البتات الكمومية بدلاً من البتات: ما نوع المستقبل الذي تخبئه لنا أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

أصبح أحد التحديات العلمية الرئيسية في عصرنا هو السباق لإنشاء أول كمبيوتر كمي مفيد. ويشارك فيه الآلاف من الفيزيائيين والمهندسين. وتقوم شركات IBM وGoogle وAlibaba وMicrosoft وIntel بتطوير مفاهيمها. كيف سيغير جهاز حاسوبي قوي عالمنا، وما سبب أهميته؟

تخيل للحظة: تم إنشاء كمبيوتر كمي كامل. لقد أصبح عنصرا مألوفا وطبيعيا في حياتنا. يتم الآن الحديث عن الحسابات الكلاسيكية فقط في المدرسة، في دروس التاريخ. في مكان ما في أعماق الأقبية الباردة، تعمل الآلات القوية على الكيوبتات لتشغيل الروبوتات ذات الذكاء الاصطناعي. إنهم يؤدون جميع المهام الخطيرة والرتيبة ببساطة. أثناء المشي في الحديقة، تنظر حولك وترى جميع أنواع الروبوتات. تقوم مخلوقات بشرية بتمشية الكلاب، وتبيع الآيس كريم، وتصلح الأسلاك الكهربائية، وتكتسح المنطقة. بعض النماذج تحل محل الحيوانات الأليفة.

لقد أتيحت لنا الفرصة للكشف عن كل أسرار الكون والنظر داخل أنفسنا. لقد وصل الطب إلى مستوى جديد - حيث يتم تطوير أدوية مبتكرة كل أسبوع. يمكننا التنبؤ وتحديد أماكن وجود الموارد النادرة مثل الغاز والنفط. لقد تم حل مشكلة الاحتباس الحراري، وتم تحسين أساليب توفير الطاقة، ولم تعد هناك اختناقات مرورية في المدن. لا يتحكم الكمبيوتر الكمي في جميع السيارات الروبوتية فحسب، بل يضمن أيضًا حرية الحركة: فهو يراقب الوضع على الطرق، ويضبط المسارات ويتولى التحكم من السائقين إذا لزم الأمر. هذا هو ما قد يبدو عليه العصر الكمي.

حمى الذهب الكمومية

آفاق التطبيق مذهلة، ولهذا السبب تنمو الاستثمارات في التطورات الكمومية كل عام. بلغت قيمة سوق الحوسبة الكمومية العالمية 81,6 مليون دولار في عام 2018. ويقدر خبراء Market.us أنه بحلول عام 2026 سيصل إلى 381,6 مليون دولار. أي أنها سترتفع بمعدل 21,26% سنوياً من عام 2019 إلى عام 2026.

ويغذي هذا النمو الاستخدام المتزايد للتشفير الكمي في التطبيقات الأمنية ومدفوعًا باستثمارات أصحاب المصلحة في سوق الحوسبة الكمومية. وبحلول بداية هذا العام، قام مستثمرون من القطاع الخاص بتمويل ما لا يقل عن 52 شركة تعمل في مجال تكنولوجيا الكم في جميع أنحاء العالم، وفقًا لتحليل أجرته مجلة نيتشر العلمية. ويكافح اللاعبون الرئيسيون مثل IBM، وGoogle، وAlibaba، وMicrosoft، وIntel، وD-Wave Systems لإنشاء حاسوب كمي قابل للتطبيق عمليًا.

نعم، طالما أن الأموال المتدفقة إلى هذا المجال كل عام تمثل نفقات صغيرة (مقارنة بمبلغ 2018 مليار دولار من الاستثمار في الذكاء الاصطناعي في عام 9,3). لكن هذه الأرقام مهمة بالنسبة لصناعة غير ناضجة لا تتباهى بعد بمؤشرات الأداء.

حل المسائل الكمومية

عليك أن تفهم أن التكنولوجيا اليوم لا تزال في مهدها. كان من الممكن إنشاء نماذج أولية فقط من الآلات الكمومية والأنظمة التجريبية الفردية. إنهم قادرون على تنفيذ خوارزميات ثابتة منخفضة التعقيد. تم إنشاء أول حاسوب 2 كيوبت في عام 1998، واستغرقت البشرية 21 عامًا للوصول بالأجهزة إلى المستوى المناسب، وهو ما يسمى "التفوق الكمي". صاغ هذا المصطلح أستاذ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جون بريسكيل. ويعني قدرة الأجهزة الكمومية على حل المشكلات بشكل أسرع من أقوى أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تم تحقيق اختراق في هذا المجال من قبل شركة Google في كاليفورنيا. في سبتمبر 2019، أعلنت الشركة أن جهاز Sycamore ذو الـ 53 كيوبت أكمل عملية حسابية في 200 ثانية، والتي قد تستغرق حاسوبًا فائقًا متطورًا 10 عام لإكمالها. وقد أثار هذا البيان الكثير من الجدل. اختلف IBM بشكل قاطع مع مثل هذه الحسابات. وكتبت الشركة في مدونتها أن حاسوبها العملاق Summit سيتعامل مع هذه المهمة خلال 000 يوم. وكل ما هو مطلوب هو زيادة سعة تخزين القرص. ورغم أن الفارق في الواقع لم يكن هائلاً إلى هذا الحد، إلا أن جوجل كانت بالفعل أول من حقق "التفوق الكمي". وهذا معلم مهم في أبحاث الكمبيوتر. ولكن لا شيء أكثر من ذلك. إن عمل Sycamore الفذ هو لأغراض توضيحية فقط. ليس له تطبيق عملي ولا فائدة منه في حل المشكلات الحقيقية.

المشكلة الرئيسية هي الأجهزة. في حين أن البتات الحسابية التقليدية لها قيمة 0 أو 1، في عالم الكم الغريب، يمكن أن تكون البتات الكمومية في كلتا الحالتين في نفس الوقت. هذه الخاصية تسمى التراكب. تشبه البتات الكمومية القمم الدوارة: فهي تدور في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة، وتتحرك لأعلى ولأسفل. إذا وجدت هذا مربكًا، فأنت في صحبة رائعة. قال ريتشارد فاينمان ذات مرة: "إذا كنت تعتقد أنك تفهم ميكانيكا الكم، فأنت لا تفهمها". كلمات شجاعة من الرجل الذي فاز بجائزة نوبل في ميكانيكا الكم.

لذلك، فإن الكيوبتات غير مستقرة للغاية وتخضع لتأثيرات خارجية. سيارة تمر تحت نوافذ المختبر، والضوضاء الداخلية لنظام التبريد، وجسيم كوني طائر - أي تداخل عشوائي، أي تفاعل يعطل تزامنها ويفك ترابطها. وهذا يضر بالحوسبة.

السؤال الرئيسي لتطوير الحوسبة الكمومية هو أي حل من بين الحلول العديدة التي تم استكشافها سيضمن استقرار الكيوبتات. كل من يحل مشكلة التماسك ويجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية شائعة مثل وحدات معالجة الرسومات، سيفوز بجائزة نوبل ويصبح أغنى شخص في العالم.

الطريق إلى التسويق

في عام 2011، قامت الشركة الكندية D-Wave Systems Inc. كان أول من باع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على الرغم من أن فائدتها تقتصر على بعض المسائل الرياضية. وفي الأشهر المقبلة، سيتمكن الملايين من المطورين من البدء في استخدام المعالجات الكمومية من خلال السحابة - وتعد شركة IBM بتوفير الوصول إلى جهازها ذو الـ 53 كيوبت. وحتى الآن، حصلت 20 شركة على هذا الامتياز في إطار برنامج يسمى Q Network. من بينها الشركة المصنعة للمعدات Samsung Electronics، وشركات صناعة السيارات Honda Motor وDaimler، وشركات الكيماويات JSR وNagase، والبنوك JPMorgan Chase & Co. وباركليز.

ترى معظم الشركات التي تجرب الحوسبة الكمومية اليوم أنها جزء لا يتجزأ من المستقبل. مهمتهم الرئيسية الآن هي اكتشاف ما يصلح في الحوسبة الكمومية وما لا يصلح. وكن مستعدًا لتكون أول من أدخل التكنولوجيا في الأعمال التجارية عندما تكون جاهزة.

منظمات النقل. تعمل شركة فولكس فاجن بالتعاون مع D-Wave على تطوير تطبيق كمي - نظام التحكم في حركة المرور. سيمكن البرنامج الجديد مؤسسات النقل العام وشركات سيارات الأجرة في المدن الكبرى من استخدام أسطولها بشكل أكثر كفاءة وتقليل وقت انتظار الركاب.

قطاع الطاقة. تعمل شركتا ExxonMobil وIBM على الترويج لاستخدام الحوسبة الكمومية في قطاع الطاقة. وهي تركز على تطوير مجموعة من تقنيات الطاقة الجديدة، وتحسين كفاءة الطاقة والحد من انبعاثات الغازات الدفيئة. إن حجم وتعقيد التحديات التي يواجهها قطاع الطاقة يتجاوز نطاق أجهزة الكمبيوتر التقليدية اليوم، وهي مناسبة تمامًا للاختبار على الحواسيب الكمومية.

شركات الادوية. تتعاون شركة Accenture Labs مع شركة 1QBit، وهي شركة برمجيات كمومية. وفي غضون شهرين فقط، انتقلوا من مرحلة البحث إلى مرحلة إثبات المفهوم، وذلك باستخدام تطبيق لنمذجة التفاعلات الجزيئية المعقدة على المستويات الذرية. بفضل قوة الحوسبة الكمومية، أصبح من الممكن الآن تحليل جزيئات أكبر. ماذا سيعطي هذا للمجتمع؟ أدوية مبتكرة بأقل الآثار الجانبية.

القطاع المالي. تجذب التقنيات المبنية على مبادئ نظرية الكم اهتمام البنوك بشكل متزايد. إنهم مهتمون بمعالجة المعاملات والصفقات وأنواع البيانات الأخرى في أسرع وقت ممكن. يقوم كل من باركليز وجي بي مورجان تشيس (مع آي بي إم)، بالإضافة إلى NatWest (مع فوجيتسو) بإجراء تجاربهم في تطوير البرمجيات المتخصصة.

إن قبول مثل هذه الشركات الكبيرة وظهور رواد الكم المغامرين يتحدث كثيرًا عن الجدوى التجارية للكم. ونحن نشهد بالفعل تطبيق الحوسبة الكمومية على مشاكل العالم الحقيقي، بدءًا من تحسين كفاءة الطاقة وحتى تحسين مسارات المركبات. والأهم من ذلك أن قيمة التكنولوجيا ستزداد مع تطورها.

المصدر: www.habr.com