الحوسبة الكمومية: ثورة تكنولوجا الإعلام الآلي
الحوسبة الكمومية هو الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر. التي سيستخدمها البشر في السنوات القادمة. وكما نشهد جميعًا فإن العالم التقني يسير في مدار التطور بسرعة فائقة. نتيجة لذلك لا يكاد يمر يوم دون اكتشاف أو اختراع أو جديد تطوير التكنولوجيا التي نستخدمها في حياتنا. حيث ينتظره الناس لتحسين نوعية حياتهم وحل المعضلات التي لم يستطع الذكاء البشري التغلب عليها. بالتوجه نحو تقنيات الذكاء الاصطناعي بالإضافة إلى إنترنت الأشياء وغيرها من التقنيات. وحديثنا اليوم عن توجه البشر نحو نوع آخر من التكنولوجيا. من خلال تطوير جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر. وهي أجهزة كمبيوتر كمومية أو ما يعرف بالحواسيب الكمية (Quantum Computers). وتعتبر هذه الأنواع الجديدة من أجهزة الكمبيوتر أقوى بملايين المرات من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. فهي أقوى كمبيوتر صنعه الإنسان حتى الآن. دعنا نعرف معًا ما هو الكمبيوتر الكمي، وتعريف الحوسبة الكمية، وما هي أهميتها التي ينتظرها البشر؟
اولا_تعريف الحوسبة الكمومية Quantum Computing :
للحديث عن الحوسبة الكمومية، يجب علينا أولا التطرق الى مفهوم الحاسوب، أو ما يعرف بالكمبيوتر.
1_الكمبيوتر:
الكمبيوتر جهاز يعمل على معالجة المعلومات وتخزينها. وتتعامل معظم أجهزة الكمبيوتر مع الرموز اعتمادًا على القواعد المنطقية. وبذلك تُسمى الأجهزة الرقمية. وتكون الرموز الأساسية الرقمية التي تتعامل معها أجهزة الكمبيوتر هي 0 و 1. ويعود تاريخ بدء استخدام الكمبيوتر إلى القرن التاسع عشر. حيث كانت أجهزة الكمبيوتر هي أجهزة ميكانيكية بحتة، ثم بدأ تطوّر الأجهزة في القرن العشرين وأصبحت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية كثيرة الاستخدام. وأصبح الملايين من المستخدمين في جميع أنحاء العالم يستخدمون أجهزة الكمبيوتر.
2_الكمبيوتر الكمي:
يمكن تعريف الكمبيوتر الكمي بأنّه الجهاز الذي يستخدم مبادئ ميكانيكا الكم في القيام بمعالجة البيانات أو المعلومات التي يتم إدخالها في الجهاز. وقد قام العالم الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان في عام 1959م باقتراح تصميم أجهزة كمبيوتر تعمل على مبدأ ميكانيكا الكم. فيكون الجهاز أكثر قوةً في القيام بالعمليات الحسابية المختلفة. فبالمقارنة مع الكمبيوتر الرقمي التقليدي الذي يستخدم النظام الثنائي فيكون الكمبيوتر الرقمي الذي يبلغ حجمه 4 كيلو بايت يحتوي على سجل من 16 رقم مختلف في وقت واحد. أمّا الكمبيوتر الكمي الذي يبلغ حجمه 30 كيلو بايت سوف يعمل ككمبيوتر رقمي حجمه 10تريليونات من البايت. أيّ أنّه أسرع من أجهزة الكمبيوتر العملاقة.
3_تعريف الحوسبة الكمومية:
نظرية الكم هي فرع من فروع الفيزياء التي تتعامل مع عالم الذرات والجزيئات. هذا العالم لا ينطبق على قوانين الفيزياء التي نعرفها. وسوف نأخذ مثالاً بسيطاً لشعاع الضوء الذي قد يظهر كما لو أنه مصنوع من جسيمات وقد يبدو أنه موجات من الطاقة. حيث يمكن أن يكون جسيماً وموجة في نفس الوقت. وهذا مثال بسيط من أجل عدم الإبحار في النظريات المادية الفيزيائية. ولكن ما علاقة هذا بموضوعنا؟
فكرة الحوسبة الكمومية تقوم على الاستفادة من القدرات الخارقة للجسيمات الذرية ودون الذرية. والتي توجد في أكثر من حالة في أي وقت. بسبب الطريقة التي تتصرف بها أصغر الجسيمات. يمكن استخدام هذه الميزة لتنفيذ العمليات بسرعة أكبر وبطاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
4_نشأتها:
تعود فكرة الحوسبة الكمية إلى الفيزيائي باول بينيوف” Paul Benioff “والذي كان يعمل في مختبر أرجون الوطني. وهو الذي تنسب إليه أول نظرية كمية تطبيقية للحواسب. وذلك في العام 1981م. حيث طرح أول نظرية عن إنشاء آلات تيورية كمية Quantum Turing Machine.
في عام 1982:
طرح “ريتشارد فيونمان” بحثًا علميًّا بين فيه كيف يمكن محاكاة فيزياء الكم. كانت هذه أول مرة يتم فيها استخدام مفهوم الحاسبة الكمية بصورة صريحة. حيث أوضح إمكانية تطوير الآلة التي تعمل وفق فيزياء الكم مع أي حجم من الترانزسستورات. بل وأنها ستكون أفضل منها بمراحل عديدة .
