نظرية الكم والحوسبة
الحوسبة الكمية هي أحد مجالات الدراسة التي تركز على تطوير التقنيات القائمة على الكمبيوتر، والتي تتمحور حول مبادئ نظرية الكم، حيث تشرح نظرية الكم طبيعة وسلوك الطاقة والمواد على المستوى الكمومي، تستخدم الحوسبة الكمومية مجموعة من البتات لأداء مهام حسابية محددة بكفاءة أعلى من نظرائهم الكلاسيكيين، وفي هذا المقال سنوضح نظرية الكم والحوسبة
نظرية الكم والحوسبة
ما هي الحوسبة الكموكية
- الحوسبة الكمومية هي مجال من مجالات الحوسبة، تركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر بناءً على مبادئ نظرية الكم، (التي تشرح سلوك الطاقة والمواد على المستويين الذري ودون الذري).
- يمكن لأجهزة الكمبيوتر المستخدمة اليوم فقط تشفير المعلومات في وحدات بت تأخذ القيمة 1 أو 0 – مما يحد من قدرتها.
- من ناحية أخرى، تستخدم الحوسبة الكمومية بتات أو كيوبتات كمومية، إنها تسخر القدرة الفريدة للجسيمات دون الذرية التي تسمح لها بالوجود في أكثر من حالة واحدة، (أي 1 و 0 في نفس الوقت).
- يمثل تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية قفزة إلى الأمام في القدرة الحاسوبية، مع مكاسب هائلة في الأداء لحالات استخدام محددة، على سبيل المثال، تتفوق الحوسبة الكمومية في عمليات المحاكاة المماثلة.
- بدأت الحوسبة الكمومية بإيجاد عناصرها الأساسية، في عام 1981، عندما ابتكر بول بينيوف فكرة جهاز كمبيوتر يعمل بمبادئ ميكانيكا الكم.
- من المقبول عمومًا أن ديفيد دويتش من جامعة أكسفورد قدم الفكرة الحاسمة وراء أبحاث الحوسبة الكمومية، في عام 1984، بدأ يتساءل عن إمكانية تصميم جهاز كمبيوتر يعتمد حصريًا على القواعد الكمية، ونشر ورقة بحثية متقدمة بعد بضعة أشهر.
اقرأ أيضا: ما هي تجربة الشق المزدوج
الحوسبة الكمية مقابل الحوسبة الكلاسيكية
- تعالج أجهزة الكمبيوتر الكمومية المعلومات بشكل مختلف، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الترانزستورات، والتي تكون إما 1 أو 0.
- تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكيوبتات، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 في نفس الوقت، يزيد عدد الكيوبتات المرتبطة ببعضها البعض من قوة الحوسبة الكمية بشكل كبير، وفي الوقت نفسه، يؤدي ربط المزيد من الترانزستورات معًا إلى زيادة الطاقة خطيًا.
- تعد أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية هي الأفضل للمهام اليومية التي يجب إكمالها بواسطة الكمبيوتر، وفي الوقت نفسه، تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية رائعة لإجراء عمليات المحاكاة وتحليل البيانات، مثل التجارب الكيميائية أو الأدوية، ومع ذلك، يجب أن تظل أجهزة الكمبيوتر هذه شديدة البرودة، كما أنها أغلى بكثير ويصعب بناؤها.
- تشمل التطورات الحوسبية الكلاسيكية إضافة ذاكرة لتسريع أجهزة الكمبيوتر، بينما تساعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في حل المشكلات الأكثر تعقيدًا، على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد لا تقوم بتشغيل Microsoft Word بشكل أفضل أو أسرع، إلا أنها تستطيع تشغيل المشكلات المعقدة بشكل أسرع.
- على سبيل المثال، يمكن أن يساعد الكمبيوتر الكمومي الخاص بـ Google، والذي يتم تطويره في العديد من العمليات، مثل تسريع التدريب على التعلم الآلي، أو المساعدة في إنشاء بطاريات أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
- أثبتت شركة Google، في عام 2019، أن الكمبيوتر الكمي يمكنه حل مشكلة في دقائق، بينما سيستغرق الكمبيوتر الكلاسيكي 10000 عام.
تطبيقات الحوسبة الكمية
- يمكن أن تساهم الحوسبة الكمومية بشكل كبير في مجالات المالية، والشؤون العسكرية، والاستخبارات، وتصميم الأدوية واكتشافها.
- للحوسبة الكمية عدد من التطبيقات الأخرى، بما في ذلك مشاركة المعلومات بأمان.
