الحوسبة الكمومية | معلومات الكم | حساب الكم | خوارزمية الكم، كبداية أولى لرحلة التعلم المرتقبة على المستوى المتوسط ، تعد مقدمة الحوسبة الكمومية موضوعا رائعا إلى حد ما للمناقشة.
طريق إلى الحوسبة الكمومية
تم التفكير في حساب كمي محتمل لأول مرة في عام 1959 من قبل الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان. اقترح فكرة حيث يمكن أن يكون لتأثيرات ميكانيك الكم تأثير مباشر على تكنولوجيا الكمبيوتر وتطبيقه.
كان العديد من الباحثين يسعون جاهدين أيضاً لاسترداد استخدام ظواهر الفيزياء الحديثة الشائعة التي تسمى التراكب لاستخدامها في تطوير الكمبيوتر.
كان هناك عدد من التجارب التي أجراها خبراء في جميع أنحاء العالم خاصة في التسعينيات حيث تم تحسين نظرية الكمبيوتر الكمومي. قام ديفيد دويتش David Deutsch من جامعة أكسفورد عام 1985 ببناء بوابات منطقية كمومية لحاسوب كمي عالمي.
وبعد عشر سنوات تقريبا، رسم بيتر شور من AT&T خوارزمية مكونة من ستة كيوبتات حاسوب كمي لتحليل إلى عوامل الأرقام.
استمرت التجارب الأساسية حتى أواخر التسعينيات عندما تم إجراء العديد من التجارب الواعدة بنجاح بواسطة إسحاق تشوانغ (مختبر لوس ألاموس الوطني) ونيل جيرشينفيلد (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا).
تمكنوا من بناء كمبيوتر كمي 2 كيوبت عن طريق إذابة جزيئات الكلوروفورم (CHCL3) في درجة حرارة الغرفة وتوجيه نوى الكربون والهيدروجين التي تدور عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي خارجي.
تعريف
يمكن قول الكمبيوتر الكمومي بشكل مبسط على أنه تقنية حوسبة من المستوى التالي تستخدم تأثيرات ميكانيكا الكم بدلاً من النظام الثنائي الإلكتروني الكلاسيكي.
بشكل أساسي، يتمثل مفهوم الحوسبة الكمومية في تسخير ما يسمى بالتأثير الغريب للتراكب من أجل الحساب.
بت الكم
يستخدم الكمبيوتر الكلاسيكي بت (ثنائي) كتمثيل للنظام الرقمي داخل الكمبيوتر ومفهوم أساسي لشرح كيفية إجراء الحساب. لذا، كالحاسب الكلاسيكي، للحاسوب الكمومي مفهومه الخاص في الحوسبة المتداولة: بت الكم (كيوبت).
على عكس البت الثنائي الكلاسيكي حيث يمكن أن يكون هناك حالة واحدة فقط إما 1 أو 0 في كل مرة ، يمكن للكيوبت ، نظريا، أن يكون في حالتين مختلفتين، يُشار إليها بـ | 0> و | 1> في نفس الوقت،
مكتوبة بترميز ديراك الذي يتوافق إلى حالة 0 و 1 في النظام الثنائي الكلاسيكي. تُعرف هذه الظاهرة عموما بالمجموعات الخطية للحالات، أو التراكبات، معبرا عنها باتباع المعادلة الرياضية:
| ψ> = α | 0> + β | 1>
معلومات الكم
يمكن تصنيف المعلومات الكمية عمومًا إلى طريقتين في سياق المناقشة حولها.
الأول هو الفهم الواسع الذي يغطي الاستخدام الكامل للمعلومات الكمية في نطاق الحساب الكمي، والانتقال الآني الكمي، ونظرية عدم الاستنساخ.
يشمل الثاني استخداما أكثر تحديدا لمصطلح المعلومات الكمية الذي يشير إلى تحليل مهام معالجة المعلومات الكمية الأولية.
بغض النظر، يمكن تفسير المعلومات الكمومية ببساطة على أنها عنصر موحد يجمع ثلاثة أعمال علمية أساسية:
أ. تحديد الفصول الابتدائية للموارد الثابتة في ميكانيك الكم.
ب. تحديد الفصول الابتدائية للعملية الديناميكية في ميكانيك الكم.
ج. دراسة حساب الموارد لقناة الاتصال الصاخبة المستخدمة لنقل عنصر الكم.
