ما المقصود بالحوسبة الكمومية؟

يشمل هذا المجال مجوعةً من التخصصات، مثل العتاد الكمّي والخوارزميات الكمّية. وعلى الرغم من أن التقنية الكمّية لا تزال قيد التطوير، إلا أنها ستتمكّن قريبًا من معالجة مشكلات معقّدة لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية حلّها، (أو على الأقل لا تستطيع حلّها بالسرعة المطلوبة).

من خلال الاستفادة من مبادئ الفيزياء الكمّية، ستتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمّية على نطاق واسع من التصدي لبعض التحديات المعقّدة بسرعة تفوق بكثير أجهزة الكمبيوتر التقليدية الحديثة. فقد تتمكّن أجهزة الكمبيوتر الكمّية من حلّ بعض المشكلات، التي قد تستغرق آلاف السنين على الحاسوب التقليدي، خلال دقائق أو ساعات فقط.

تُظهر ميكانيكا الكمّ، الفرع الذي يدرس فيزياء الجسيمات متناهية الصغر، مبادئ طبيعية أساسية ومدهشة. وتستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمّية تحديدًا من هذه الظواهر لتطبيق أساليب رياضية لحل المشكلات، لا يمكن الوصول إليها باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية وحدها.

ومن الناحية العملية، من المتوقّع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمّية مفيدة على نطاق واسع في نوعين من المهام: نمذجة سلوك الأنظمة الفيزيائية، واكتشاف الأنماط والبُنى في البيانات.

تُشبه ميكانيكا الكمّ إلى حدٍ ما نظام التشغيل في بالكون. وبالتالي، فإن جهاز الكمبيوتر الذي يعالج المعلومات استنادًا إلى المبادئ الكمّية يتمتع بميزات معيّنة عند نمذجة الأنظمة الفيزيائية، ما يجعل الحوسبة الكمّية ذات أهمية خاصة لتطبيقات الكيمياء وعلوم المواد. فعلى سبيل المثال، قد تساعد أجهزة الكمبيوتر الكمّية الباحثين في تحديد الجزيئات المفيدة في المجالات الصيدلانية أو الهندسية، بشكل أسرع وأكثر كفاءة.

كما أن أجهزة الكمبيوتر الكمّية قادرة على معالجة البيانات باستخدام تقنيات رياضية لا يمكن أجهزة الكمبيوتر التقليدية الوصول إليها وهذا يمنحها القدرة على تنظيم البيانات واكتشاف الأنماط التي قد تفوتها الخوارزميات التقليدية. ويمكن الاستفادة من هذا عمليًا في مجالات متعدّدة، مثل علم الأحياء (كطيّ البروتينات) أو القطاع المالي.

واليوم، يركّز جزء كبير من أبحاث حوسبة Quantum على البحث عن الخوارزميات والتطبيقات ضمن هذه الفئات الواسعة من الاستخدام المتوقع. وهذا بالإضافة إلى العمل على تطوير التقنية نفسها

ومع استمرار المؤسسات الرائدة مثل IBM وAmazon وMicrosoft وGoogle، إلى جانب الشركات الناشئة مثل Rigetti وIonQ، في الاستثمار بكثافة في هذه التقنية الواعدة، من المتوقع أن تصل قيمة سوق حوسبة Quantum إلى 1.3 تريليون دولار أمريكي بحلول عام 2035.

وعند الحديث عن أجهزة الكمبيوتر الكمّية، من المهم فهم أن سلوك الكون على المستويات متناهية الصغر يختلف اختلافًا جذريًا عمّا نعرفه في حياتنا اليومية. فبالمقارنة بما تعلمناه في الفيزياء في المدارس الابتدائية، تبدو سلوكيات الجسيمات الكمّية غريبة بل وغير بديهية.

يمثل وصف سلوكيات الجسيمات الكمّية تحديًا فريدًا. إذ تفتقر النماذج الشائعة لفهم الطبيعة إلى المفردات التي تشرح سلوك الجسيمات الكمّية المذهل. ولكن ميكانيكا الكمّ تكشف كيف يعمل الكون فعلًا. وتستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمّية من هذه المبادئ عبر استبدال الدوائر التقليدية القائمة على البِتّات الثنائية بجسيمات كمّية تُعرف باسم "البتّات الكمّية" أو الكيوبِتات (qubits). تتصرف هذه الجسيمات بشكل مختلف عن البتات، وتتميز بخصائص فريدة لا يمكن وصفها إلا باستخدام ميكانيكا الكمّ.

