نظم حوسبة كمومية قائمة

 

لم تعد نظم الحوسبة الكمومية حلمًا بعيد المنال؛ فقد حولت الإنجازات المثيرة للإعجاب في هذا المجال في السنوات الأخيرة السعي الأكاديمي إلى حقيقة تجارية وشيكة، حيث إن أجهزة الحواسيب التقليدية ستتفوق في أدائها في تنفيذ مهام محددة ولكنها غاية في الأهمية.

إننا نشهد ميلاد ثورة تقانية تصبح الحوسبة الكمومية مركزية وأساسية في مجتمعنا؛ ذلك أن عددًا من الشركات العملاقة، ومنها Google وIBM وD-ave وRigetti وMicrosoft تسعى جاهدة في الوقت الحالي إلى بناء حاسوب كمومي تشغيلي.

يهدف مشروع Qilimanjaro إلى فتح عالم الحوسبة الكمومية للشركات والأفراد على حدٍّ سواء، ولم تعد هناك حاجة إلى الحصول على حاسوب كمومي باهظ الثمن، أو الالتحاق بجامعة أو برنامج معين، أو إقامة شراكات باهظة الثمن مع لاعبين كبار في صناعة الحوسبة الكمومية.

المقدمة

سنتحدث في هذه المقدمة باختصار عن: التقنيات الكمومية، والحواسيب الكمومية، والحوسبة الكمومية.

التقنيات الكمومية Quantum Technologies

لقد وصل علم الكموم إلى النقطة التي مكَّنتنا من فهم النظم الكمومية الفردية كالذرات والفوتونات فهمًا جيدًا، وفتحت الإنجازات الحديثة المجال لإعداد المعلومات والتواصل معها ومعالجتها وفقًا لقوانين الميكانيك الكمومي. يطلق على هذا المجال الناشئ اسم المعلومات الكمومية Quantum Information. وأدى البحث عن تطبيقات عملية للمعلومات الكمومية في السنوات الأخيرة إلى مفهوم التقنيات الكمومية.

اقترحت المفوضية الأوروبية تنظيمًا دقيقًا للتقنيات الكمومية في أربعة مجالات:

1. علم القياس الكمومي Quantum Metrology. ويشمل أجهزة الاستشعار الكمومية لمجالات التطبيق المحددة مثل التصوير، والرعاية الصحية، والعلوم الجيولوجية، إلخ. تتيح أجهزة الاستشعار الكمومي الجديدة إجراء قياسات بدقة متناهية في مجالات عديدة مثل: حقل الجاذبية، والمغناطيسية. وثمة شركات جديدة، مثل Muquans في فرنسا، تقدم أجهزة تجارية قائمة على مفهوم الاستشعار الكمومي.

تركز أجهزة الاستشعار الكمومي الأخرى على مجال علوم الحياة لتصوير أجزاء من أجسامنا بدقة متناهية غير مسبوقة. والمثال النموذجي هو مركز شواغر النيتروجين في الماس، الذي يتمتع بخصائص كمومية غنية جدًّا تمكّن من جعله - مستقبَلًا - يحل محل تقانات التصوير بالرنين المغناطيسي المستعملة في المستشفيات.

2. الاتصالات الكمومية Quantum Communication. وتُعنى بتطوير أحدث أجهزة الشبكات والتطبيقات والأنظمة لشبكات الاتصالات الكمومية المتشابكة. يهدف الاتصال الكمومي إلى جعل جميع الاتصالات آمنة بالاستفادة من حقيقة أن أي جهاز تنصت سيقوم بالتأكيد بتعديل الرسالة التي يعترضها. يُستعمل التشابك الكمومي quantum entanglement في الاتصال الكمومي، وهو أحد الجوانب الأكثر إثارة للاهتمام في الميكانيك الكمومي، حيث يجري توليد أزواج من الفوتونات في وقت واحد في حالة متشابكة، وهي حالة كمومية واحدة يجري مشاركتها بين المكونين الاثنين لها. ويستمر هذا الوجود المزدوج حتى عندما تكون الجزيئات مفصولة بمسافات شاسعة، وإن أيَّ تعديل للحالة الكمومية لأحد الأجزاء سيؤثر حتمًا في الآخر.
3. المحاكاة الكمومية Quantum Simulation. وترمي إلى تطوير محاكيات تشغيلية مبنية على منصات فعلية؛ إذ إنه من الصعب جدًّا محاكاة الميكانيك الكمومي على حاسوب تقليدي. يكمن التحدي في التقاط جميع الحالات الكمومية المسموحة في نظام معين والتي يمكن أن تكون موجودة في وقت واحد. بمعنى آخر، يتطلب نظام مكون من 50 بت كمومي بالفعل إلى 250 بت تقليدي من المعلومات لتخزين جميع الحالات الكمومية المحتملة التي يمكن أن يزورها النظام في أحد تطوراته. إن حساب مثل هذا التطور غير ممكن عمليًّا ولو أُجري الحساب على أكبر حاسوب عملاق.

