ما هي الحوسبة الكمية؟
مشهد الحوسبة المتغير:
أنواع الحوسبة الكمية:
الحوسبة الكمية عبر الصناعات:
ما هي الحوسبة الكمية؟

 

الحوسبة الكمية: هي مجال من مجالات الحوسبة تركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر بناءً على مبادئ نظرية الكم، والتي تشرح سلوك الطاقة والمواد على المستويين الذري (atomic) ودون الذري (subatomic levels).

 

مشهد الحوسبة المتغير:

 

قبل أن نفهم الحوسبة الكمية وتطبيقاتها، يجب أن نلقي نظرة على كيفية وصول سابقتها الحوسبة الكلاسيكية إلى حدودها القصوى.

 

الحوسبة الكلاسيكية: هي الحوسبة القائمة على الترانزستور، يحتوي معالج الحاسوب على أكثر من (7.2) مليار ترانزستور كلها تستخدم لمعالجة الأوامر في الحاسوب، يسعى المطورون لبناء حواسيب أصغر وأكثر قدرة من الحواسيب الحالية، ستصبح قريباً بحجم الذرة وهو الحد الأدنى للصغر، وهذا يعني أن قدرة الحوسبة العادية محدودة، من هنا تظهر أهمية الحوسبة الكمية.

 

البتات الكلاسيكية: هي الوحدات الأساسية لمعالجة المعلومات في الكمبيوتر الكلاسيكي يتم تخزينها على الترانزستورات. إنها في الأساس مفاتيح تشغيل أو إيقاف إلكترونية مدمجة في الرقائق الدقيقة التي تتناوب بين (0) أو (1) لمعالجة المعلومات. كلما زاد عدد الترانزستورات الموجودة على الشريحة، زادت سرعة معالجة الشريحة للإشارات الكهربائية، وأصبح الكمبيوتر أفضل.

 

في عام (1965)، لاحظ جوردون مور، المؤسس المشارك لشركة إنتل، أن عدد الترانزستورات لكل بوصة مربعة على شريحة ميكروية قد تضاعف كل عام بينما تم تخفيض التكاليف إلى النصف منذ اختراعهم في عام (1958). تُعرف هذه الملاحظة باسم قانون مور. قانون مور مهم لأنه يعني أن أجهزة الكمبيوتر وقوة الحوسبة تصبح أصغر وأسرع بمرور الوقت.

 

ومع ذلك، فإن قانون مور يتباطأ ويقول البعض أنه توقف، وبالتالي، فإن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا تتحسن بنفس المعدل الذي اعتادت عليه.

 

ثم اقترحت شركة إنتل، جنباً إلى جنب مع عمالقة تصنيع الكمبيوتر الآخرين، أن الحوسبة القائمة على الترانزستور تقترب من الحائط، لهذا إذا أردنا الاستمرار في جني فوائد النمو الهائل في قوة الحوسبة فسيتعين علينا إيجاد طريقة مختلفة تمامًا لمعالجة المعلومات.

 

لا تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمية الترانزستورات (أو البتات الكلاسيكية). بدلاً من ذلك، تستخدم الكيوبتات “البت الكمي”.

 

حيث أن الكيوبتات (Qubits): هي الوحدات الأساسية لمعالجة المعلومات في الكمبيوتر الكمي، وتعتبر أساس الحوسبة الكمية.

 

على عكس بت الكمبيوتر العادي، والذي يمكن أن يكون (0) أو (1)، وهذا ما يحد من قدرتها. ويمكن أن يكون البت الكمي إما (0) و (0) أو (0) و (1) أو (1) و (0) أو (1) و (1)، التراكب (superposition) والتشابك (Entanglement) سمتان من سمات فيزياء الكم التي تستند إليها هذه الحواسيب. هذا يمكّن أجهزة الكمبيوتر الكمية من التعامل مع العمليات بسرعات أعلى بشكل كبير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية وباستهلاك أقل للطاقة.

 

أنواع الحوسبة الكمية:

 

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الحوسبة الكمية. يختلف كل نوع حسب مقدار قوة المعالجة المطلوبة وعدد التطبيقات الممكنة، بالإضافة إلى الوقت اللازم لتصبح قابلة للتطبيق تجارياً.

 

التقليل الكمي (Quantum Annealing): هو أقل أشكال الحوسبة الكمية قوة وأكثرها تطبيقاً. يحاول الباحثون إيجاد أفضل تكوين ممكن “أكثر كفاءة” من بين العديد من مجموعات المتغيرات الممكنة.

على سبيل المثال: نمذجة تدفق الهواء لجناح الطائرة، أنشأت شركة (Airbus) “وهي شركة عالمية للفضاء والدفاع تشتهر بتطوير الطائرات العسكرية والتجارية” وحدة الحوسبة الكمية في مصنعها في المملكة المتحدة في عام 2015.

 

في حين أن المهندسين يستغرقون حالياً سنوات لنمذجة عملية تدفق الهواء فوق جناح الطائرة، إلا أن الكمبيوتر الكمي قد يستغرق بضع ساعات فقط لنمذجة كل ذرة من الهواء المتدفقة فوق الجناح في جميع الزوايا والسرعات لتحديد الأفضل أو الأكثر كفاءة في تصميم الجناح.

 

المحاكاة الكمية (QUANTUM SIMULATIONS): تستكشف عمليات المحاكاة الكمية مشاكل محددة في فيزياء الكم تتجاوز قدرة الأنظمة الكلاسيكية، يمكن أن تكون محاكاة الظواهر الكمية المعقدة أحد أهم تطبيقات الحوسبة الكمومية.من المجالات الواعدة بشكل خاص نمذجة تأثير التحفيز الكيميائي على عدد كبير من الجسيمات “كيمياء الكم”.

 

على وجه الخصوص، يمكن استخدام المحاكيات الكمية لمحاكاة طي البروتين (protein folding)، وهي واحدة من أصعب مشاكل الكيمياء الحيوية.

 

يمكن أن تسبب البروتينات غير المطوية أمراضاً مثل مرض الزهايمر وباركنسون. إذا كان البروتين سيصل إلى تكوينه المطوي بشكل صحيح عن طريق أخذ عينات متسلسلة من جميع التأثيرات المحتملة التي يسببها الدواء، فإنه سيتطلب وقتاً أطول من عمر الكون للوصول إلى حالته الطبيعية الصحيحة.

 

سيكون التخطيط الواقعي لتسلسل طي البروتين إنجازاً علمياً وصحياً كبيراً يمكن أن ينقذ الأرواح.

 

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمية أن تساعد في حساب العدد الهائل من تسلسلات طي البروتين الممكنة لصنع أدوية أكثر فعالية. في المستقبل، ستمكّن المحاكاة الكمية من إجراء اختبار سريع للعقاقير المصممة من خلال حساب كل تركيبة ممكنة من البروتين إلى الدواء.

 

الحوسبة الكمية العالمية (Universal Quantum Computing): تعد أجهزة الكمبيوتر الكمية العالمية هي الأقوى والأكثر قابلية للتطبيق بشكل عام، ولكنها أيضاً الأصعب في البناء. من المرجح أن يستخدم الكمبيوتر الكمي العالمي أكثر من 1 مليون كيوبت. تذكر أن معظم وحدات البت التي يمكننا الوصول إليها اليوم ليست حتى 128. الفكرة الأساسية وراء الكمبيوتر الكمي العالمي هي أنه يمكنك توجيه الآلة لأي عملية حسابية معقدة بشكل كبير والحصول على حل سريع، تم تطوير ما لا يقل عن 50 خوارزمية فريدة أخرى للعمل على كمبيوتر كمي عالمي.

 

في المستقبل البعيد، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمية العالمية أن تحدث ثورة في مجال الذكاء الاصطناعي، كما يمكن للذكاء الاصطناعي الكمي أن يجعل التعلم الآلي أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

 

أنتج العمل الأخير خوارزميات يمكن أن تكون بمثابة اللبنات الأساسية لتعلم الآلة الكمومية، لكن الأجهزة والبرمجيات لتحقيق الذكاء الاصطناعي الكمومي بشكل كامل لا تزال بعيدة المنال بالنسبة لنا مثل الكمبيوتر الكمومي العام نفسه.

 

الحوسبة الكمية عبر الصناعات:

 

مع انخفاض تكلفة موارد الحوسبة الكمية، لقد بدأنا في رؤية آثارها عبر مختلف القطاعات، ومن هذه الآثار ما يلي:

 

الرعاىة الصحية: يمكن أن تساعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في تسريع عملية مقارنة تفاعلات وتأثيرات الأدوية المختلفة على مجموعة من الأمراض لتحديد أفضل الأدوية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي الحوسبة الكمية أيضاً إلى طب شخصي حقاً باستخدام التطورات في علم الجينوم لإنشاء خطط علاج مصممة خصيصاً لكل مريض.

 

الخدمات المالية: يعتمد المحللون الماليون عادة على الخوارزميات التي تتكون من الاحتمالات والافتراضات حول الطريقة التي ستعمل بها الأسواق والمحافظ. يمكن أن تساعد الحوسبة الكمية في القضاء على النقاط العمياء للبيانات ومنع الافتراضات المالية التي لا أساس لها من إحداث خسائر.

 

الأمن الإلكتروني (Cyber Security):يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمية لكسر رموز التشفير التي نستخدمها اليوم للحفاظ على البيانات الحساسة والاتصالات الإلكترونية آمنة، ويمكن أيضاً استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتأمين البيانات من القرصنة الكمومية وهي تقنية تُعرف باسم التشفير الكمي. ويعرف التشفير الكمي بأنه فكرة إرسال جسيمات متشابكة من الضوء (فوتونات متشابكة) عبر مسافات طويلة فيما يُعرف باسم توزيع المفتاح الكمي (QKD) لغرض تأمين الاتصالات الحساسة.

 

الزراعة: يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمية أن تساعدنا في صنع الأسمدة بكفاءة أكبر. تقريباً كل الأسمدة التي تساعد في إطعامنا مصنوعة من الأمونيا. سيكون الكمبيوتر الكمي قادراً على تحليل العمليات التحفيزية الكيميائية بسرعة، والتوصل إلى مزيج محفز مثالي لإنتاج الأمونيا. إن القدرة على إنتاج الأمونيا بكفاءة أكبر تعني أسمدة أرخص وأقل استهلاكاً للطاقة. من شأن الوصول الأسهل إلى أسمدة أفضل أن يفيد البيئة ويساعد في إطعام سكان كوكب الأرض المتزايدين.

 

الحوسبة سحابية: تبرز الحوسبة السحابية الكمية كمجال واعد في الصناعة. كما يمكن للمنصات السحابية الكمومية تبسيط البرمجة وتوفير وصول منخفض التكلفة إلى الآلات الكمية.