أساطير وحقائق حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية

في أكتوبر 2019 ، سيطرت الحوسبة الكمومية على عناوين الأخبار حول العالم لعدة أيام. حقق فريق من الباحثين من شركة Google العملاقة للتكنولوجيا تفوقًا كميًا من خلال التغلب على أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم بحاسوب كمي.

ليس هذا فقط ، ولكن الفارق الزمني كان مذهلاً فقط: بضع دقائق مقابل آلاف السنين التي تستغرقها لإجراء نفس الحساب على جهاز كمبيوتر تقليدي.

كررت عشرات المقالات والتقارير في الصحافة والإذاعة والتلفزيون هذا الإنجاز التاريخي ، محاولين أن تشرح لجمهور غير متخصص ما الذي يتكون منه إنجاز Google حقًا وما الذي تم استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية الغامضة من أجله.

على الرغم من نواياهم الحسنة ، لا بد أن معظم هذه التفسيرات قد أثارت أسئلة أكثر مما يمكنهم توضيحه.

لا سحر أو قوى خارقة كبيرة

في مقالات الحوسبة الكمومية الشائعة ، من الشائع العثور على سلسلة من المقارنات المتكررة والصور التي لا تتطابق مع الواقع وتساهم في خلق أساطير خاطئة حول القدرات الحقيقية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

أحد أكثرها شيوعًا هو أن “الكمبيوتر الكمومي يجد حلاً لمشكلة ما عن طريق اختبار جميع الخيارات الممكنة في وقت واحد.”

هذا التفسير لا يبسط عمل الحواسيب الكمومية. بدلاً من ذلك ، يبدو أنه يمنحهم قوى خارقة مذهلة حيث يكون إكمال الحساب مسألة الضغط على زر والانتظار بضع ثوانٍ.

لكن أليس صحيحًا أن الكمبيوتر الكمومي يستخدم التوازي الهائل للبحث في جميع الحلول لمشكلة ما في وقت واحد؟

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست هي الحل لحل جميع أنواع الحسابات.

كما هو الحال مع العديد من الأشياء المتعلقة بالعالم الكمي ، فإن الإجابة هي نعم ولا. صحيح أن أحد أهم الخصائص التي تعتمد عليها الخوارزميات الكمومية هو التراكب ، وهو الميل الغامض لأنظمة فيزيائية معينة لتكون في سلسلة من الحالات المختلفة. لكن هذا ليس سوى جزء ، وجزء صغير إلى حد ما ، من القصة بأكملها.

الكوريغرافيا الرياضية

يمكننا تعريف الحوسبة الكمومية على أنها النظام الذي يدرس استخدام خصائص الجسيمات دون الذرية لإجراء العمليات الحسابية. من بين هذه الخصائص ، نعم ، التداخل ، ولكن أيضًا التشابك والتداخل.

بمعنى ما ، يمكننا القول أن الخوارزمية الكمومية تخلق أولاً تراكبًا للعديد من الاحتمالات للاستكشاف ، ثم تتشابك هذه الاحتمالات مع النتائج وتسمح في النهاية للحلول السيئة بالتدخل مع بعضها البعض ، تاركة فقط الحلول التي تهمنا.

هذه المرحلة من التخلص من الخيارات غير المواتية هي أصعب جزء من العملية برمتها. إنه نوع من تصميم الرقصات الرياضية المعقدة ، على حد تعبير سكوت آرونسون وزاك وينرسميث ، أننا نعرف فقط كيفية الأداء في بضع نقاط محددة.

بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت منذ فترة طويلة أنه لا يمكن استخدام الحوسبة الكمية في مهام معينة لتحقيق عمليات حسابية أسرع مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية.

لذا فإن الكمبيوتر الكمومي ليس ذلك الجهاز السحري القادر على حل كل مشكلة تريد الصحافة الشعبية بيعها على الفور. لكنه ليس مجرد جهاز كمبيوتر أسرع.

ليس فقط أسرع

هناك اعتقاد خاطئ شائع آخر في المقالات الشائعة حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية وهو تقليل كل قدراتها إلى مجرد رفع تردد التشغيل.

Getty Images من الأخطاء الشائعة في العديد من المقالات حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقليل كل قدراتها إلى مجرد رفع تردد التشغيل.

