التي تدمج أحدث تقنيات الذكاء الاصطناعي اكتشاف رؤى جديدة وحل المشاكل المعقدة في مجموعات البيانات الكبيرة. ومن المتوقع أيضًا أن تتيح المزيد من الابتكارات التكنولوجية المتقدمة من خلال الربط مع تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي وتحليلات البيانات الضخمة وإنترنت الأشياء وسلسلة الكتل.

تمتلك الحواسيب الكمية القدرة على تطوير هذه التقنيات بشكل كبير ومن المتوقع أن يكون لها تأثير كبير على المجتمع.

التأثير على المجتمع

لا تزال هناك العديد من التحديات قبل أن يتمكن المجتمع ككل من التمتع بفوائد الحواسيب الكمية. فالحواسيب الكمية تعمل بآلية مختلفة عن الحواسيب التقليدية، الأمر الذي يتطلب تطوير لغات برمجة وبرامج جديدة للتعامل مع الحواسيب الكمية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن تطوير الحواسيب الكمية مكلف، لذا يلزم بذل جهود لخفض التكاليف قبل أن يتسنى توفيرها للجميع. بالإضافة إلى ذلك، قد تخلق الحواسيب الكمية أيضاً تحديات جديدة في مجال الأمن والخصوصية.

التوقعات والتحديات المستقبلية

من خلال البحث والتطوير المستقبلي، من المتوقع أن يتوسع استخدام الحواسيب الكمية. تمتلك الحواسيب الكمية القدرة على تحقيق ابتكارات في مجالات مختلفة، مثل الطب والتمويل وعلوم المواد والطاقة واكتشاف الأدوية، من خلال تمكين إجراء حسابات مستحيلة باستخدام الحواسيب التقليدية. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من التحديات في التطبيق العملي للحواسيب الكمية. هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها، بما في ذلك تطوير تكنولوجيا تصحيح الأخطاء الكمية، وتحسين أداء الحواسيب الكمومية وتطوير طرق استخدام الحواسيب الكمومية. الحواسيب الكمية هي تكنولوجيا لديها القدرة على تغيير مستقبل البشرية بشكل كبير، وهناك توقعات كبيرة للبحث والتطوير في المستقبل.