ما وحدة المعالجة الكمية (QPU)؟

نظرًا لأنها تحتوي على الجزء الكمي من أجهزة الكمبيوتر الكمية، يمكن استخدام وحدات QPU للمساعدة على حل المشكلات الصعبة التي تواجه البشرية مع إمكانية التأثير في تغير المناخ وتطوير الأدوية والذكاء الاصطناعي (AI).

وبالطريقة نفسها يمكن بها اعتبار وحدة المعالجة المركزية (CPU) بمثابة "عقل الكمبيوتر" في الحوسبة الكلاسيكية، تعمل وحدة المعالجة الكمية مثل "عقل" أنظمة حوسبة Quantum. وكما أن وحدة المعالجة المركزية هي أكثر من مجرد شريحة وتتضمن العديد من العناصر الأخرى، فإن وحدة QPU تحتوي على كيوبتات حسابية فعلية بالإضافة إلى إلكترونيات التحكم وأجهزة الحوسبة الكلاسيكية المستخدمة لحفظ التعليمات في الذاكرة، وتضخيم الإدخال والإخراج وإدارتهم، وفصل الإشارات عن الضوضاء. 

وحدة QPU هي العنصر الأساسي لأي حاسوب كمي، والشريحة الكمية هي العنصر الأساسي لوحدة QPU. في IBM، الشريحة الكمية عبارة عن أشباه موصلات متعددة الطبقات محفورة بعناصر فائقة التوصيل. هذه العناصر هي الكيوبتات المادية المستخدمة لإجراء الحسابات الكمية. وتنقسم هذه الشرائح إلى طبقات متعددة تضم الكيوبتات ومضخمات صوتية للقراءة وطبقات متعددة من الأسلاك للإدخال والإخراج. 

تحتوي وحدات المعالجة الكمية على شريحة كمية مماثلة في حجمها لشريحة الكمبيوتر العادية—والمعروفة أيضًا باسم مستوى البيانات الكمية—وتتكون من كيوبتات مادية موضوعة في تكوينات مختلفة، وبنى لتثبيتها في مكانها. ويتم الاحتفاظ بالشريحة في درجات حرارة باردة بالقرب من الصفر المطلق في جهاز تبريد التخفيف.

تشتمل وحدات QPU أيضًا على إلكترونيات التحكم وأجهزة الحوسبة الكلاسيكية المطلوبة للإدخال والإخراج. وتوضع بعض هذه العناصر داخل أجهزة تبريد التخفيف، بينما توضع العناصر الأخرى في رف في درجة حرارة الغرفة بجانب جهاز تبريد التخفيف.

وحدات QPU فريدة من نوعها بين وحدات معالج الكمبيوتر. على عكس وحدات المعالجة المركزية، تستفيد CPU من فيزياء الكم لتخزين البيانات ومعالجتها بشكل مختلف. وتستخدم وحدات المعالجة المركزية الكلاسيكية بتات ثنائية لتخزين البيانات إما على هيئة 0 أو 1.

تستطيع وحدات البت الكمية تخزين المعلومات الثنائية في الأصفار والواحدات، ولكنها تستطيع أيضًا الاحتفاظ بتراكب، أي أنها تخزن مزيجًا خاصًا من كل من 0 و1. وتستفيد وحدات QPU أيضًا من العديد من المبادئ الكمية الرئيسية الأخرى التي تسمح لها بمعالجة المعلومات بطرق تكافح أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لمحاكاتها.

تمثل وحدات QPU تقدمًا جيليًا في علوم الكمبيوتر، وهي مصممة لمعالجة الخوارزميات الكمية بشكل أفضل من أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة. تم تحسين وحدات QPU للحسابات الكمية على نطاق واسع، ولا تهدف إلى استبدال وحدات المعالجة المركزية. وبدلاً من ذلك، يتم دمج وحدات QPU في أنظمة الحوسبة عالية الأداء (HPC) جنبًا إلى جنب مع وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPUs). 

في الحاسوب العملاق المرتكز على الكم، يعمل كل نوع من المعالجات بشكل مختلف ويُستخدم لمعالجة أنواع مختلفة من العمليات الحسابية باستخدام النظام البنائي:

• وحدات المعالجة المركزية: تقوم وحدات المعالجة المركزية (CPUs) بمعالجة الإدخلات بالتتابع، وتؤدي المهام بطريقة خطية وهي الأنسب للعمليات عالية المستوى، مثل إدارة البيانات عبر العناصر المختلفة.

