ما هي الميزة الكمومية؟ لحظة وصول أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية للغاية

ما هي الميزة الكمومية؟ لحظة وصول أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية للغاية

الطابع الزمني: 17 نوفمبر 2023 الساعة 3:03 مساءً

الميزة الكمومية هي علامة فارقة يعمل مجال الحوسبة الكمومية بحماس من أجلها، عندما يتمكن الكمبيوتر الكمي من حل المشكلات التي تكون بعيدة عن متناول أقوى أجهزة الكمبيوتر غير الكمومية أو الكلاسيكية.

يشير الكم إلى حجم الذرات والجزيئات حيث تنهار قوانين الفيزياء كما نختبرها وتنطبق مجموعة مختلفة من القوانين غير البديهية. تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من هذه السلوكيات الغريبة لحل المشكلات.

هناك بعض أنواع المشاكل التي من غير العملي أن تحلها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، مثل كسر خوارزميات التشفير الحديثة. وقد أظهرت الأبحاث في العقود الأخيرة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لديها القدرة على حل بعض هذه المشاكل. إذا كان من الممكن بناء حاسوب كمي يحل إحدى هذه المشكلات فعليًا، فسيكون قد أثبت ميزة كمومية.

أنا فيزيائي الذي يدرس معالجة المعلومات الكمومية والتحكم في الأنظمة الكمومية. أعتقد أن حدود الابتكار العلمي والتكنولوجي هذه لا تعد فقط بإحراز تقدم رائد في مجال الحساب، ولكنها تمثل أيضًا طفرة أوسع في تكنولوجيا الكم، بما في ذلك التقدم الكبير في التشفير الكمي والاستشعار الكمي.

مصدر قوة الحوسبة الكمومية

الشيء المركزي في الحوسبة الكمومية هو البت الكمي، أو و qubit. على عكس البتات الكلاسيكية، التي يمكن أن تكون فقط في حالات 0 أو 1، يمكن أن يكون الكيوبت في أي حالة عبارة عن مزيج من 0 و1. تُعرف هذه الحالة التي لا تحتوي على 1 أو 0 فقط باسم تراكب الكم. ومع كل كيوبت إضافية، يتضاعف عدد الحالات التي يمكن تمثيلها بواسطة الكيوبتات.

غالبًا ما يتم الخلط بين هذه الخاصية ومصدر قوة الحوسبة الكمومية. بدلاً من ذلك، يتعلق الأمر بالتفاعل المعقد بين التراكب، تدخل و تشابك.

يتضمن التداخل معالجة الكيوبتات بحيث تتحد حالاتها بشكل بناء أثناء العمليات الحسابية لتضخيم الحلول الصحيحة وبشكل مدمر لقمع الإجابات الخاطئة. التداخل البناء هو ما يحدث عندما تتحد قمم موجتين - مثل الموجات الصوتية أو أمواج المحيط - لتكوين قمة أعلى. التداخل المدمر هو ما يحدث عندما تتحد ذروة الموجة وقاع الموجة ويلغيان بعضهما البعض. تقوم الخوارزميات الكمومية، وهي قليلة ويصعب تصميمها، بإعداد سلسلة من أنماط التداخل التي تؤدي إلى الإجابة الصحيحة على المشكلة.

ينشئ التشابك علاقة كمية فريدة بين الكيوبتات: لا يمكن وصف حالة أحدها بشكل مستقل عن البقية، بغض النظر عن مدى تباعد الكيوبتات. وهذا ما وصفه ألبرت أينشتاين في عبارته الشهيرة بأنه "عمل مخيف عن بعد". يتيح السلوك الجماعي للتشابك، المُنسق من خلال كمبيوتر كمي، عمليات تسريع حسابية بعيدة عن متناول أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

[المحتوى جزءا لا يتجزأ]

تطبيقات الحوسبة الكمومية

تتمتع الحوسبة الكمومية بمجموعة من الاستخدامات المحتملة حيث يمكنها أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. في مجال التشفير، تمثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية فرصة وتحديًا في نفس الوقت. والأكثر شهرة، لديهم القدرة على فك خوارزميات التشفير الحالية، مثل المستخدمة على نطاق واسع مخطط RSA.

إحدى نتائج ذلك هي أن بروتوكولات التشفير الحالية تحتاج إلى إعادة تصميمها لتكون مقاومة للهجمات الكمومية المستقبلية. وقد أدى هذا الاعتراف إلى مجال مزدهر تشفير ما بعد الكم. وبعد عملية طويلة، اختار المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مؤخرًا أربع خوارزميات مقاومة للكم، وبدأ عملية تجهيزها حتى تتمكن المؤسسات حول العالم من استخدامها في تكنولوجيا التشفير الخاصة بها.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للحوسبة الكمومية تسريع عملية المحاكاة الكمومية بشكل كبير: القدرة على التنبؤ بنتائج التجارب الجارية في عالم الكم. الفيزيائي الشهير ريتشارد فاينمان تصورت هذا الاحتمال منذ أكثر من 40 عاما. توفر المحاكاة الكمومية إمكانية تحقيق تقدم كبير في الكيمياء وعلوم المواد، مما يساعد في مجالات مثل النمذجة المعقدة للهياكل الجزيئية لاكتشاف الأدوية وتمكين اكتشاف أو إنشاء مواد ذات خصائص جديدة.

استخدام آخر لتكنولوجيا المعلومات الكمومية هو الاستشعار الكمي: كشف وقياس الخواص الفيزيائية مثل الطاقة الكهرومغناطيسية والجاذبية والضغط ودرجة الحرارة حساسية ودقة أكبر من الأدوات غير الكمومية. للاستشعار الكمي عدد لا يحصى من التطبيقات في مجالات مثل الرصد البيئي, الاستكشاف الجيولوجي, التصوير الطبيو المراقبة.

مبادرات مثل تطوير أ الإنترنت الكم إن ربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية يعد خطوات حاسمة نحو سد عوالم الحوسبة الكمومية والكلاسيكية. يمكن تأمين هذه الشبكة باستخدام بروتوكولات التشفير الكمي مثل توزيع المفتاح الكمي، والذي يتيح قنوات اتصال آمنة للغاية ومحمية ضد الهجمات الحسابية، بما في ذلك تلك التي تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

على الرغم من تزايد مجموعة التطبيقات الخاصة بالحوسبة الكمومية، إلا أن تطوير خوارزميات جديدة تستفيد بشكل كامل من الميزة الكمومية - على وجه الخصوص في التعلم الآلي- لا يزال مجالًا بالغ الأهمية للبحث المستمر.

جهاز معدني مع ضوء ليزر أخضر في الخلفية
يمكن لنموذج أولي لجهاز استشعار كمي طوره باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا اكتشاف أي تردد للموجات الكهرومغناطيسية. حقوق الصورة: قوه تشينغ وانغ, CC BY-NC-ND

البقاء متماسكًا والتغلب على الأخطاء

• مجال الحوسبة الكمومية يواجه عقبات كبيرة في تطوير الأجهزة والبرمجيات. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية حساسة للغاية لأي تفاعلات غير مقصودة مع بيئاتها. يؤدي هذا إلى ظاهرة فك الترابط، حيث تتحلل البتات الكمومية بسرعة إلى الحالة 0 أو 1 للبتات الكلاسيكية.

إن بناء أنظمة حوسبة كمومية واسعة النطاق قادرة على الوفاء بوعد التسريع الكمي يتطلب التغلب على عدم الترابط. والمفتاح هو تطوير أساليب فعالة ل قمع وتصحيح الأخطاء الكمومية, مجال يركز بحثي عليه.

في التغلب على هذه التحديات، عديدة الشركات الناشئة في مجال الأجهزة والبرمجيات الكمومية ظهرت جنبًا إلى جنب مع لاعبين راسخين في صناعة التكنولوجيا مثل Google وIBM. ويؤكد هذا الاهتمام الصناعي، إلى جانب الاستثمارات الكبيرة من جانب الحكومات في جميع أنحاء العالم، على الاعتراف الجماعي بالإمكانات التحويلية التي تنطوي عليها التكنولوجيا الكمومية. تعمل هذه المبادرات على تعزيز نظام بيئي غني حيث تتعاون الأوساط الأكاديمية والصناعة، مما يؤدي إلى تسريع التقدم في هذا المجال.

الميزة الكمومية تظهر في الأفق

قد تصبح الحوسبة الكمومية ذات يوم مدمرة مثل وصولها الذكاء الاصطناعي التوليدي. حاليًا، يمر تطوير تكنولوجيا الحوسبة الكمومية بمنعطف حاسم. فمن ناحية، أظهر هذا المجال بالفعل علامات مبكرة على تحقيقه لميزة كمية متخصصة على نطاق ضيق. الباحثون في جوجل وبعد ذلك أ فريق من الباحثين في الصين أظهرت ميزة الكم لتوليد قائمة من الأرقام العشوائية مع خصائص معينة. أظهر فريقي البحثي تسريعًا كميًا لعبة تخمين رقم عشوائي.

ومن ناحية أخرى، هناك خطر ملموس يتمثل في دخول "الشتاء الكمي"، وهي فترة من انخفاض الاستثمار إذا فشلت النتائج العملية في تحقيق نتائج عملية في المدى القريب.

وبينما تعمل صناعة التكنولوجيا على تقديم ميزة كمية في المنتجات والخدمات على المدى القريب، تظل الأبحاث الأكاديمية تركز على دراسة المبادئ الأساسية التي يقوم عليها هذا العلم والتكنولوجيا الجديد. إن هذا البحث الأساسي المستمر، الذي يغذيه كوادر متحمسة من الطلاب الجدد والمشرقين من النوع الذي أواجهه كل يوم تقريبًا، يضمن استمرار المجال في التقدم.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

حقوق الصورة: XX / XX

الطابع الزمني:

اكثر من التفرد المحور