يمكن لنسخة أصغر من الحواسيب الكمومية أن تحاكي بالفعل أنظمة كمومية أخرى ذات أهمية كبيرة. إن مثل هذه المحاكاة الكمومية مناسبة لاستكشاف مجموعة واسعة من الأنظمة المادية، كالتحولات التطورية الغريبة في فيزياء المادة المكثفة، والمواد الجديدة، والأسمدة، والعقاقير، إلخ. على سبيل المثال، أثبتت تجارب إثبات المفهوم على الشبكات البصرية بالفعل أن الذرات الباردة تحاكي في سلوكها سلوك الإلكترونات في مادة حقيقية، وقد أتاحت تلك التجارب اكتشاف الخصائص الحرجة للمادة الصنعية. يرى العديد من ممارسي الحسابات الكمومية أن المحاكاة الكمومية هي وسيلة لدفع التقانات لاستكشاف القوة الحاسوبية للميكانيك الكمومي كأول تطبيق حقيقي للمعالجات الكمومية.

4.  الحساب الكمومي Quantum Computation. ويقصد به تطوير النظم الكمومية الحاسوبية المفتوحة والمنصات. يُعد الحساب الكمومي الهدف الأكثر أهمية في التقنيات الكمومية نظرًا لتداعياته الاقتصادية والسياسية. في الواقع، سيتفوق الحساب الكمومي على أجهزة الحواسيب التقليدية في مهام محددة ولكنها غاية في الأهمية. المثال الأكثر أهمية هو إمكان كسر بروتوكولات التعمية المستعملة حاليًا، RSA.

اقترح كلينتون في نهاية عام 2015، أنه ينبغي وضع مشروع يُكسب الولايات المتحدة تفوقًا في التقانات الكمومية على العالم. لكن قوة الحساب الكمومي تشكل أكثر من تهديد لأمن المعلومات العالمي الحالي. على مر السنين منذ بدء الحساب الكمومي، تم اكتشاف خوارزمية بحث كمومية أكثر فعالية، وخوارزمية لحل أنظمة المعادلات الخطية. تستعمل الخوارزميات الكمومية الأكثر حداثة - التي تكيَّفت مع الأجهزة الكمومية الحقيقية المستعملة بالفعل كنظام سحابي - طرقًا متنوعة لحساب خصائص مثل طاقة الربط في نظام جزيئي. إضافة إلى ذلك، يمكن تكييف العديد من مشكلات الأمثَلة مع الحاسوب الكمومي لإيجاد حلول أسرع من نظيراتها على الحواسيب التقليدية.

الحواسيب الكمومية Quantum Computers

تسمَّى الآلة التي تكون قادرة على معالجة المعلومات باستعمال مكونات تخضع لقوانين الميكانيك الكمومي بالحاسوب الكمومي. وكان أول من اقترح الفكرة ريتشارد فاينمان Richard Feynman الحائز على جائزة نوبل، الذي رأى أنه من الصعب محاكاة الميكانيك الكمومي على حاسوب تقليدي. وكانت هذه الفكرة هي السبب في ثورة التقانات الكمومية التي نشهدها في هذه الأيام. ووضع ريتشارد النموذج النظري الأول للحاسوب الكمومي.

ثمة نوعان من أجهزة الحواسيب الكمومية:

• الحواسيب الكمومية الكاملة (الشاملة أو العمومية) Full-fledged (universal) quantum computers: هذه الأجهزة قادرة على إنشاء بوابات كمومية اعتباطية على دارات كمومية. تُعرف هذه الأجهزة باسم أجهزة الحواسيب الرقمية الكمومية.
• مُعالجات كمومية Quantum annealers: يمكنها إيجاد حل جيد لمسائل معينة في الأمثَلة. وتعرف هذه الأجهزة باسم أجهزة الحواسيب الكمومية التماثلية.

الحوسبة الكمومية Quantum Computing

تطورت التقانات تطورًا مذهلًا في السنوات الأخيرة؛ فالهواتف الذكية الحالية لها قدرة حاسوبية تماثل التي كانت للحواسيب العسكرية قبل 50 عامًا والتي كان حجمها بحجم غرفة كاملة. حينها، قال جون فون نيومان، عالم الرياضيات والمساهم الأساسي في تطوير الحوسبة، إنه لن تكون هناك حاجة إلى أكثر من حاسوب واحد في كل قارة، على حين أنه يوجد اليوم ما يقرب من 2.3 مليار هاتف ذكي وملياري حاسوب شخصي في جميع أنحاء العالم. نحن نعيش في عصر التقانات، ولكن حتى مع الخطوات الهائلة التي تحققت في تقانات المعلومات وأجهزة الحواسيب التقليدية منذ بداية ثورة الحواسيب، لا تزال هناك مشاكل لا تستطيع أجهزة الحواسيب التقليدية حلها. يعتقد الكثيرون أن أجهزة الحواسيب الكمومية هي الحل الأمثل.

اقتصاد التقانات الكمومية Quantum Technology Economy

فرصة السوق Market Opportunity

خُصِّصت كميات كبيرة من الموارد في جميع أنحاء العالم (تقدَّر بمليارات الدولارات) للمعلومات الكمومية، معظمها من القطاع العسكري والشركات الخاصة في الولايات المتحدة الأمريكية. وأطلق الاتحاد الأوروبي مؤخرًا برنامجًا رائدًا جديدًا في موضوع التقنيات الكمومية بهدف استثمار مليار يورو في السنوات العشر القادمة. وأطلقت الصين أيضًا مبادرة كبيرة لتطوير التقانات الكمومية في هيفي Hefei، لاستثمار نحو 10 مليارات دولار. وتوقع جولدمان ساتش Goldman Sachs أن صناعة الحوسبة الكمومية يمكن أن تصل إلى 29 مليار دولار بحلول عام 2021. وبالنظر إلى أن هذا المجال يمكن تقديره حاليًّا ببضعة مليارات من الدولارات، فإن هذا التنبؤ يؤسس لنمو كبير وعائد استثمار ضخم للمستثمرين الأوائل.

تحليلات جولدمان ساتش حول إمكانات صناعة الحوسبة الكمومية.

تعد الحوسبة الكمومية مجالًا واسعًا للبحث والاستثمار، مع شركات كبرى مثل IBM أو Google أو Microsoft. وبالتزامن مع هذه الاستثمارات الكبيرة للشركات، تقوم حكومات الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة والصين وغيرها، بدعم مشاريع تهدف إلى تسويق الحواسيب الكمومية. يمكن أن تعطينا هذه البيانات - إلى جانب اهتمام وسائل الإعلام بالتقانات الكمومية - فكرة عن فرص السوق الحالية.

التطبيقات الكمومية للأعمال الحقيقية Quantum Applications for Real Business

ذكرنا آنفًا أن المعالجات الكمومية هي نوع معين من الأجهزة الكمومية التناظرية. لذلك، صُممت أجهزة المعالجة الكمومية لأداء مهام محددة، علمًا بأن بإمكان أجهزة الحواسيب الكمومية الرقمية العالمية القيام بمهمات متعددة. ومع ذلك، يتطلب تشغيل أجهزة الحواسيب الرقمية الكمومية تصحيح الأخطاء الكمومية، وهذا يعني إضافة كميات كبيرة من البتات الكمومية المساعدة لتنفيذ عمليات زائدة عن الحاجة. إجمالًا، تحتاج أجهزة الحواسيب الكمومية الرقمية العمومية إلى ملايين أو مليارات البتات الكمومية لكي تعمل بنجاح. في الممارسة العملية، يمكن للمعالجات الكمومية أن تعالج على الفور المشاكل ذات الاهتمام العملي والتي تتطلب أعدادًا تصل إلى 100 بت كمومي (Qubit). وبموجب هذا، نعرض بعض الأمثلة التي قد تتميز فيها أجهزة الحواسيب الكمومية على أجهزة الحواسيب التقليدية:

• كيمياء الكم Quantum chemistry

تعد عملية حساب البنية الجزيئية مشكلة صعبة حسابيًّا. في الوقت الحاضر، فإن المحاكاة التقليدية للكيمياء محدودة بسبب العدد الأسي من الموارد الحسابية المطلوبة. ومن ثَم تمثل الحواسيب الكمومية أداة جديدة وقوية للتعامل مع المشكلات المتعلقة بفهم الجزيئات، وتصميم أدوية جديدة، وأسمدة، وغازات لالتقاط الكربون في الغلاف الجوي، إلخ.