• وحدات معالجة الرسومات: تتميز وحدات معالجة الرسومات (GPUs) بالقدرة على معالجة كميات كبيرة من العمليات في وقت واحد بالتوازي. ويمكن استخدام وحدات معالجة الرسومات في الأنظمة الكمية لتفريغ قدر من عبء عمل المعالجة من وحدات QPU.

• وحدات المعالجة العصبية: تحاكي وحدات المعالجة العصبية (NPUs) وظيفة الدماغ البشري وتستخدم عادةً للمهام المعقدة التي تنطوي على أنواع محددة من العمليات الحسابية المستخدمة في التعلم الآلي (ML) والذكاء الاصطناعي (AI).

• وحدات المعالجة الكمية: تقوم وحدات المعالجة الكمية (QPUs) بمعالجة المعلومات باستخدام الكيوبتات بدلاً من البتات الثنائية وهي مصممة لأداء خوارزميات كمية معقدة. من الأفضل استخدام QPU لأنواع معينة من المشكلات شديدة التعقيد، وتوفر العديد من الخوارزميات الكمية الواعدة اليوم حلولاً احتمالية بدلاً من الإجابات الدقيقة.

وقد أدت التطورات الأخيرة في تقنيات Quantum التي كانت تُعد نظرية فقط في القرن العشرين، إلى طفرة في تطوير وحدة المعالجة الكمية. اليوم، تدفع شركة IBM حدود العلوم الحاسوبية لتطوير وحدات معالجة كمية قابلة للتطبيق وقادرة على تحقيق Quantum Advantage—القدرة على التفوق على جميع طرق الحوسبة الفائقة الكلاسيكية لحل مشكلة معينة. ويتولى المطورون في شركة IBM زمام المبادرة، حيث يقومون بالفعل بتسليم وحدات المعالجة الكمية والأجهزة الكمية ذات مرفق الخدمات الكمي—القدرة على توفير مخرجات موثوقة ودقيقة للدوائر الكمية التي تتجاوز نطاق عمليات المحاكاة الكلاسيكية بالقوة الغاشمة. 

حوسبة Quantum هي التقنية الناشئة التي تستخدم قوة ميكانيكا الكم لحل المشكلات المعقدة جدًا حتى لأقوى الحواسيب الخارقة. ويمكن نظريًا إنجاز مهام مثل تحليل الأعداد الأولية الكبيرة، التي قد تستغرق مئات الآلاف من السنين في حاسوب كلاسيكي، في غضون دقائق باستخدام حاسوب كمي قوي بما فيه الكفاية. 

تعالج أجهزة الحاسوب الكمية المعلومات بشكل مختلف عن الحواسيب الكلاسيكية. وخلافاً للحواسيب الكلاسيكية التي يجب أن تحسب كل خطوة من عملية حسابية معقدة بقواعد المنطق، يمكن للدوائر الكمية المصنوعة من الكيوبتات معالجة العديد من مدخلات مجموعة البيانات في وقت واحد باستخدام العمليات، ما يوفر طريقة جديدة لمعالجة بعض المشكلات، وربما تحسين الكفاءة بعدة مرات من حيث الحجم. 

الحوسبة الكلاسيكية: 

• تُستخدم في أجهزة الكمبيوتر التقليدية ومتعددة الأغراض.
• تخزين المعلومات في وحدات بت مع عدد منفصل من الحالات المحتملة، 0 أو 1
• تعالج البيانات منطقيًا وتسلسليًا

حوسبة Quantum:

• تستخدمها الأجهزة الكمية المتخصصة والتجريبية القائمة على ميكانيكا الكمّ التجريبية
• تخزن المعلومات في كيوبتات على هيئة 0 أو 1 أو تراكب 0 و1
• تعالج البيانات باستخدام المنطق الكمي في حالات متوازية، بالاعتماد على التشابك والتداخل

لا تُجري المعالجات الكمّية العمليات الرياضية بالطريقة نفسها التي تعتمدها أجهزة الكمبيوتر التقليدية. وخلافًا للحواسيب الكلاسيكية التي يجب أن تحسب كل خطوة من عملية حسابية معقدة بقواعد المنطق، فإن الدوائر الكمية المصنوعة من الكيوبتات تعالج العديد من مدخلات مجموعة البيانات في وقت واحد من خلال العمليات الكمية، ما يوفر طريقة جديدة لمعالجة بعض المشكلات، وربما يتم تحسين الكفاءة بعدة أوامر من حيث الحجم.

بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية الترانزستورات لتخزين البيانات ومعالجتها في التعليمات البرمجية الثنائية، تستخدم وحدات QPU الكيوبتات. وتستخدم وحدات QPU من IBM وحدات الكيوبتات فائقة التوصيل الصلبة لتشفير البيانات إما على هيئة 0 أو 1 أو تراكب من 0 و1. مع زيادة عدد الكيوبتات، يمكن أيضًا الاحتفاظ بكل مجموعة ممكنة من جميع قيم الكيوبتات في تراكب. ضمن هذه المواضع، قد تتشابك بعض الكيوبتات، وفي هذه الحالة تصبح قيمها تعتمد على الآخرين، ولا يمكن اعتبارها تتصرف بشكل مستقل. يوفر قياس أحد الكيوبتات المتشابكة على الفور معلومات عن حالة الآخر. والتشابك هو أداة قيمة لتشغيل الخوارزميات الكمية.

في نهاية العملية الحسابية الكمية، يتم تحويل البيانات بواسطة وحدة المعالجة الكمية والأجهزة الداعمة إلى صيغة ثنائية، وسيُقاس إما 0 أو 1 على كل كيوبت باحتمالية تتوافق مع مساهمته في حالة التراكب. 

يمكن للتقنيات الكمية استخدام جسيمات فعلية تُعرف باسم الكيوبتات الجزيئية أو أجهزة تحاكي سلوك الجسيمات (مثل الكيوبتات فائقة التوصيل) لإجراء العمليات الحسابية بطرق لا تستطيع البتات الثنائية القيام بها، حيث يتم تمكينها من خلال أربعة مبادئ رئيسية لا توجد إلا في الأنظمة الكمية. 

1. التراكب: التراكب هو الحالة التي يمكن فيها لجسيم كمي أو نظام كمي أن يمثل ليس فقط قيمة واحدة، بل مزيجًا من عدة قيم ممكنة. 
2. التشابك: هو العملية التي يصبح فيها جسيمان كمّيان مترابطان بقوة أكبر مما يسمح به الاحتمال العادي.
3. التلاشي: التلاشي هو العملية التي يمكن أن تتحلل فيها الجسيمات الكمية والأنظمة الكمية أو تنهار أو تتغير، وتتحول إلى حالات مفردة قابلة للقياس بواسطة الفيزياء الكلاسيكية.  
4. التداخل: هو الظاهرة التي يمكن أن تتفاعل فيها الحالات الكمية المتشابكة وتنتج احتمالات أكثر أو أقل احتمالاً.

بشكل عام، يتم إنشاء الكيوبتات عن طريق التلاعب بالجسيمات الكمية وقياسها (أصغر وحدات البناء المعروفة في الكون المادي، مثل الفوتونات والإلكترونات والأيونات المحاصرة والذرات) أو عن طريق هندسة أنظمة تحاكي هذه الجسيمات.

• الكيوبتات فائقة التوصيل: تُصنع هذه الكيوبتات من مواد فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة منخفضة، وهي مفضلة لسرعتها في إجراء العمليات الحسابية والتحكم الدقيق. 

• الكيوبتات الأيونية المحاصرة: يمكن أيضًا استخدام الأيونات المحاصرة ككيوبتات، وهي معروفة بأزمنة التماسك الطويلة والقياسات عالية الدقة. الأيونات هي ذرات ذات شحنة كهربائية.

• النقاط الكمّية: النقاط الكمّية هي أشباه موصلات صغيرة تحتجز إلكترونًا واحدًا وتستخدمه ككيوبت، ما يجعلها خيارًا واعدًا من حيث قابلية التوسّع والتوافق مع تقنيات أشباه الموصلات الحالية. 

• الفوتونات: الفوتونات هي جزيئات ضوء فردية تُستخدم لإرسال المعلومات الكمية عبر مسافات طويلة من خلال كابلات الألياف الضوئية ويتم استخدامها في الاتصالات الكمية والتشفير الكمي. 

• الذرات المحايدة: إن الذرات المحايدة الشائعة التواجد المشحونة بالليزر مناسبة تمامًا لتوسيع نطاق العمليات وإجرائها.

أنواع معينة من الكيوبتات أكثر ملاءمة لمهام معينة، على الرغم من أن جميع الكيوبتات المعروفة لا تزال حساسة للغاية. وتتطلب وحدات المعالجة الكمية المستخدمة في الحواسيب الكمية الوظيفية، أجهزة وبرامج دعم كبيرة للحفاظ على المعايرة المناسبة والتعامل مع الضوضاء الخارجية. تتميز الحلول البرمجية مثل مجموعة برمجيات Qiskit من IBM بميزة أدوات تُستخدم للتنسيق عبر الأجهزة الكمية والكلاسيكية وإجراء معالجة الأخطاء الكمية اللازمة للمساعدة على التخلص من القراءات غير الدقيقة من خلال الأتمتة.