عام 1985:
جاء” “Deutsch صاحب السلسلة الفيديوية المعروفة عن الحوسبة الكمية “Quantum Computing”. ليوضح نظرية جديدة بأنه من الممكن تمثيل أي عملية فيزيائية بالشكل الكمي الخاص بالحاسوب المقترح من فيونمان. منذ ذلك الحين، بدأت الأبحاث بتطوير الآليات والخوارزميات الخاصة بهذه الآلة .
عام 1994:
جاء شور ”Shor“ لينشر بحثه الشهير:
والذي طرح فيه خوارزمية رياضية كمية جديدة . يتم من خلالها تجزئة أعداد كبيرة جدًا إلى عواملها الأولية. بسرعة عالية جدًا لا تتجاوز أجزاء الثانية .
عام 2014:
تمكن فريق من الباحثين من جامعة جنيف من تنفيذ عملية نقل كمي لجسيمات الضوء عبر الألياف البصرية. مما يعد خطوة كبيرة جدا نحو تطوير الحوسبة الكمية. كما أن لشركة جوجل عدة محاولات في هذا المجال. لعل آخرها توظيف الفيزيائي جون مارتينيز وفريقه من جامعة كاليفورنيا. للعمل على إنتاج شريحة حوسبة بقوانين الفيزياء الكميّة.
في نفس العام، قام بعض الباحثين في المعهد القومي الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا. بالتوصل إلى عمل محاكي كمي للأغراض الخاصة لحل مشكلة معينة واحدة. يقوم المحاكي بتركيب مجموعة من كريستالات أيونات مادة البريليوم مع بعضها البعض. حيث يكون الالكترون الخارجي في كل أيون هو عبارة عن البت الكمية؛ وحدة التخزين الأساسية للمعلومات في الحاسوب الكمي.
الجدير بالذكر ، أنه بينما لا تتعدى سعة أكبر حاسب كمومي 16 كيوبت اليوم. فليس من البعيد رؤية حاسب كمومي بسعة 30 كيوبت، يكون قادرًا على إجراء 10 تريليون عملية في الثانية الواحدة.
ثانيا_كيف يعمل الحاسوب الكمي تقنيا:
1_تعريف البت الكمية أو الكيوبت QUBIT:
تستخدم حواسيب اليوم البتّات (وحدات البت). وهي تدفق من النبضات الكهربائية أو الضوئية التي تمثل الوحدان 1 والأصفار 0. فكل شيء من تغريداتك على تويتر. إلى رسائلك الإلكترونية. إلى أغانيك على آيتيونز ومقاطع الفيديو على يوتيوب. كل ذلك هو في الأساس عبارة عن سلاسل طويلة من هذه الأرقام الثنائية. من الناحية الأخرى، تستخدم الحواسيب الكمومية الكيوبتات. وهي عادة ما تكون جسيمات دون ذرية مثل الإلكترونات والفوتونات. يمكن للكيوبتات أن تمثل عدداً كبيراً من التركيبات المحتملة من الوحدان 1 والأصفار 0 في الوقت نفسه. ويمثل إنتاج وإدارة الكيوبتات تحدياً علمياً وهندسياً. تتمتع الكيوبتات ببعض الخصائص الكمومية غريبة الأطوار مثل التراكب والتشابك، والتي تسمح لمجموعة متصلة منها أن توفر قدرة معالجة أعلى بكثير مما يوفره نفس العدد من البتّات الثنائية.
2_تقنية الحواسيب الكمية:
استخدم فريق البحث في جوجل صفا من تسعة كيوبتات صلبة. مصنوعة من ملفات ذات أشكال متقاطعة من الألومنيوم طولها نحو 400 ميكرومتر. تصل من طرف إلى طرف آخر حيث يتم وضعها على سطح سافاير – sapphire. هذه الأسطح هي مواد يتم التحكم بها على مستوى الذرة. من أجل تهيئتها لتصبح لبنة أو ركيزة أساسية للمواد التي يتم زرعها عليها. مثال تلك الصناعات التي تعتمد على هذه الأسطح؛ هي الصناعة الضوئية مثل الـ LED أو ما يعرف باسم «الصمام الثنائي الباعث للضوء. والأنابيب النانوية. أو أي مادة أخرى يتم صناعتها بتقنية النانو. أو صناعة الدوائر المتكاملة، والعديد من التطبيقات العلمية الأخرى.
يقوم الباحثون بتبريد الألمنيوم إلى درجة متدنية جدًا تصل إلى 0.02 درجة كلفن (أي ما يعادل 273.13 – درجة مئوية). حيث تحول المعدن إلى مادة موصلة فائقة للتيار الكهربي (ليس لها أي مقاومة كهربائية). يمكن بعد ذلك ترميز المعلومات في الكيوبتات في حالة فائقة التوصيل.
يتم التحكم في التفاعلات بين الكيوبتات المتجاورة من خلال بوابات منطقية. حيث تقوم بتوجيه الكيوبت رقميًا إلى حالة يستطيع فيها تشفير الحل لأي مشكلة ما يراد حلها. وكما شرح الباحثون طريقة العمل. فإنهم يقومون بإعطاء التعليمات بترتيب الكيوبتات لمحاكاة صف من الذرات المغناطيسية في حالة دوران. ومن خلال هذه الخاصية؛ يمكن أن يكون الكيوبت وسيلة من أجل تحديد حالات دوران الذرات الجماعية. خصوصًا ذات الطاقة القليلة.
يتبع………..