لقد فقدت عدد المرات التي صادفت فيها عبارات مثل “العلماء يطورون جهاز كمبيوتر كمي أسرع مليون مرة من أجهزة الكمبيوتر التقليدية”. رغم أن هذه التصريحات ملفتة للنظر ، إلا أنها خاطئة تمامًا.

لقد اعتدنا على رؤية كبرى شركات تصنيع الرقائق الدقيقة تعلن عن تطورات جديدة كل بضعة أشهر يمكن أن تكون أسرع بعشرين أو ثلاثين أو خمسين بالمائة من سابقاتها.

لكن الكمبيوتر الكمومي لا يبني عملياته على التطورات التكنولوجية البسيطة التي تجعل من الممكن أداء نفس العمليات بشكل أسرع.

من ناحية أخرى ، قد لا يتفوق الكمبيوتر الكمي على الكمبيوتر التقليدي في بعض المهام. ولكن في الحالات التي يقدم فيها الكمبيوتر الكمي ميزة على الأجهزة التقليدية ، لا يمكن قياس الاختلافات برقم واحد.

ينفذ الكمبيوتر الكمومي خوارزميات تختلف اختلافًا جوهريًا عن تلك الموجودة في الكمبيوتر الكلاسيكي. هذا يزيد من ميزة آلة الكم حيث تزداد المشكلة التي نريد حلها.

على سبيل المثال ، بالنسبة لمشاكل البحث في القوائم ، سيكون الكمبيوتر الكمومي أسرع بخمس مرات من الكمبيوتر التقليدي عند 100 نقطة بيانات ، و 50 مرة أسرع عند 10000 عنصر ، و 500 مرة أسرع في مليون سجل.

التطبيقات

إن هذه الميزة المتزايدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية على وجه التحديد مع زيادة كمية البيانات المراد معالجتها هي التي تجعلها جذابة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بمعالجة المشكلات المستعصية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

هذا هو الحال بالنسبة لمهام مثل العثور على عوامل الأعداد الصحيحة الكبيرة جدًا ، والتي يعتمد عليها أمان العديد من بروتوكولات التشفير المستخدمة في اتصالاتنا الرقمية.

صور جيتي

الوقت المستغرق لحل هذه المشكلة باستخدام أفضل الخوارزميات الكلاسيكية المتاحة ينمو بشكل كبير تقريبًا مع طول الأرقام ، لذا فإن زيادة المفتاح ببضع عشرات من البتات تجعله أكثر أمانًا بملايين المرات.

قبل أكثر من عشرين عامًا ، أظهر عالم الرياضيات بيتر شور أن حل هذه الأرقام سيكون ممكنًا إذا تم استخدام الخوارزميات الكمومية.

علم التشفير ليس المجال الوحيد الذي يمكن أن تقدم فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية ميزة كبيرة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تعد محاكاة المواد الجديدة أو دراسة المركبات الكيميائية ، على سبيل المثال ، من بين أكثر التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية.

مرة أخرى ، هذه مهام صعبة جدًا لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لأن عدد المعلمات التي تصف سلوك الأنظمة الفيزيائية والكيميائية ينمو بشكل كبير مع عدد الجسيمات التي تتكون منها.

لكن الخصائص الكمومية لمثل هذه الأنظمة تجعل من الطبيعي محاكاتها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، كما لاحظ الفيزيائي ريتشارد فاينمان حتى قبل ظهور الحوسبة الكمومية كنظام علمي.

Getty Images من أكثر التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية دراسة المركبات الكيميائية.

على سبيل المثال ، طور العديد من الباحثين في السنوات الأخيرة خوارزميات مصممة خصيصًا لدراسة خصائص الجزيئات الكيميائية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

أحد أشهرها هو ما يسمى بـ Variational Quantum Eigensolver (VQE) ، والذي يتمتع بميزة القدرة على استخدام حتى أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصغيرة والحساسة للضوضاء التي لدينا اليوم.

بهذه الطريقة ، تمت محاكاة بعض الجسيمات الصغيرة بأجهزة كمومية حقيقية ، بدقة مكافئة للحسابات الكلاسيكية.