في حين أن الشريحة الموجودة داخل وحدة QPU تكون بالحجم نفسه للشرائح الموجودة في وحدة المعالجة المركزية أو وحدة معالجة الرسومات، إلا أن أنظمة الحوسبة الكمية قد تكون بحجم سيارة سيدان ذات أربعة أبواب. ويأتي هذا الجزء الإضافي في الغالب من الأنظمة المبردة وأجهزة التبريد التي يجب أن تبرد الكيوبتات إلى درجات حرارة أكثر برودة من الفضاء الخارجي للحفاظ على التماسك. ويشمل أيضًا المكونات الكلاسيكية الأخرى المستخدمة لإرسال التعليمات وتطبيقها وإرجاع المخرجات، والتي يمكن تخزينها في درجة حرارة الغرفة.  

تتفوق الحواسيب الكمية التي تعمل بوحدات QPU في حل بعض المشكلات المعقدة، مع إمكانية تسريع معالجة مجموعات البيانات واسعة النطاق. من تطوير الأدوية الجديدة وإجراء التعلم الآلي (ML) بطريقة جديدة إلى تحسين سلسلة التوريد وإجراء نمذجة السلاسل الزمنية على بيانات المناخ المعقدة، قد تكون الحوسبة الكمية بمنزلة المفتاح لتحقيق اختراقات في العديد من الصناعات الحساسة.

كما ستُستخدم وحدات المعالجة الكمية في الحوسبة الفائقة المرتكزة على الكم لحل أكثر المشكلات تعقيدًا وتحديًا التي تواجه البشرية اليوم في المجالات الآتية: 

• الأدوية: الحواسيب الكمية القادرة على محاكاة السلوك الجزيئي والتفاعلات الكيميائية الحيوية يمكن أن تسرع بشكل كبير من عمليات البحث والتطوير للأدوية والعلاجات الطبية الجديدة المنقذة للحياة. 

• الكيمياء: للأسباب نفسها التي يمكن أن تؤثر بها الحواسيب الكمية في البحث، فإنها قد توفر أيضًا حلولاً غير مكتشفة للتخفيف من المنتجات الثانوية الكيميائية الخطيرة أو المدمرة. قد تؤدي حوسبة Quantum إلى تطوير محفّزات أفضل تتيح بدائل للمواد البتروكيميائية، أو إلى تحسين آليات تفكيك الكربون الضرورية للحد من الانبعاثات التي تسهم في تغيّر المناخ. 

• الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي: مع تزايد الاهتمام والاستثمار في الذكاء الاصطناعي والمجالات ذات الصلة مثل التعلم الآلي، يدفع الباحثون نماذج الذكاء الاصطناعي إلى حدود قصوى جديدة، ويختبرون حدود أجهزتنا الحالية ويتطلبون استهلاكًا هائلاً للطاقة. هناك أدلة على أن بعض الخوارزميات الكمية قد تكون قادرة على النظر إلى مجموعة البيانات بطريقة جديدة، ما يوفر تسريعًا لبعض مشكلات التعلم الآلي.

• علم المواد: إن العديد من مشكلات علوم المواد كمية بطبيعتها، ولدى تسريع العمليات الكمية في هذا المجال القدرة على إفادة مجالات تمتد من فهمنا الأساسي للمادة إلى المشكلات الصناعية في تخزين الطاقة، والطاقة الشمسية، وغير ذلك.

• التحسين: يوفر التحسين الفعال للموارد قيمة لأي صناعة معينة؛ ولكن مع تزايد تعقيد الخدمات اللوجستية، يصبح التحسين أكثر صعوبة. لا تستكشف حواسيب تقنية Quantum كل الحلول على التوازي—على الأقل، ليس بالطريقة المفيدة للتحسين. لكن هذا لا يعني أنهم لا يستطيعون تقديم حلول جديدة أفضل من النماذج الحالية. بدأت تظهر أبحاث جديدة توضح كيف وأين يمكن لـ Quantum، أن توفر قيمة للتحسين، وفي أي جدول زمني. في الواقع، نحن نعلم بالفعل أن بعض خوارزميات التقريب الكمّي تعمل بكفاءة—في زمن كثير الحدود—ما يعطي حلاً مثاليًا بنسبة 80%.