• مشاكل الأمثَلة؛ مثل: حركة المرور، والجدولة Optimization problems such as traffic and scheduling

من المهام الرئيسية للمعالجات الكمومية القدرة على أمثَلة أي نوع من مشاكل الجدولة. يبحث عدد من الشركات بالفعل في مبادئ قوة المعالجة الكمومية لحل إجراءات التحسين. طورت وكالة الفضاء الأمريكية ناسا خوارزمية كمومية للتعامل مع مشاكل الجدولة. تتم معالجة مشكلة تحسين تدفق حركة المرور في بكين من قبل شركة فولكس واجن Volkswagen باستعمال أنظمة D-Wave الكمومية.

• تدريب الشبكات العصبونية Training of neural networks

لتدريب الشبكات العصبونية باستعمال الخوارزميات التقليدية تاريخ طويل. لذلك، تتطلب المنافسة لتسريع التدريب معالجات كمومية قوية جدًّا. وقد دُرِّبت الشبكات العصبونية باستعمال أجهزة المعالجة الكمومية منذ مدة قريبة فقط، وعلى هذا الأساس فإن الأفكار هي أفكار أولية.

• التمويل Finance

قد يؤدي استعمال المعالجات الكمومية في حل مشكلات التمويل إلى إيجاد طرق جديدة لنمذجة البيانات المالية وعزل عوامل الخطر. ومن الواضح أن الآثار الاقتصادية هنا ستكون كبيرة جدًّا.

• التعمية والأمن Cryptography and security

سيكون الحاسوب الكمومي الكامل قادرًا على أداء مهام مثل تحليل الأعداد الكبيرة. وهذا يعرِّض جميع خوارزميات التعمية مثل RSA وDSA وEEC للخطر، إذ يمكن مهاجمتها باستعمال تحويل فورييه الكمومي Quantum Fourier Transform. في واقع الأمر، تعد الحوسبة الكمومية تهديدًا كبيرًا للسياسة والاقتصاد الحاليين، لأنهما يَستعملان تعميةً تستند إلى الخوارزمية RSA على نطاق واسع. وفي المستقبل غير البعيد، سيجري تحسين الأمان باستعمال تعمية كمومية، وهي قوية ضد هجوم حاسوب كمومي.

مشهد الحوسبة الكمومية الحالية Current Quantum Computing Landscape

في الوقت الحاضر، تسعى شركات عديدة لبناء حاسوب كمومي كامل. وتشمل قائمة أفضل المتنافسين في مجال الحوسبة الكمومية شركة IBM وGoogle وRigetti وMicrosoft. تستعمل IBM وGoogle وRigetti وحدات توصيل كمومية فائقة الناقلية في أجهزة الحواسيب الكمومية الخاصة بها. تتضمن جميع هذه الأجهزة ما بين 20 و50 بت كمومي، وتلقَّت استثمارات قيمتها بين 50 و200 مليون دولار. IonQ هو نموذج آخر للحوسبة الكمومية، حيث بدأ العمل على أساس تقانات المصائد الأيونية ion traps، ولم تُصدر الشركة بعد المعلومات المتعلقة بتقدمها.

قامت شركة D-Wave الكندية ببناء سلسلة من أجهزة المعالجات الكمومية. يعرض الجهاز الأكثر تقدمًا رقاقة 2048 بت كمومي. وقد بيعت آلات D-Wave إلى عدد من المؤسسات مثل: Lockheed Martin وNASA و Los Alamos Laboratory و Oak Ridge و The Quantum Artificial Intelligence Lab و USC Institute Sciences Sciences و Temporal Defense Systems و Temporal Defense Systems و Airbus و Volkswagen.

 

الخاتمة

إن إمكانات التقنيات الكمومية هائلة، ونحن الآن في أيامها الأولى؛ أي إننا نعيش في طفولة الحوسبة الكمومية. وفي السنوات القلية القادمة، ستُستحدَث قواعد تقنيات كمومية جديدة وخوارزميات كمومية تحل المشاكل الصعبة، وسنشهد مسارًا جديدًا في تاريخ الحوسبة.

المراجع References

[1] Qilimanjaro, “Quantum computation at your fingertips”, June 2018, Version 1.6.

[2] “Quantum Technologies Flagship Final Report”, High-Level Steering Committee 28 June 2017, URL: http://ec.europa.eu/newsroom/dae/document.cfm?doc_id=46979

[3] “Focus: Intercontinental, Quantum-Encrypted Messaging and Video”, APS Physics, 2018, URL: https://physics.aps.org/articles/v11/7

[4] J. I. Cirac and P. Zoller, “Quantum Computations with Cold Trapped Ions”, URL: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.74.4091