لفهم حوسبة Quantum، من الضروري أولًا التعرّف على أربع مبادئ أساسية في ميكانيكا الكمّ:

• التراكب (Superposition)
• التشابك (Entanglement)
• فك الترابط (Decoherence)
• التداخل (Interference)

لا يُعدّ الكيوبت في حدّ ذاته ذا فائدة كبيرة، ولكن يمكنه وضع المعلومات الكمّية التي يحملها في حالة من التراكب، وهي تمثيل يجمع بين جميع التكوينات المحتملة للكيوبت. عندما تُشكّل مجموعة من الكيوبتات حالة تراكب، فإنها تخلق فضاءات حسابية متعددة الأبعاد ومعقّدة. يمكن تمثيل المشكلات المعقدة في هذه الفضاءات بطرق جديدة.

وعند قياس نظام كمّي، ينهار هذا التراكب من مجموعة من الاحتمالات إلى حالة ثنائية يمكن تسجيلها تمامًا مثل التعليمات البرمجية الثنائية، إما 0 أو 1.

أما التشابك، فهو قدرة الكيوبتات على ربط حالاتها مع كيوبتات أخرى. في الأنظمة المتشابكة، يكون الكيوبت مرتبطًا بغيره لدرجة أن قياس كيوبت واحد فقط يتيح للمعالج الكمّي معرفة معلومات حول الكيوبتات الأخرى مباشرةً.

ويُعدّ التداخل بمثابة المحرك الأساسي لحوسبة Quantum. عندما تكون الكيوبتات في حالة تراكب جماعي، يتم تنظيم المعلومات فيها على هيئة موجات لها سعات ترتبط بكل نتيجة محتملة.

وتُحدّد هذه السعات احتمالات النتائج عند قياس النظام. يمكن أن تتعزز هذه الموجات إذا تلاقت قممها على نتيجة معيّنة، أو أن تُلغى إذا تداخلت قممها مع قيعان موجات أخرى. وتُعدّ عملية تضخيم أو إلغاء الاحتمالات أشكالًا مختلفة من التداخل.

أمّا فك الترابط، فهو العملية التي ينهار فيها النظام الكمّي إلى حالة غير كمّية. ويمكن أن تحدث هذه العملية عند قياس النظام الكمّي عمدًا، أو بفعل عوامل بيئية خارجية غير مقصودة في بعض الأحيان. وبوجه عام، تتطلب حوسبة Quantum تجنّب فك الترابط وتقليله قدر الإمكان.

لفهم حوسبة Quantum بشكل أفضل، تخيّل أن هناك فكرتين مفاجئتين وصحيحتين في الوقت ذاته: الأولى: أن الأجسام التي يمكن قياسها ضمن حالات محددة—مثل الكيوبتات في حالة تراكب مع سعات احتمالية معيّنة—تتصرف عشوائيًا. الثانية: أن الأجسام البعيدة—مثل الكيوبتات المتشابكة—يمكن أن تتصرف بطرق، رغم عشوائيتها الفردية، ترتبط ببعضها ارتباطًا وثيقًا.

تتمّ عملية الحساب في جهاز الكمبيوتر الكمّي من خلال إعداد حالة تراكب لمجموعة من الحالات الحسابية. ثم يُنشئ المستخدم دارة كمّية باستخدام عمليات تُشابك الكيوبتات وتولّد أنماطَ تداخلٍ، وفقًا لخوارزمية كمّية. من خلال هذه العملية، تُلغى العديد من النتائج المحتملة بفعل التداخل، في حين تُضخّم نتائج أخرى، لتُصبح هي الحلول النهائية للحساب.

يتمثل الفرق الأساسي بين أجهزة الكمبيوتر التقليدية والكمّية في أن أجهزة الكمبيوتر الكمّية تستخدم الكيوبتات بدلاً من البتّات. بينما تستخدم حوسبة Quantum الشيفرة الثنائية، إلا أن الكيوبتات تعالج المعلومات بطريقة مختلفة عن أجهزة الكمبيوتر التقليدية. لكن، ما هي الكيوبتات؟ ومن أين تأتي؟

تعتمد أجهزة الكمبيوتر التقليدية على البتات (0 و1) لتخزين البيانات ومعالجتها، بينما تُعالج أجهزة الكمبيوتر الكَمّية البيانات باستخدام الكيوبتات، وهي وحدات كمّية للمعلومات تُوضَع في حالة تراكب (Superposition).

يمكن للكيوبت أن يتصرف مثل البت، فيُمثّل إما صفرًا أو واحدًا، لكنه قادر أيضًا على تمثيل مزيج مُوزون من الصفر والواحد في الوقت نفسه. وعندما يتم جمع الكيوبتات معًا، يمكن أن تنمو حالات التراكب بينها بشكل أُسّي من حيث التعقيد: فكيوبتان يمكن أن تكونا في حالة تراكب لأربعة سلاسل ثنائية ممكنة، وثلاثة كيوبتات يمكن أن تكون في تراكب لثماني سلاسل، وهكذا. ومع وجود 100 كيوبت، تصبح الاحتمالات هائلة بدرجة يصعب تخيّلها.

تعمل الخوارزميات الكمّية عبر التلاعب بالمعلومات بطرق لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية الوصول إليها، ما يوفر تسريعًا ملحوظًا في معالجة بعض المشكلات — خصوصًا عند استخدام أجهزة الكمبيوتر الكَمّية بالتكامل مع أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية عالية الأداء.

عادةً ما تُنشأ الكيوبتات من خلال التلاعب بأنظمة تُظهر سلوكًا كمّيًا، مثل الدوائر فائقة التوصيل، والفوتونات، والإلكترونات، والأيونات المحتجزة، والذرات.

توجد طرق متعددة لصنع الكيوبتات المُستخدمة اليوم في حوسبة Quantum، وبعضها يكون أنسب لمهام معينة من غيرها.

فيما يلي بعض الأنواع الأكثر شيوعًا من الكيوبتات:

• الكيوبتات فائقة التوصيل: هذه الكيوبتات مصنوعة من مواد فائقة التوصيل وتعمل في درجات حرارة منخفضة جدًا. تُستخدم على نطاق واسع بسبب سرعتها العالية في إجراء العمليات الحسابية وقدرتها الدقيقة على التحكم.
• الكيوبتات القائمة على الأيونات المحتجزة: تُستخدم فيها جسيمات الأيون المحتجزة ككيوبتات، وتتميّز بزمن تماسك طويل ودقة عالية، لكنها أبطأ بكثير من نظيرتها فائقة التوصيل.
• 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 جسيمات ضوئية منفردة. ونقل المعلومات الكمّية عبر مسافات طويلة باستخدام كابلات الألياف الضوئية. وتُستخدم حاليًا في الاتصالات الكمّية والتشفير الكمّي.

تتمتع أجهزة الكمبيوتر التي تستخدم البتات الكمية بمزايا معينة مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التي تستخدم البتات التقليدية. توفر أجهزة الكمبيوتر الكَمّية، بفضل خصائص الكيوبتات مثل التراكب والتداخل، نهجًا فريدًا في حل المشكلات لا يمكن تحقيقه باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

ولتوضيح كيفية استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمّية للكيوبتات لحل المشاكل المعقدة، تخيّل أنك في مركز متاهة معقّدة. للهروب من المتاهة، تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية طريقة التجربة والخطأ لتجريب كل المسارات الممكنة حتى تجد المخرج. هذا النوع من أجهزة الكمبيوتر يستخدم البتات لاستكشاف مسارات جديدة وتسجيل المسارات التي تؤدي إلى طرق مسدودة.

قد يتمكّن جهاز كمبيوتر كَمّي من تحديد المسار الصحيح دون الحاجة إلى اختبار جميع المسارات الخاطئة، كما لو أنه يرى المتاهة من منظور علوي. لكن الكيوبتات لا تختبر جميع المسارات في الوقت نفسه. بل يقوم جهاز الكمبيوتر الكَمّي بقياس سعات الاحتمال المرتبطة بالكيوبتات لتحديد النتيجة.

تتصرف هذه السعات مثل الموجات، إذ تتراكب وتتداخل فيما بينها. وعندما تتراكب موجات غير متزامنة، فإنها تُلغي فعليًا العديد من الحلول المحتملة للمشكلات المعقدة، في حين تُنتج الموجات المتماسكة المتبقية حلاً صحيحًا.

يُشبه المعالج الكمّي من IBM رقاقة لا يزيد حجمها كثيرًا عن رقائق السيليكون الموجودة في كمبيوتر محمول. ولكن أنظمة العتاد الكمّي الحديثة—المصمّمة للحفاظ على الأجهزة عند درجات حرارة فائقة الانخفاض—إلى جانب المكوّنات الإلكترونية الإضافية العاملة في درجة حرارة الغرفة للتحكم بالنظام ومعالجة البيانات الكمّية، تبلغ من الحجم ما يُقارب حجم سيارة متوسطة.

ورغم الحجم الكبير لنظام العتاد الكامل، مما يجعل معظم أجهزة الكمبيوتر الكَمّية غير قابلة للحمل، لا يزال بمقدور الباحثين وعلماء الكمبيوتر الوصول إلى قدرات الحوسبة الكَمّية عن بُعد من خلال الحوسبة السحابية. المكوّنات المادية الأساسية في جهاز الكمبيوتر الكَمّي تشمل ما يلي:

الرقاقة الكمّية: تحتوي على الكيوبتات المرتّبة بتكوينات مختلفة تتيح التفاعل بينها. تُعرف أيضًا باسم مستوى البيانات الكمّي، وتُعد "العقل" الذي يدير العمليات داخل جهاز الكمبيوتر الكَمّي.

المعالج الكمّي: يُعد المكوّن المحوري لجهاز الكمبيورت الكمي، ويضم الكيوبتات الفيزيائية والبُنى الداعمة لها. وحدة المعالجة الكمّية (QPU): تشمل الرقاقة الكمّية، وإلكترونيات التحكم، ومكونات الحوسبة التقليدية اللازمة لإدخال البيانات وإخراجها.

يستخدم جهاز الكمبيوتر المكتبي غالبًا مروحة لتبريده بما يكفي للعمل. أما المعالجات الكمّية فتحتاج إلى أن تكون شديدة البرودة — نحو جزء من مئة من الدرجة فوق الصفر المطلق — من أجل تقليل الضجيج وتجنّب فك الترابط للحفاظ على حالتها الكمّية. تُحقَّق هذه الدرجة شديدة الانخفاض من الحرارة باستخدام سوائل فائقة التبريد. وعند هذه الدرجات، تظهر بعض المواد تأثيرًا كمّيًا مهمًا: إذ تتحرك الإلكترونات خلالها دون مقاومة. هذا التأثير يجعلها موصلات فائقة.

عندما تصبح المواد موصلات فائقة، تتزاوج الإلكترونات مُكوّنةً أزواج Cooper. تستطيع هذه الأزواج نقل الشحنة عبر الحواجز أو العوازل من خلال عملية تُعرف باسم النفق الكمّي (Quantum Tunneling). عندما توضع مادتان فائقتا التوصيل على جانبي عازل، فإنهما تشكّلان وصلة Josephson، وهي مكوّن أساسي في عتاد حوسبة Quantum.

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكَمّية دوائر تحتوي على مكثفات ووصلات Josephson كوحدات كيوبت فائقة التوصيل. من خلال إطلاق فوتونات الموجات الصغرية على هذه الكيوبتات، يمكننا التحكم في سلوكها وجعلها تحتفظ بوحدات فردية من المعلومات الكمومية وتغييرها وقراءتها.

لا يزال البحث مستمرًا لتحسين مكونات العتاد الكمّي، لكن هذا لا يُمثّل سوى نصف المعادلة. العنصر الجوهري الذي سيتيح للمستخدمين إدراك قيمة الميزة الكمّية يتمثّل في وجود حزمة برمجيات كمّية عالية الأداء وثابتة، تمكّن من تطوير الجيل القادم من الخوارزميات الكمّية.

في عام 2024، أطلقت IBM أول إصدار مستقر من Qiskit، وهي مجموعة أدوات تطوير برمجيات مفتوحة المصدر (Qiskit SDK 1.x). وبأكثر من 600 ألف مستخدم مسجل، وأكثر من 700 جامعة حول العالم تعتمد عليه في تدريس مقررات حوسبة Quantum، أصبح Qiskit مجموعة البرمجيات الرائدة في هذا المجال.

لكن Qiskit لم يعُد مجرد أشهر برنامج تطوير لتطوير وبناء الدوائر الكمّية فحسب. نحن نعيد تعريف Qiskit ليصبح مجموعة البرمجيات الكاملة لحوسبة Quantum في IBM، من خلال توسيع نطاق Qiskit SDK ليتضمن برامج وسيطة وخدمات تساعد على كتابة البرامج الكمّية وتحسينها وتشغيلها على أنظمة IBM Quantum — بما في ذلك أدوات مساعدة برمجية مدعومة بالذكاء الاصطناعي التوليدي.

تستند حوسبة Quantum إلى مبادئ ميكانيكا الكمّ، التي تشرح كيف تتصرف الجسيمات الدقيقة بشكل مختلف عن الأجسام الكبيرة. لكن بما أن هذه المبادئ تشكّل الأساس الفيزيائي للكون بأكمله، فإن كل نظام — على المستوى الجزيئي — هو نظام كمّي بطبيعته.

ولهذا، يمكن القول إن أجهزة الكمبيوتر التقليدية مبنية على أنظمة كمّية، لكنها لا تستفيد من الخصائص الكمّية أثناء تنفيذ العمليات الحسابية. أما أجهزة الكمبيوتر الكَمّية، فهي مصممة للاستفادة من هذه الخصائص بشكل أعمق، لتنفيذ عمليات حسابية تتجاوز قدرة حتى أجهزة الكمبيوتر الفائقة.

من الآلات القديمة التي اعتمدت على بطاقات التثقيب، إلى أجهزة الكمبيوتر الفائقة الحديثة، لا تزال أجهزة الكمبيوتر التقليدية تعمل بطريقة واحدة تقريبًا. فهي تنفذ الحسابات بشكل متسلسل، وتخزن البيانات باستخدام بِتات ثنائية، كل واحد منها يُمثّل إما 0 أو 1.

وعبر دمج هذه البتات في شيفرة ثنائية، وتنفيذ عمليات منطقية عليها، أصبحت هذه الأجهزة قادرة على كل شيء من الأنظمة التشغيلية الأساسية إلى أعقد العمليات الحسابية الفائقة.

أجهزة الكمبيوتر الكَمّية، مثل نظيراتها التقليدية، مصممة لحل المشكلات. لكنها لا تستخدم البتات، بل تعتمد على الكيوبتات في معالجة البيانات.تُستخدم الكيوبتات لمعالجة البيانات مثل البتات التقليدية؛ لكنها تستفيد من الظواهر الكمّية لتتيح أساليب رياضية أكثر تعقيدًا ونوعًا مختلفًا من الحسابات. وهذا بفضل مفاهيم كمّية مثل التراكب والتداخل التي سبق مناقشتها.

• تُستخدم في أجهزة الكمبيوتر التقليدية ومتعددة الأغراض.
• تعالج المعلومات باستخدام البتات مع عدد منفصل من الاحتمالات، 0 أو 1.

• تُستخدم في أجهزة تعتمد على ميكانيكا الكمّ.
• تعالج المعلومات باستخدام الكيوبتات مثل 0 أو 1 أو تراكب بين 0 و1.
• تعالج البيانات باستخدام المنطق الكمّي من خلال التداخل لإيجاد الحلول.

لا تُجري المعالجات الكمّية العمليات الرياضية بنفس الطريقة التي تعتمدها أجهزة الكمبيوتر التقليدية. فخلافًا لأجهزة الكمبيوتر التقليدية، التي يتعيّن عليها حساب كل خطوة في العملية الحسابية المعقّدة، يمكن للدوائر الكمّية المبنية على الكيوبتات المنطقية معالجة مشكلات معقدة بكفاءة أعلى.

وبينما تميل أجهزة الكمبيوتر التقليدية إلى تقديم إجابة واحدة واضحة، غالبًا ما تقدّم الأجهزة الكمّية الاحتمالية نطاقًا من الإجابات المحتملة. وقد يجعل هذا النطاق من النتائج حوسبة Quantum تبدو أقل دقة من الحوسبة التقليدية. ومع ذلك، في المشكلات شديدة التعقيد التي قد تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكَمّية من حلها قريبًا، قد تُوفّر هذه الطريقة في المعالجة سنواتٍ عديدة — بل مئات الآلاف من السنين — من وقت الحوسبة التقليدية.

عمليًا، تتكامل أجهزة الكمبيوتر الكَمّية والتقليدية وتعمل معًا ضمن مهام سير عمل موحّدة لحل المشكلات. وتوزّع أكثر الطرق كفاءةً أجزاء العمليات الحسابية على النحو التالي: المهام التي تُجيدها حوسبة Quantum تُخصَّص للموارد الكمّية، في حين تُخصَّص المهام التي تُجيدها الحوسبة التقليدية للموارد التقليدية.

وعند الوصول إلى أجهزة كمبيوتر كَمّية متكاملة تعمل جنبًا إلى جنب مع أجهزة كمبيوتر تقليدية فائقة الأداء، ستكون هذه البنية المدمجة أكثر تفوقًا من الاعتماد على الحوسبة التقليدية وحدها — خاصة في مشكلات معينة مثل تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها. لكن حوسبة Quantum ليست الحل الأمثل لكل المشكلات — بل ليست الأمثل حتى لغالبية المشكلات.

في معظم أنواع المهام والمشكلات، يُتوقع أن تظل الحوسبة التقليدية هي الخيار الأفضل. لكن عندما يواجه العلماء والمهندسون مشكلات معقدة للغاية، تظهر قوة حوسبة Quantum. في هذه الحالات من الحسابات المعقّدة، لا يمكن حتى لأقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية أن تضاهي إمكانات حوسبة Quantum. ويرجع ذلك إلى أن أقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة الحالية لا تزال أجهزة تعتمد على التعليمات البرمجية الثنائية وتقنيات تعود إلى القرن العشرين.

تُعد المشكلات المعقدة هي التي تحتوي على عدد كبير من المتغيرات التي تتفاعل بطرق معقدة. على سبيل المثال، يُعتبر نمذجة سلوك الذرات داخل جزيء معين مشكلة معقدة بسبب التفاعلات المتعددة بين الإلكترونات. كما أن الكشف عن ظواهر فيزيائية جديدة داخل مصادم جسيمات يُعد مثالًا آخر على مشكلة معقّدة. وهناك بعض المشكلات المعقدة التي لا نعرف حتى الآن كيف نحلّها باستخدام الحوسبة التقليدية ضمن نطاق عملي.

قد يكون الكمبيوتر التقليدي فعالًا في مهام صعبة مثل فرز قاعدة بيانات ضخمة من الجزيئات، لكنه يواجه صعوبات في حلّ مشكلات أكثر تعقيدًا، مثل محاكاة كيفية تفاعل تلك الجزيئات.