- تشمل الأساليب الأخرى محاربة السرطان، ومختلف المشاكل الصحية، مثل السرطان وتطوير عقاقير جديدة.
- كذلك، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعد في تحسين الرادارات، وقدرتها على اكتشاف أشياء مثل الصواريخ والطائرات.
- تشمل المجالات الأخرى البيئة، واستخدام الحوسبة الكمية للحفاظ على المياه نظيفة، باستخدام أجهزة الاستشعار الكيميائية.
اقرأ أيضا: مسرع الجسمات
نظرية الكم
بدأ تطوير نظرية الكم في عام 1900 بعرض قدمه ماكس بلانك، كان العرض التقديمي للجمعية الفيزيائية الألمانية، حيث قدم بلانك فكرة أن الطاقة والمادة موجودان في وحدات فردية.
أدت التطورات الإضافية التي قام بها عدد من العلماء على مدى الثلاثين عامًا التالية إلى الفهم الحديث لنظرية الكم.
العناصر الأساسية لنظرية الكم:
- الطاقة، مثلها مثل المادة، تتكون من وحدات منفصلة، على عكس الموجة المستمرة.
- قد تتصرف الجسيمات الأولية للطاقة والمادة، حسب الظروف، مثل الجسيمات أو الموجات.
- حركة الجسيمات الأولية عشوائية بطبيعتها، وبالتالي لا يمكن التنبؤ بها.
- القياس المتزامن لقيمتين متكاملتين – مثل موضع الجسيم وزخمه – معيب، كلما تم قياس قيمة واحدة بدقة أكبر، كلما كان قياس القيمة الأخرى معيبًا بشكل أكبر.
مزيد من التطورات في نظرية الكم الحوسبة
- اقترح نيلز بور تفسير كوبنهاجن لنظرية الكم، تؤكد هذه النظرية أن الجسيم هو كل ما يتم قياسه، ولكن لا يمكن افتراض أن له خصائص محددة، أو حتى أنه موجود، حتى يتم قياسه.
- هذا يتعلق بمبدأ يسمى التراكب، يدعي التراكب عندما لا نعرف ما هي حالة كائن معي ، فهو في الواقع في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد – طالما أننا لا نتطلع للتحقق.
- لتوضيح هذه النظرية، يمكننا استخدام القياس الشهير لقطة شرودنجر:
- أولاً، لدينا قطة حية ونضعها في صندوق رصاص، في هذه المرحلة، ليس هناك شك في أن القطة على قيد الحياة، ثم ترمي في قنينة من السيانيد وغلق الصندوق.
- لا نعرف ما إذا كانت القطة على قيد الحياة أم أنها كسرت كبسولة السيانيد وماتت، نظرًا لأننا لا نعرف، فإن القطة حية وميتة، وفقًا لقانون الكم – في حالة تراكب.
- فقط عندما نفتح الصندوق ونرى الحالة التي تكون فيها القطة تفقد التراكب، ويجب أن تكون القطة إما حية أو ميتة.
- إن المبدأ القائل بأنه، بطريقة ما، يمكن أن يوجد جسيم واحد في حالات عديدة يفتح تداعيات عميقة على الحوسبة.
مشاكل الحوسبة الكمية
فوائد الحوسبة الكمومية واعدة، ولكن ما زالت هناك عقبات ضخمة يجب التغلب عليها، بعض مشاكل الحوسبة هي:
- التداخل: يمكن أن يتسبب أدنى اضطراب في النظام الكمومي في انهيار الحساب الكمي، وهي عملية تُعرف باسم عدم التماسك.
يجب أن يكون الكمبيوتر الكمي معزولًا تمامًا عن جميع التداخلات الخارجية أثناء مرحلة الحساب، تم تحقيق بعض النجاح مع استخدام الكيوبتات في المجالات المغناطيسية المكثفة باستخدام الأيونات. - تصحيح الخطأ: Qubits ليست بتات رقمية من البيانات، ولا يمكنها استخدام تصحيح الخطأ التقليدي، يعد تصحيح الخطأ أمرًا بالغ الأهمية في الحوسبة الكمومية، حيث يمكن حتى لخطأ واحد في الحساب أن يتسبب في انهيار صلاحية الحساب بالكامل.
- مراقبة المخرجات: استرجاع بيانات المخرجات بعد اكتمال الحساب الكمي قد يؤدي إلى إفساد البيانات، ومنذ ذلك الحين تم إجراء تطورات، مثل خوارزمية البحث في قاعدة البيانات التي تعتمد على شكل “الموجة” الخاص لمنحنى الاحتمالية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