الخلفية العلمية الأساسية
كما هو معروف في نظرية الكم، لا يكون بالضرورة جسيما أو كائنا واحدا في حالة معينة، بدلاً من ذلك، يمكن أن يكون في أي من حالتين في نفس الوقت.
من الواضح أن ميكانيكا الكم والفيزياء النظرية والمعرفة المتعمقة للجبر الخطي هي أسس لبوابة الحوسبة الكمومية.
ومع ذلك، فإن المفهوم متعدد التخصصات المعتمد على تلك المجالات هو عمليا أكثر موثوقية بالنسبة لشخص ما لفهم الفكرة العلمية للحوسبة الكمومية.
على الرغم من أن النظام الحسابي الكمي القائم على أشباه الموصلات ليس ممكنا بعد، يتم إجراء بعض التجارب الجذرية لضمان توافق مفهوم وإدراك الحوسبة الكمومية.
كما هو مذكور في النقاط السابقة، تم إجراء واحدة من أهم التجارب العلمية المتعلقة بالحوسبة الكمومية بواسطة Isaac C و Neil G. و Mark K، من خلال إجراء معالجة فيزيائية للتفاعل الكيميائي لجزيئات الكلوروفورم (CHCL3) في التسعينيات.
نتج عن هذا العمل المختبري بعد ذلك أول كمبيوتر كمي معروف بسعة 2 كيوبت والذي يكون قادرا بشكل كافٍ على المضي قدما في تحميل البيانات وتوليد حل. لقد تمكنوا من تنفيذ فكرة العملية الكمومية عمليا إلى التشابك الكمي للترابط النانوي،
على الرغم من عدم قدرته على حساب مهمة ذات مغزى. يفكر الكثيرون في أن عملية المستوى دون الذري هي الطريقة الوحيدة لتحقيق الحوسبة الكمومية،
وبدلاً من ذلك ذهبوا إلى النهج الكيميائي حيث قاموا بإنشاء محلول جزيئات الكلوروفورم في ماء درجة حرارة الغرفة ثم غيروا اتجاه الدوران لنظير الكربون 13 ونواة الهيدروجين باستخدام المجال المغناطيسي.
تم اعتبار الدوران المتوازي المتولد للحقل المغناطيسي المحدد على أنه 1 والدوران المعاكس أو المضاد للتوازي 0 ، في حين تم تفسير نظير الكربون ونواة الهيدروجين على أنه نظام 2 كيوبت.
مبدأ العمل
حساب الكم
إن ما يسمى بلغة الحوسبة الكمومية يُقصد بها وصف العملية في الحوسبة الكمومية. يقول هذا المفهوم بشكل أساسي أنه بدلاً من استخدام الدوائر الكهربائية المبنية من بوابات IC المنطقية،
يقوم الكمبيوتر الكمي بإجراء حساب باستخدام دائرة كمومية تحتوي على بوابات كمومية لمتابعة المعلومات والمهام.
هناك طريقتان أساسيتان أو نمذجة لكيفية معالجة الكمبيوتر الكمومي للخطوات الحسابية والمنطق في حل مستوى معين من المشكلة باستخدام سجل الكيوبتات: آلة تورينج الكمومية ونموذج الدائرة الكمومية.
تُفهم الدائرة الكمومية أساسا على أنها بوابات كمومية تحل محل الدائرة الكلاسيكية في موضع البوابات الرقمية AND و OR و NOT. من الناحية الفنية، تتكون الدائرة الكمومية من تسلسل من البوابات الكمومية.
بعض الأمثلة هي بوابة bitflip X، بوابة الانزلاق المرحلية Z ، بوابة Hadamard H، مع واحدة من أكثرها شيوعًا في عملية 2-qubit يتم التحكم فيها- NOT (CNOT).
يتم استخدام تفسيرات البوابات الكمومية في عملية الحوسبة الكمومية للمعلومات بشكل مختلف مع مصفوفات البوابة الكلاسيكية التي تؤلف فقط حالة رقمية ثابتة معينة في ناقل أساس قياسي،
على عكس التراكبات. تؤدي البوابات الكمومية المذكورة أعلاه، من خلال قناة اتصال صاخبة، عمليات حسابية تعطي المزيد من الديناميكيات الممكنة للتوازي مع الحالة الكمية.
لذلك ، من المفهوم أعلاه ، يتم شرح آلة تورنج الكمومية على أنها نظام حسابي يستخدم الدائرة الكمية في حل المهام العددية والمنطقية بشكل مشابه مع آلة تورينج الكلاسيكية.
خوارزمية الكم
غالبًا ما تأخذ الخوارزميات الكمومية تشابها من الخوارزمية الكلاسيكية حيث تؤلف بالفعل تراكبات للمعالجة المتسلسلة في مستوى مصفوفات البوابة الرقمية للكمبيوتر الكلاسيكي.
في المرحلة المبكرة من تطورها، من المتوقع أن تحل الحوسبة الكمومية المشكلات أو المهام التي لا يستطيع الكمبيوتر التقليدي مع العملية المتسلسلة الكلاسيكية القيام بها،
أو في مصطلح عملي أكثر، لإخراج الحل في فجوة كبيرة من الوقت الأسرع. واحدة من المشاكل المعروفة على نطاق واسع والتي تم تصميمها خصيصا للحوسبة الكمومية هي مشكلة Deutsch – Jozsa بواسطة David Deutsch و Richard Josza في عام 1992.
تم إنشاء وظيفة Deutsch – Jozsa لإخراج إما 1 أو 0 لـ n-bits (كيوبت في هذه الحالة) باستمرار (1 أو 0 لكل المدخلات) أو متوازن (1 لنصف المدخلات و 0 للنصف الباقي).
تم تطوير المزيد من هذه الوظيفة خصيصا لتجاوز الكمبيوتر التقليدي باستخدام نظام وحالة “غير معروفين” لإخراج النتيجة المرجوة دون أي خطأ وبدقة فائقة تُعرف باسم خوارزمية Deutsch.
وجهات النظر:
قد تختلف أسباب دراسة الحوسبة الكمومية. ومع ذلك ، بناء على القدرة التي يمتلكها الكمبيوتر الكمومي، هناك ثلاثة أهداف رئيسية على الأقل وراء بحث الكمبيوتر الكمومي على نطاق واسع:
أ. حساب المستوى الذري
يجلب تطبيق ميكانيك الكم تأثيرات كمومية حيث لم يعد من الممكن تجنبها على أساس تكنولوجي.
ب. سرعة
كما تم إثباته تجريبياً، تعد الحوسبة الكمومية بسرعة أعلى للغاية من السرعة التقليدية، ليس فقط من حيث الحساب ولكن أيضا في التطبيق للأغراض المتعلقة بالعملات المشفرة.
ج. التكنولوجيا القائمة على الطبيعة
أحد الأهداف التي ينجذب إليها العديد من العلماء هو فهم أقوى أجهزة الحوسبة القائمة على الطبيعة.
الأبحاث والتطبيقات
لقد جمعت الاحتمالات اللامتناهية التي تمتلكها الحوسبة الكمومية العلماء والمهندسين ذوي العقول الرائعة في جميع أنحاء الكوكب لتمهيد طريقة غير مسبوقة للحوسبة.
لقد وعدت الأنشطة الأخيرة لتطوير الكمبيوتر الكمومي باختراق يشمل أبحاث النجاح ، مثل إنشاء كمبيوتر كمي بواسطة IBM قادر على إجراء العمليات الحسابية في ثوانٍ بينما يحتاج الكمبيوتر العملاق الحديث إلى عقود لإكماله.
دفعت الأبحاث الأساسية والرئيسية حول فيزياء الكم والإلكترونيات دون الذرية أيضا إلى إمكانيات جديدة في تحقيق الحوسبة الكمومية، مما جعل التعريف المستقبلي في طريقه إلى الأمام.
أحد الإنجازات الحديثة للغاية هو تجربة مكرسة للتلاعب بالسجلات الكمومية، وقد نجحت في تحقيق الطول الموجي المحدد.
استخدم البحث التجريبي الذي نُشر في مجلة Nature، كربيد السيليكون لربط السجل الكمي بالفوتونات، مما فتح إمكانية الاتصال عن بُعد للمعلومات الكمومية ، ببساطة عن طريق نقل المعلومات الكمومية “لاسلكيا”.
من خلال ما تجلبه الحوسبة الكمومية، إذا سارت الأمور كما هو متوقع، محاكاة الحفرة الدافئة، تحليل السفر بين المجرات، إسقاط حلول تغير المناخ، بدقة ممتازة وأقل خطأ، كل ذلك سيتم في غمضة عين.
اقرأ أيضاً… الصراع الخفي.. لماذا ضمت أمريكا شركة “شاومي” الصينية للقائمة السوداء؟
اقرأ أيضاً… ما هي الحقائق المخيفة عن شركة جوجل