واليوم، إذا أراد العلماء معرفة كيفية تصرّف جزيء معيّن، فعليهم تصنيع الجزيء وإجراء التجارب عليه في العالم الواقعي. وإذا أرادوا معرفة كيف سيؤثر تعديل بسيط في تركيبه، فعليهم غالبًا تصنيع النسخة المعدّلة وإعادة إجراء التجربة من جديد. وهذه عملية مكلفة وتستغرق وقتًا طويلًا، مما يعيق التقدّم في مجالات متنوعة مثل الطب وتصميم أشباه الموصلات.

قد يحاول كمبيوتر فائق تقليدي محاكاة سلوك الجزيئات باستخدام أسلوب التجربة والخطأ، عبر تشغيل عدد كبير من المعالجات لاستكشاف كل سيناريو محتمل لتصرف كل جزء من الجزيء. لكن مع التقدّم نحو جزيئات أكثر تعقيدًا، تتباطأ قدرة الكمبيوتر الفائق على المتابعة. لا يستطيع أي جهاز كمبيوتر تقليدي معالجة جميع التركيبات المحتملة لسلوك الجزيئات باستخدام الطرق المعروفة حاليًا.

تقدّم الخوارزميات الكمّية منهجًا مختلفًا للتعامل مع هذا النوع من المشكلات المعقّدة، من خلال إنشاء فضاءات حسابية متعددة الأبعاد تُنفَّذ فيها الخوارزميات بطريقة تحاكي سلوك الجزيئات نفسها. ويُعد هذا الأسلوب أكثر كفاءة في حلّ المشكلات المعقّدة مثل المحاكاة الكيميائية.

ولتقريب الصورة: يحتاج الكمبيوتر التقليدي إلى إجراء الحسابات لمعرفة كيف سيتصرف الجزيء. أما جهاز الكمبيوتر الكَمّي، فلا يحتاج إلى ذلك. بل يمكنه محاكاة النظام الجزيئي مباشرة.

كما أن الخوارزميات الكمّية قادرة على معالجة البيانات بطرق تعجز عنها أجهزة الكمبيوتر التقليدية، مما يوفّر بنية جديدة ورؤى مبتكرة.

رغم أن الفكرة ظهرت نظريًا في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، فإن أول تطبيق عملي واقعي لأجهزة كمبيوتر كَمّية مفترضة لم يظهر إلا في عام 1994، عندما نشر عالم الرياضيات Peter Shor خوارزمية تحليل الأعداد إلى عواملها. أظهرت خوارزمية Shor كيف يمكن لجهاز كمبيوتر كَمّي افتراضي أن يكسر أنظمة التشفير الأكثر تقدمًا في ذلك الوقت — ولا يزال بعضها مستخدمًا حتى اليوم. وقد أثبتت نتائج Shor أن لحوسبة Quantum تطبيقًا واقعيًا ممكنًا، وينطوي على آثار كبيرة لا تقتصر على الأمن السيبراني فحسب، بل تمتد إلى العديد من القطاعات الأخرى.

وتدرس شركات الهندسة، والمؤسسات المالية، وشركات الشحن العالمية، من بين جهات أخرى، سيناريوهات يمكن أن تحل فيها أجهزة الكمبيوتر الكَمّية مشكلات جوهرية في مجالاتها. وتلوح في الأفق فوائد ضخمة نتيجة لأبحاث وتطوير حوسبة Quantum. ومع تطوّر مكونات العتاد الكمّي وتقدّم الخوارزميات الكمّية، قد نتمكن قريبًا من إيجاد حلول جديدة لمشكلات كبرى، مثل محاكاة الجزيئات، وإدارة البنية التحتية للطاقة، ونمذجة الأسواق المالية.

تتفوّق أجهزة الكمبيوتر الكَمّية في معالجة بعض المشكلات المعقّدة التي تتضمن عددًا كبيرًا من المتغيرات. من صناعة أدوية جديدة، إلى تحسينات في تصميم أشباه الموصلات، والتعامل مع تحديات الطاقة المعقّدة — قد تمثل حوسبة Quantum عاملاً محوريًا في تحقيق تقدّم في العديد من الصناعات الحيوية.

رغم أن حوسبة Quantum لم تعد مجرّد نظرية، إلا أنها لا تزال قيد التطوير. وفي الوقت الذي يسعى فيه العلماء حول العالم إلى اكتشاف تقنيات جديدة لتحسين السرعة والقوة والكفاءة في أجهزة الكمبيوتر الكَمّية، تقترب التقنية من نقطة تحوّل محورية. نفهم تطوّر حوسبة Quantum المفيدة من خلال مفهومي المنفعة الكمّية والميزة الكمّية.

تشير المنفعة الكمّية إلى أي عملية كمّية توفّر حلولًا دقيقة وموثوقة لمشكلات تتجاوز قدرة أجهزة المحاكاة التقليدية التي تعتمد على أسلوب التجربة والخطأ. في السابق، كانت هذه المشكلات لا تُعالج إلا باستخدام أساليب التقريب التقليدية — وغالبًا ما تكون أساليب مخصّصة بعناية تستفيد من البُنى الفريدة للمشكلة المحددة. في عام 2023، قدّمت IBM أول إثبات لمفهوم المنفعة الكمّية.

بمفهومها العام، تصف الميزة الكمّية الحالة التي يمكن فيها للتقنية الكمّية تقديم حل أفضل أو أسرع أو أقل تكلفة من جميع الأساليب التقليدية المعروفة. يُفترض أن تكون الخوارزمية التي تُظهر ميزة كمّية على جهاز كمبيوتر كَمّي قادرة على تحقيق فائدة عملية كبيرة مقارنة بجميع طرق الحوسبة التقليدية المعروفة. تتوقّع IBM أن تتحقق أولى حالات الميزة الكمّية بحلول نهاية عام 2026، في حال تعاون مجتمعي حوسبة Quantum والحوسبة عالية الأداء معًا.

وبما أن حوسبة Quantum تُشكّل الآن بديلًا قابلًا للتطبيق في بعض المسائل مقارنة بأساليب التقريب التقليدية، يقول الباحثون إنها أداة مفيدة في الاستكشاف العلمي، أي أنها تتمتّع بمنفعة. لكن المنفعة الكمّية لا تُعدّ إثباتًا على أن الأساليب الكمّية حقّقت تفوّقًا مثبتًا في السرعة على جميع الأساليب التقليدية المعروفة. وهذه نقطة فارقة مهمّة تميّزها عن مفهوم الميزة الكمّية.

قدّمت IBM مقياسين جديدين لتقييم أداء أجهزة الكمبيوتر الكَمّية: دقة الطبقة وعدد عمليات طبقات الدوائر في الثانية (CLOPS).

تُعدّ دقة الطبقة من المقاييس القيّمة للغاية، إذ تتيح تقييم قدرة المعالج الكمّي بالكامل على تشغيل الدوائر الكمّية، مع توفير معلومات حول الكيوبتات الفردية، والبوابات، وتداخل الإشارات (Crosstalk). ومن خلال تنفيذ بروتوكول دقة الطبقة، يمكن للباحثين تقييم الجهاز الكمّي ككل، إلى جانب الحصول على بيانات تفصيلية حول الأداء ومعدّلات الخطأ في المكوّنات الفردية.

إلى جانب دقة الطبقة، حدّدت IBM مقياسًا للسرعة يُعرف باسم عدد عمليات طبقات الدوائر في الثانية (CLOPS). يقيس معيار CLOPS حاليًا مدى سرعة تشغيل المعالجات لسلاسل من دوائر الحجم الكمّي، ويُعدّ مؤشرًا على السرعة الشاملة للنظام، لكونه يجمع بين مكوّنات الحوسبة الكمّية والتقليدية.

توفّر دقة الطبقة وCLOPS معًا أسلوبًا جديدًا وأكثر فائدة لتقييم الأنظمة، يستهدف من يعملون على تطوير العتاد الكمّي أو استخدامه. وتُسهّل هذه المقاييس مقارنة الأنظمة ببعضها البعض، أو مقارنة أنظمة IBM بأنظمة أخرى، كما تعكس مكاسب الأداء عبر مستويات مختلفة.

ويُعدّ عمق الدوائر الكمّية (Circuit Depth) من القدرات المحورية التي تميّز وحدة المعالجة الكمّية. يُستخدم عمق الدوائر الكمّية كمقياس لعدد عمليات تنفيذ البوابات الكمّية بالتوازي—أي عدد الخطوات في الدائرة الكمّية—التي يمكن لوحدة المعالجة الكمّية تنفيذها قبل أن تفقد الكيوبتات ترابطها. كلما زاد عمق الدائرة، زادت قدرة جهاز الكمبيوتر على تشغيل دوائر أكثر تعقيدًا.

اليوم، تصنع شركات مثل IBM وGoogle وMicrosoft وD-Wave وRigetti Computing وغيرها أجهزة كمّية حقيقية. أدوات متقدمة كانت في الماضي محض نظرية قبل أربعة عقود أصبحت الآن متاحة لمئات الآلاف من المطوّرين. يواصل المهندسون تقديم معالجات كمّية فائقة التوصيل أكثر قوة بشكل منتظم، إلى جانب تطورات حاسمة في البرمجيات والتنسيق بين الحوسبة التقليدية وحوسبة Quantum. هذا العمل يدفع نحو تحقيق سرعة وقدرة معالجة في حوسبة Quantum كفيلة بإحداث تغيير عالمي.

والآن بعد أن أصبح المجال يتمتّع بمنفعة كمّية، يعمل الباحثون على تعزيز فائدة أجهزة الكمبيوتر الكَمّية المتقدمة. وقد حدّد باحثو IBM Quantum وآخرون مجموعة من التحديات الأساسية لتطوير المنفعة الكمّية والوصول المحتمل إلى الميزة الكمّية:

1. توسيع نطاق المعالجات الكمية: رغم أن معالجات الكيوبتات المستخدمة في حوسبة Quantum تُظهر قدرة هائلة على التفوّق على المعالجات التقليدية القائمة على البتات، إلا أن المعالجات الكمّية الحالية لا تزال تدعم عددًا محدودًا فقط من الكيوبتات المحتملة. ومع تقدّم الأبحاث، تخطط IBM لتقديم نظام كمّي يحتوي على 200 كيوبت منطقي قادر على تنفيذ 100 مليون بوابة كمّية بحلول عام 2029، مع هدف مستقبلي يتمثل في 2,000 كيوبت منطقي قادر على تنفيذ مليار بوابة كمّية بحلول عام 2033.
2. توسيع نطاق العتاد الكمّي: على الرغم من أن الكيوبتات تُعدّ مكوّنات قوية، فإنها أيضًا عرضة للخطأ بدرجة عالية، مما يتطلب وجود أنظمة تبريد متقدّمة قادرة على توليد درجات حرارة أقل من درجة حرارة الفضاء الخارجي. ويعمل الباحثون حاليًا على تطوير أساليب لتوسيع نطاق الكيوبتات، والإلكترونيات، والبنية التحتية، والبرمجيات بهدف تقليص البصمة، وخفض التكلفة، وتقليل استهلاك الطاقة.
3. تصحيح الأخطاء الكمية: يُعدّ فك الترابط، وهي العملية التي تفقد فيها الكيوبتات قدرتها على العمل بشكل سليم وتنتج عنها نتائج غير دقيقة، من أبرز العوائق التي تواجه أي نظام كمّي. ويستدعي تنفيذ تصحيح الأخطاء الكمّية تشفير المعلومات الكمّية باستخدام عدد من الكيوبتات يفوق العدد المطلوب عادةً لتنفيذ عملية أخرى. وفي عام 2024، أعلنت IBM عن شفرة جديدة لتصحيح الأخطاء الكمّية تُعدّ إنجازًا مهمًا، حيث تتميّز بفعالية أعلى بنحو 10 أضعاف مقارنة بالأساليب السابقة. ورغم استمرار وجود تحديات تتعلّق بتطبيق رموز تصحيح الأخطاء وتنفيذ الحسابات على المعلومات الكمّية المشفّرة، فإن هذه الشفرة الجديدة تُمثّل مسارًا واضحًا نحو تشغيل دوائر كمّية تحتوي على مليار بوابة منطقية أو أكثر.
4. اكتشاف الخوارزمية الكمية: تتطلّب الميزة الكمّية توفّر عاملين أساسيين: العامل الأول هو دوائر كمّية قابلة للتنفيذ. والعامل الثاني هو وسيلة لإثبات أن هذه الدوائر الكمّية تتفوق على جميع الأساليب التقليدية المعروفة في حل مشكلة كمّية معيّنة. ويُعدّ اكتشاف الخوارزميات الكمّية هو ما سينقل حوسبة Quantum من مرحلة المنفعة الكمّية إلى الميزة الكمّية.
5. البرمجيات والطبقات الوسيطة الكمّية: لكي تُحقق حوسبة Quantum الميزة الكمّية، فهي بحاجة إلى حزمة برمجيات عالية الأداء ومستقرة لكتابة البرامج الكمّية وتحسينها وتنفيذها. يُعد Qiskit من IBM، وهو مفتوح المصدر ومكتوب بلغة Python، أكثر مجموعة تطوير برمجيات استخدامًا على الإطلاق في العالم. ويُستخدم Qiskit لتشغيل البرامج الكمّية على مجموعة IBM من أجهزة الكمبيوتر الكَمّية فائقة التوصيل، بالإضافة إلى الأنظمة التي تعتمد تقنيات أخرى مثل الأيونات المحتجزة في حقول مغناطيسية أو التلدين الكمّي.
6. الحوسبة الفائقة المرتكزة على الكمّ: خلال المستقبل المنظور، ستظل حوسبة Quantum تعمل بالتكامل مع الحوسبة الفائقة التقليدية الحديثة والمستقبلية لتحقيق فائدتها المرجوة. استعدادًا لذلك، يستعد الباحثون في مجال الكمّ لعالم يمكن فيه لأجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية الاستفادة من الدوائر الكمّية للمساعدة في حل المشكلات.