بينما نحن بعيدون جدًا عن اللحاق بأجهزة الكمبيوتر التقليدية في هذه المهمة ، فإن معدل نمو قدرات الحوسبة الكمومية والتحسينات في الخوارزميات المستخدمة تشير إلى أن هذا قد يكون أحد التطبيقات العملية الأولى للتكنولوجيا.

الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي

المجالات الأخرى التي يكون فيها البحث في تطبيقات الحوسبة الكمومية مكثفًا بشكل خاص حاليًا هو الذكاء الاصطناعي والتحسين.

على وجه الخصوص ، تم اقتراح العديد من الخوارزميات الكمومية لتسريع المهام المتضمنة في تدريب نماذج التعلم الآلي من مجموعات البيانات الكبيرة.

في بعض الحالات ، باستخدام تقنيات مشابهة لتلك التي استخدمها شور في تطوير خوارزمية العوملة الخاصة به ، يتم تحقيق مكاسب أسية على الطريقة الكلاسيكية المقابلة.

ومع ذلك ، نظرًا لأنه يتعين علينا نقل البيانات واحدًا تلو الآخر إلى الكمبيوتر الكمومي من الملفات التي تم تخزينها فيها ، فلن يكون الاختناق في معالجة المعلومات ، ولكن في قراءتها.

تتمثل الحلول الممكنة في استخدام البيانات التي تم التقاطها مباشرة باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية ، بحيث لا يلزم تحميلها من جهاز خارجي ، وتطوير ذاكرات كمية يمكنها قراءة البيانات في حالة التراكب.

عندما يتعلق الأمر بمحاكاة مواد جديدة ، يمكن أن تكون الحوسبة الكمومية مفيدة للغاية.

إلى جانب دراسة تقنيات التسريع الكلاسيكية للتعلم الآلي ، يتم أيضًا فحص النماذج الكمومية النقية ، على سبيل المثال ما يسمى بالشبكات العصبية الكمومية.

نظرًا لأن هذه المقترحات حديثة نسبيًا ، فإن قدراتها الكاملة لم تُعرف بعد ، ولكن هناك دليل على أنها تتفوق في الأداء على الأساليب الكلاسيكية مع بعض مجموعات البيانات الاصطناعية.

كما أشار جون بريسكيل ، أحد أبرز خبراء الحوسبة الكمومية في العالم ، عن حق ، بالطريقة نفسها التي تم بها تطوير تطبيقات الشبكات العصبية الكلاسيكية دون الحاجة في جميع الحالات إلى نظرية قوية وشاملة ، كما هو الحال ، من المرجح أن تؤدي زيادة توافر أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتشغيل وضبط الشبكات العصبية الكمية إلى حالات استخدام لا يمكننا توقعها اليوم.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست هي الحل لجميع المشاكل الحسابية ومعالجة البيانات التي قد نطرحها.

إنها ليست أجهزة سحرية تسمح بإجراء أي عملية حسابية على الفور. لكنها ليست مجرد إصدارات أسرع من أجهزة الكمبيوتر التي لدينا اليوم.

بالنسبة للمهام التي يمكن فيها اكتساب ميزة باستخدام الحوسبة الكمية ، يزداد كسب وقت التشغيل مع حجم المشكلة.

بالنظر إلى أن تطبيقات الحوسبة الكمومية تغطي المجالات ذات الصلة مثل الأمن السيبراني ، ومحاكاة العمليات الفيزيائية والكيميائية ، أو الذكاء الاصطناعي ، فإن حقيقة أن الحوسبة الكمية ليست أداة شاملة لا تقلل من قيمتها ، بل تؤهلها ببساطة.

إن امتلاك أجهزة كمبيوتر كمومية لا يعني نهاية قيودنا الحسابية ، ولكن يمكننا التأكد من أنه سيعني تغييرًا عميقًا في الطريقة التي نحسب بها البيانات ونعالجها ، وبالتالي تحولًا جذريًا في مجتمعنا.

* تم نشر هذه المقالة في الأصل في The Conversation وتم نسخها هنا بموجب ترخيص المشاع الإبداعي.

* إلياس ف. كومبارو أستاذ في قسم علوم الكمبيوتر بجامعة أوفييدو بإسبانيا.

يمكنك الآن تلقي إشعارات من BBC World. قم بتنزيل الإصدار الجديد من تطبيقنا وتنشيطه حتى لا تفوتك أفضل محتوياتنا.

باءت بالفشل: