ما المقصود بالكيوبت؟

يُنسَب مصطلح "كيوبت" إلى الفيزيائي النظري الأمريكي Benjamin Schumacher. يتم إنشاء الكيوبتات عادةً -وإن لم يكن ذلك على نحو حصري- من خلال التلاعب بالجسيمات الكمّية وقياسها، وهي أصغر اللبنات المعروفة في الكون المادي، مثل الفوتونات والإلكترونات والأيونات المحصورة والدوائر فائقة التوصيل والذرات.

بفضل الخصائص الفريدة للميكانيكا الكمّية، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمّية الكيوبتات لتخزين قدر أكبر من البيانات مقارنةً بالبتات التقليدية، وتحسين الأنظمة التشفيرية بشكل كبير، وتنفيذ عمليات حسابية متقدمة للغاية كانت ستستغرق آلاف السنين -أو تكون مستحيلة- حتى على أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية.

بفضل قوة الكيوبتات، قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمّية قريبًا عنصرًا محوريًا في معالجة العديد من أكبر تحديات البشرية، بما في ذلك أبحاث السرطان وغيرها من الأبحاث الطبية، وتغيّر المناخ، والتعلم الآلي، والذكاء الاصطناعي.

باعتبارها الجيل التالي من قدرات الحوسبة، تستخدم الحوسبة الكمّية تقنيات متخصصة -تشمل أجهزة كمبيوتر وخوارزميات تستفيد من مبادئ الميكانيكا الكمّية- لحل المشكلات المعقّدة التي تعجز أجهزة الكمبيوتر التقليدية أو أجهزة الكمبيوتر الفائقة عن حلها، أو لا تتمكّن من حلها بالسرعة المطلوبة.

تم اقتراح فكرة الكمبيوتر الكمّي لأول مرة في الثمانينيات، ومنذ ذلك الحين قطع تطويره شوطًا طويلًا انتقل فيه من النظرية البحتة إلى تطبيقات الأجهزة العملية. اليوم، تُتيح IBM® Quantum أجهزة كمّية حقيقية -أداة لم يبدأ العلماء بتخيلها إلا قبل ثلاثة عقود- لمئات الآلاف من المطورين.

عندما يواجه الفيزيائيون والمهندسون مشكلات صعبة، يلجؤون إلى أجهزة الكمبيوتر الفائقة. مع ذلك، حتى أجهزة الكمبيوتر الفائقة تعتمد على الكود الثنائي وتكنولوجيا الترانزستور الخاصة بالقرن العشرين، وتجد صعوبة في حل المشكلات شديدة التعقيد.

تخضع أجهزة الكمبيوتر التقليدية هذه أيضًا لقيود مادية، مثل ارتفاع الحرارة، ما يفرض حدودًا صارمة على قدرتها في معالجة المعلومات. هناك بعض المشكلات المعقدة، مثل نمذجة الذرات الفردية في الجزيء، التي لا نعرف كيفية حلها باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية بأي مستوى من الحجم.

تحدِّد قوانين الميكانيكا الكمّية ترتيب العالم الطبيعي. ينبغي أن تكون أجهزة الكمبيوتر التي تُجري الحسابات باستخدام الحالات الكمّية للكيوبتات، في كثير من الحالات، أفضل أدواتنا لفهم العالم وحل أعقد مشكلاتنا.

عند دراسة أجهزة الكمبيوتر الكمّية، من المهم فهم أن الميكانيكا الكمّية تختلف عن الفيزياء التقليدية. يمثِّل وصف سلوك الجسيمات الكمّية تحديًا فريدًا، إذ إن معظم النماذج الشائعة لفهم العالم الطبيعي تفتقر إلى مفردات تمكِّنها من إدراك السلوكيات التي تبدو غير بديهية للجسيمات الكمّية.

هناك أنواع عديدة من البتات والكيوبتات، لكن يجب على جميع الكيوبتات الالتزام بقوانين الفيزياء الكمّية والقدرة على التواجد في حالة التراكب الكمّي.

يمكن للبت الكلاسيكي أن يتواجد فقط في الحالة 0 أو الحالة 1. ومع ذلك، يمكن للكيوبتات أن تتواجد أيضًا في حالة ثالثة تُعرَف باسم التراكب. يمثِّل التراكب الكمّي الحالة 0 والحالة 1 وجميع الحالات الوسيطة في آن واحد، ليشكِّل بذلك ثلاثة مواضع منفصلة.

رغم أن الكيوبتات يمكنها تمثيل ثلاث حالات منفصلة، فإنه لا يزال يتم استخدامها لنقل المعلومات عبر النظام الثنائي. في مثل هذه الأنظمة، يمكن أن يشير مصطلح البت إلى المادة أو العملية المستخدمة لتمثيل 0 أو 1، أو إلى قياس هذا البت نفسه (أي ما إذا كان 0 أو 1).

في الحوسبة التقليدية أو الكلاسيكية، يمكن اعتبار البت الواحد وحدة من المعلومات الثنائية، يُرمز لها باسطة 0 أو 1. وعادةً ما تمثِّل أجهزة الكمبيوتر الحديثة البتات عبر جهد كهربائي أو نبضة تيار، أو عبر الحالة الكهربائية لدائرة التقليب (flip-flop).

في هذه الأنظمة، عندما لا يتدفق التيار، تُعَد الدائرة في حالة إيقاف، ويتم تمثيل هذه الحالة بالرقم 0. وعندما يتدفق التيار، تُعَد الدائرة في حالة تشغيل، ويتم تمثيل هذه الحالة بالرقم 1.

مصطلح "بت" هو اختصار لكلمة "رقم ثنائي" (binary digit)، وتشكِّل البتات الثنائية الأساس الجوهري لجميع أنظمة الحوسبة. سواء عند تسجيل فيديو رقمي، أو تحريك نموذج ثلاثي الأبعاد، أو استخدام تطبيق حاسبة، فإن جميع البيانات -من أنظمة التشغيل إلى البرمجيات- مبنية على الكود الثنائي، وهو مجموعة من البتات.

يتكون البايت في الكمبيوتر من ثمانية بتات، وهو الحد الأدنى من البتات اللازمة لتمثيل حرف نصي واحد في النظام الثنائي.

يمكن تمثيل البتات كهربائيًا، عن طريق تشغيل (أو عدم تشغيل) التيار عبر شريحة السيليكون، على سبيل المثال. يمكن أيضًا تمثيل البتات ماديًا، على شكل ثقب أو غياب ثقب في قطعة من الورق، كما كان مستخدمًا في الحوسبة باستخدام البطاقات المثقوبة القديمة.

يمكن استخدام أي نظام ثنائي المستوى حيث يمكن وصف حالة النظام في أحد موضعين محتملين فقط (على سبيل المثال، لأعلى أو لأسفل، أو لليسار أو لليمين، أو تشغيل أو إيقاف) لتمثيل بت.

في حين تستخدم تقنيات الكم الكود الثنائي، فإن البيانات الكمّية المستمدة من نظام كمّي -مثل كيوبت- تشفِّر البيانات بشكل مختلف عن البتات التقليدية، مع بعض المزايا الرائعة. وضع الباحثون طرقًا متعددة إما لإنشاء الكيوبتات أو لاستخدام الأنظمة الكمّية الطبيعية ككيوبتات. ومع ذلك، في جميع الحالات تقريبًا، تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمّية تبريدًا شديدًا لعزل البتات الكمّية ومنع التداخل.

من الناحية النظرية، يمكن استخدام أي نظام كمّي ذي مستويين لإنشاء كيوبت. يتم وصف النظام الكمّي بأنه ثنائي المستويات عندما يمكن قياس بعض خصائصه في مواضع ثنائية، مثل أعلى أو أسفل. يمكن أيضًا استخدام الأنظمة الكمّية متعددة المستويات لإنشاء كيوبتات، طالما يمكن عزل جانبين من هذا النظام بشكل فعَّال لإنتاج قياس ثنائي.

وكما تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية استخدام أنواع متعددة من البتات -مثل التيار الكهربائي أو الشحنة الكهربائية أو الثقوب المثقوبة (أو غير المثقوبة) في بطاقات التثقيب- يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمّية استخدام أنواع متعددة من البتات. بعض أنواع البتات تكون أكثر ملاءمة لوظائف محددة، ومن المرجح أن يستخدم الكمبيوتر الكمّي المتقدم مجموعة من أنواع البتات المختلفة لأداء عمليات متنوعة.

بما أن كل بت يمكن أن يمثِّل 0 أو 1، فإن دمج بتّين معًا يسمح بإنشاء ما يصل إلى أربع تركيبات ثنائية فريدة:

1. 00
2. 01
3. 10
4. 11

في حين أن كل بت يمكن أن يكون إما 0 أو 1، يمكن أن يكون الكيوبت واحدًا إما 0، أو 1، أو تراكبًا. يمكن وصف التراكب الكمّي بأنه يمثِّل كلًا من 0 و1، أو جميع الحالات الممكنة بينهما، لأنه في الواقع يعكس احتمال حالة الكيوبت.

على المستوى الكمّي، يتم قياس احتمالية الكيوبت كدالة موجية. يمكن استخدام سعة احتمالية كيوبت لتشفير أكثر من بت واحد من البيانات وإجراء حسابات معقدة للغاية عند دمجها مع كيوبتات أخرى.

عند معالجة مشكلة معقدة، مثل تحليل عدد أولي كبير، تصبح البتات التقليدية مقيدة بحمل كميات كبيرة من المعلومات. تتصرف البتات الكمّية بشكل مختلف. نظرًا لأن الكيوبتات قادرة على احتواء التراكب الكمّي، فإن الكمبيوتر الكمّي الذي يستخدم الكيوبتات يستطيع معالجة حجم أكبر بكثير من البيانات.

كتشبيه مفيد لفهم البتات مقابل الكيوبتات، تخيَّل أنك تقف في مركز متاهة معقدة. وللهروب من المتاهة، يتعيّن على الكمبيوتر التقليدي أن يستخدم "القوة الغاشمة" لحل المشكلة، محاولًا استخدام كل تركيبة ممكنة من المسارات للعثور على المخرج. هذا النوع من أجهزة الكمبيوتر يستخدم البتات لاستكشاف مسارات جديدة وتسجيل المسارات التي تؤدي إلى طرق مسدودة.

بالمقارنة، يمكن للحاسوب الكمّي، بشكل مجازي، أن يحصل في الوقت نفسه على رؤية شاملة للمتاهة، ويختبر مسارات متعددة في آن واحد، ليكشف الحل الصحيح. ومع ذلك، فإن الكيوبتات لا "تختبر مسارات متعددة" في وقت واحد. بل يعمل جهاز الكمبيوتر الكمّي على قياس سعات الاحتمال المرتبطة بالكيوبتات لتحديد النتيجة.

وبما أن هذه السعات تعمل مثل الموجات، فإنها تتداخل وتتراكب مع بعضها أيضًا. عندما تتداخل الموجات غير المتزامنة، يتم عمليًا استبعاد الحلول الممكنة للمشكلات المعقدة، وتُظهر الموجة أو الموجات المتماسكة الناتجة الحل الصحيح.

تم وصف التشابك الكمّي لأول مرة بواسطة Einstein بأنه "تأثير مخيف عن بُعد"، وهو ظاهرة تتشابك فيها وحدتا كيوبت (أو أي جسيمين كمّيين أو أكثر) بحيث لا يمكن وصف حالة أحدهما بمعزل عن حالة الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما.

عندما تتشابك وحدتا كيوبت، تبقيان في حالة تراكب كمّي حتى يتم قياس أيّ منهما. عند الملاحظة، ينهار التراكب الكمّي لكل منهما، ويأخذ أي كيوبت لم تتم ملاحظته الحالة المعاكسة للكيوبت الذي تمت ملاحظته.

على سبيل المثال، إذا تم قياس إحدى وحدتي الكيوبت المتشابكتين وكانت موجودة في الحالة 1، يمكن قياس الكيوبت الأخرى فورًا في الحالة 0. وتبقى آثار التشابك الكمّي واسعة بقدر ما يظل فهمنا لهذه الظاهرة محدودًا. ويكفي أن نقول إن البتات التقليدية لا تتشابك.

بهذه الطريقة، يبدو أن الكيوبتات المتشابكة قادرة على نقل المعلومات عبر مسافات تصل إلى سنوات ضوئية بشكل لحظي، أسرع من سرعة الضوء. رغم أن الكيوبتات لا تنقل البيانات فعليًا أسرع من الضوء، فإن التشابك الكمّي يمكن أن يزيد بشكل كبير من قوة الدوائر الكمّية.

بما أن أي نظام كمّي ثنائي المستويات يمكن استخدامه لإنشاء كيوبت، هناك العديد من أنواع الكيوبتات التي يتم تطويرها حاليًا من قِبل الباحثين، وبعض الكيوبتات أكثر ملاءمة لتطبيقات محددة.

رغم قوتها، فإن الكيوبتات حساسة جدًا وسريعة التأثر. ولكي تعمل، يجب تبريد الكيوبتات إلى درجة حرارة أعلى قليلًا من الصفر المطلق، أي أقل حرارة من الفضاء الخارجي.

يُقال إن الجسيمات الكمّية تتمتع بالتماسك عندما تكون محكومة بشكل كافٍ لتعمل ككيوبتات. عندما يفقد الكيوبت هذه القدرة، يوصف بأنه غير مترابط. يُعَد التبريد عالي القدرة المطلوب لإنتاج حالة الترابط للكيوبتات الوظيفية تحديًا كبيرًا في مجال الحوسبة الكمّية.

حتى في ظل الظروف الأكثر برودة، تكون أنظمة الكيوبت أيضًا عرضة بشكل عام للفشل الناتج عن فقدان الترابط. لحسن الحظ، فإن التقدم في مجال تصحيح الأخطاء الكمّية الخوارزمية الناشئ قد يُتيح استقرار الأنظمة الكمّية التي كانت هشة سابقًا.