أحیاناً قد تبدو حواسيبنا عاجزة عن الصمود أمام احتياجاتنا الضخمة من البيانات التي تُنتج بشكل سريع في مجتمعنا التكنولوجي، حتى أسرع الحواسيب لدينا. وهذا هو السبب الرئيسي وراء عمل العلماء الدؤوب على تطوير أجهزة حاسوبية تعتمد بشكل رئيسي على فيزياء الكم (Quantum physics) أو الحوسبة الكمومية (Quantum computing) بشكل أدق، وهذه التقنية الواعدة ستوفر لنا حواسيب ذات سرعة عالية وقدرة أكبر مقارنةً بحواسيبنا التقليدية.
قبل البدء بتفاصيل هذه الحواسيب، ما هو الحاسوب الكمي؟ ولتعريفه، يتوجب علينا ان نعلم كيف تتعامل حواسيبنا التقليدية مع البيانات.
تتعامل الحواسيب مع البت (bit) كأصغر وحدة للتعبير عن البيانات، وهذه الوحدة تعطينا قيمة ثنائية إما صفر أو واحد. وعلى النقيض من ذلك، تتعامل الحواسيب الكمومية مع البت الكمومي (qubit) وهذا النوع قادر على تخزين القيم: صفر أو واحد أو كُلاً منهم في آن واحد، أو حتى تخزين عدد لا منتهي من القيم بين الصفر والواحد. وبهذه الميزة تزداد سعة الحسابات بشكل هائل.
بشكل فيزيائي، نحن لا نزال في مقدمة هذا العهد الجديد من الحوسبة. وبالنظر إلى تطبيقات هذه التكنولوجيا، فإنها ستكون متنوعة بشكل كبير ومنها ما لم يكتشف بعد! على سبيل المثال، عملية التحليل إلى أعداد أولية (Prime Factorization) التي تعد عملية كبيرة جداً. هذه العملية مرتبطة بشكل قريب إلى علم التشفير أو التعمية (cryptography) وأمن كلمات المرور. وقد يكون هناك الكثير من التقدم فيها مع الحواسيب الكمومية.
وفقاً للبروفيسورة سابرينا مانسكالكو (Prof. Sabrina Maniscalco) التي ترأس مجموعة توركو لتكنولوجيا الكم في فنلندا (the Turku Quantum Technology group) “أشهر خوارزمية كمومية هي خوارزمية شور (Shor’s algorithm)، إذا ما تم تشغيل هذه الخوارزمية على حاسوب كمومي، فستتم عملية تحليل الأعداد الصحيحة إلى عوامل أولية بشكل أسرع من أي خوارزمية كلاسيكية معروفة. وهذا الشيء لافت للنظر واستثنائي، حيث أن بطئ عملية تحليل الأعداد الأولية هو أساس الطرق المستخدمة حالياً لحل شفرات الرسائل المرسلة.
وكما أشرنا سابقاً، لهذه التكنولوجيا الجديدة عدة استخدامات محتملة. وفقاً لدراسة حديثة ذكرت في مجلة ساينس ادفانسس (Science Advances) “إن توفر حاسوب كمي عالمي ربما سيكون له تأثير أساسي على العديد من مجالات البحث وعلى المجتمع ككل. ولذلك فإن هناك مجتمعاً علمياً وصناعياً كبيراً يعمل على نحو متزايد لجعل هذا الحاسوب واقعاً ملموساً.” ويستثمر عمالقة الحوسبة مثل جوجل ومايكروسوفت الأموال الطائلة في هذا المجال البحثي أيضاً.
باستخدام الفيزياء الكمومية، سيصبح بإمكان العلماء أيضاً محاكاة التفاعلات الكيميائية من أجل تصميم الأدوية وتطوير التعلم الآلي (machine learning).
بّل حتى أن العلماء يتصورون إمكانية وجود بتات كمية فعلية تنتقل بين وحدات حوسبة كمية (quantum computing modules) فردية مع توصيلات يتم إنشاؤها بواسطة حقول كهربائية. والهدف من ذلك هو الحصول على آلة نموذجية واسعة النطاق مع قدرة حاسوبية مذهلة. ولكن ربما إنشاء هذه الوحدات فقط يعتبر تحدياً كبيراً للعلماء وذلك لطبيعة البتات الكمومية التي تتصف بخواص الجسيمات الكمية الصغيرة جداً ومن أهم الخواص التشابك الكمي (quantum entanglement) و خاصية التراكب الكمي (Quantum superposition) أي أن البت يمكن أن يتمثل عندها تمثلاً مادياً في الجسيمات.
انضمت البروفيسورة مانسكالكو إلى مشروع كوبروكس (QuProCS project) في إطار برنامج الاتحاد الأوروبي لتقنيات المستقبل ((Future Emerging Technologies (FET). ويطور هذا المشروع نهجاً جديداً جذرياً لفحص نظم الكم المعقدة من أجل المحاكيات الكمومية (Quantum simulations).
تقول البروفيسورة مانسكالكو “سيتم استخدام الحاسوب الكمومي بشكل أساسي لنفس المهام التي نقوم بها حالياً بحواسيبنا. ولكن ستكون أسرع بكثير. لهذا السبب، يمكننا حل المعضلات الحسابية التي لا يمكننا حلها مع أي حاسوب تقليدي.” وأضافت “ولكن الحواسيب الكمية الكاملة مازالت تحت التطوير. وربما تصبح حقيقة واقعة في وقت أقرب مما كنا نتجرأ على توقعه.”
ربما يتبادر إلى الأذهان أن ليس هنالك سلبيات لهذه التقنية الثورية الجديدة ولكن لسوء الحظ هناك بعض منها . بغض النظر عن سرعة هذه الحواسيب، ربما لن تستبدل الحواسيب التقليدية بشكل كامل بالحواسيب الكمية والسبب يرجع إلى خاصيتين 1- التشابك الكمومي و 2- التراكب الكمي التي تجعل البتات الكمومية المكونة من الجسيمات الكمومية المتشابكة مثل-الإلكترونات في نظام واحد تنهار لتأخذ احتمالات أو بالأحرى حالات كمومية محدودة بدلاً من إحتمالات غير منتهيةً من القيم وكما نعلم أن هذه الجسيمات الكمومية الصغيرة جداً هي المورد الأساسي لمعالجة المعلومات الكمومية التي تنشأ عن السلوكيات التي تظهر على نطاق الكم الصغير (نطاق الذرة) وبإنهيارها يصبح الحاسوب الكمومي أكثر أو أقل مثل الحاسوب التقليدي.
وأخيراً، ربما يتحقق حلم العلماء بإعادة النظر في إجابات الأسئلة الأزلية والأولية مثل: كيف ولدت الحياة أو حتى ما هو أصل الكون من خلال الحوسبة الكمومية.
مصطلحات ذات صلة
| المصطلح | التعريف |
| فيزياء الكم (Quantum physics) | هو فرع الفيزياء المتعلق بدراسة سلوك الأجسام الصغيرة جداً |
| الحوسبة الكمومية Quantum computing | هي تسخير الظواهر الغريبة التي تحدث للجسيمات في المستويات الصغيرة جداً لمعالجة المعلومات بطريقة واعدة |
| البت (bit) | هي أصغر وحدة قياس تستخدم لقياس بيانات الحواسيب. |
| عملية التحليل إلى أعداد أولية Prime) Factorization) | هو العثور على جميع العوامل الأولية للعدد. |
|
علم التشفير (cryptography) |
هو علم حماية المعلومات من خلال تحويلها إلى أشكال آمنه وهذه الأشكال لا يمكن التعرف بها من قبل المستخدمين غير المصرح لهم. |
|
خوارزمية شور (Shor’s algorithm) |
هي خوارزمية كمية (تعمل على الحواسيب الكمية) سميت نسبه لعالم الرياضيات بيتر شور (Peter Shor). اُصيغت في 1994 لتحليل الأعداد الصحيحة لإيجاد العوامل الأولية لها. |
|
التعلم الآلي (machine learning) |
هو أحد فروع الذكاء الاصطناعي التي تهتم بتصميم وتطوير خوارزميات وتقنيات تسمح للحواسيب بامتلاك خاصية “التعلم”. |
| المحاكيات الكمومية Quantum) (Simulations | تسمح بدراسة الأنظمة الكمومية التي يصعب دراستها في المختبر ويستحيل تشكيلها باستخدام الحاسوب الفائق |
|
تشابك كمومي (quantum entanglement) |
هي ظاهرة كَمّية ترتبط فيها الجسيمات الكميّة (مثل الفوتونات والإلكترونات و الجزيئات) ببعضها، رغم وجود مسافات كبيرة تفصل بينها. مما يقود إلى ارتباطات في الخواص الفيزيائية المقاسة لهذه الجسيمات الكمّية وتوصف هذه الجسيمات المرتبطة بالنظام. |
|
تراكب كمي (Quantum superposition) |
عبارة عن تطبيق لمبدأ تراكب الأمواج (التداخل البنّاء) ضمن ميكانيك الكم حيث يشكل مبدأ التراكب أحد المبادئ الأساسية لها .
فمثلا من المفترض طبقا لميكانيكا الكم أن الإلكترون في نظام يوجد (نظرياً ) في عدة حالات كمومية في نفس الوقت ، ولكنه عند القياس فهو يبدي حالة معينة بذاتها . نظراً لأن الإلكترون يعامل معاملة موجة فهو يمثل بتراكب لعدة أمواج أو بِعدة حالات كمومية. رياضياً يَصف التراكب الكمومي خاصية حلول لمعادلة شرودنجر حيث أن معادلة شرودنجر معادلة خطية ، وتُشكل أي مجموعة خطية من الحلول لمعادلة معينة لها ستكون أيضاً أحد حلولها. مثال لتلك الحلول-مستوى طاقة الإلكترون في الذرة.
|
المصادر الرئيسية:
“The mystery of quantum computers”, phys.org, May 26, 2017 “Quantum computing advances with control of entanglement”, phys.org, September 27, 2016
المصادر الثانوية:
Robert Coolman, “What Is Quantum Mechanics?”, livescience.com, September 26, 2014 What is quantum computing?, IBM Research
روابط أخرى:
https://techterms.com/definition/bit
http://home.avvanta.com/~math/def2.cgi?t=primefactorization
https://en.wikipedia.org/wiki/Machine_learning
https://en.wikipedia.org/wiki/Shor%27s_algorithm
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_simulator
https://arxiv.org/abs/1308.6253
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition
http://www.caltech.edu/news/quantum-entanglement-and-quantum-computing-39090
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement
