1. الحواسيب الحديثة التي تقترب من حدودها القصوى
بدءًا من أجهزة الحواسيب الشخصية التي نستخدمها عادةً، وصولاً إلى أسرع حاسوب فائق في العالم “فوجاكو (Fugaku)"، تقوم جميع الحواسيب الكلاسيكية بمعالجة المعلومات باستخدام وحدة تسمى البت (Bit) . لا يمكن للبت أن يمتلك سوى حالة واحدة، إما “تشغيل (1)” أو “إيقاف (0)” للمفتاح. تتم معالجة جميع العمليات الحسابية المعقدة والصور الضخمة بالتتابع على هيئة هذه “السلسلة الهائلة من الأصفار والآحاد”.
ولكن في عصرنا الحالي حيث يقترب تصغير أشباه الموصلات من حجم الذرات، يواجه “قانون مور (تحسن أداء أشباه الموصلات)” حدودًا فيزيائية (مثل تسرب التيار بسبب النفق الكمومي). وللتغلب على هذا الحد، ظهرت مقاربة لإجراء العمليات الحسابية باستخدام قوانين فيزيائية مختلفة تمامًا، وهي ما يُعرف بـ الحواسيب الكمومية .
2. سحر ميكانيكا الكم: “التراكب”
لا تُسمى أصغر وحدة في الحاسوب الكمومي “بت” بل البت الكمومي (Qubit: كيوبت) . أهم ما يميز البتات الكمومية هو أنها تستفيد من خاصية في ميكانيكا الكم تُسمى التراكب (Superposition) .
في حين أن البت الكلاسيكي يكون محددًا في حالة إما “0” أو “1”، فإن البت الكمومي يمكنه أن يحافظ في نفس الوقت على حالة غامضة (تراكب احتمالي) تتمثل في كونه “0 و 1 في آن واحد” .
- الحاسوب الكلاسيكي المكون من 2 بت يمكنه التعبير في المرة الواحدة عن حالة واحدة فقط من بين الحالات “00، 01، 10، 11”.
- ولكن باستخدام 2 بت كمومي، يمكن الحصول على هذه الحالات الأربع جميعها في نفس الوقت .
وإذا أصبح العدد 300 بت كمومي، سيصبح بالإمكان في لحظة واحدة حساب حالات يفوق عددها عدد الذرات الموجودة في الكون (2 أُس 300). وهنا يكمن مصدر القوة الحسابية الهائلة (التوازي الكمومي) التي يتمتع بها الحاسوب الكمومي.
3. “التشابك الكمومي” الذي حير آينشتاين أيضًا
ظاهرة كمومية أخرى مهمة هي التشابك الكمومي (Entanglement) . إنها ظاهرة غامضة ترتبط فيها بتات كمومية بروابط قوية بحيث أنه “بمجرد رصد وتحديد حالة أحدهما، تتحدد حالة الآخر لحظيًا”، مهما كانت المسافة بينهما بعيدة.
داخل الحاسوب الكمومي، يُستخدم هذا “التشابك الكمومي” لربط عدة بتات كمومية ببعضها البعض وتنفيذ خوارزميات حسابية معقدة (التداخل). في نهاية الحساب، من خلال إجراء “رصد”، تلغي الإجابات غير المرغوب فيها (موجات الاحتمالات) بعضها البعض، بينما تتضخم احتمالية الإجابة الصحيحة فقط ليتم إخراجها.
4. ما هي المجالات التي يتفوق فيها الحاسوب الكمومي؟
الحاسوب الكمومي ليس صندوقًا سحريًا يمكنه فعل أي شيء. فالحواسيب الحالية أفضل بكثير في أداء المهام اليومية مثل تصفح الإنترنت وتحرير الفيديو. المجال الذي يتفوق فيه الحاسوب الكمومي هو مسائل البحث عن الإجابة المثلى من بين مجموعة ضخمة من الاحتمالات .
المجالات الواعدة
- اكتشاف الأدوية وتطوير مواد جديدة : نظرًا لأن الجزيئات والتفاعلات الكيميائية نفسها تتصرف ميكانيكيًا كموميًا، يمكن إجراء محاكاة الأدوية بدقة وسرعة فائقتين.
- مسائل التحسين : يُتوقع أن تحل فوريًا المشكلات التي تحتوي على الكثير من المتغيرات والتي تعجز حتى الحواسيب الفائقة عن حلها، مثل “أكثر الطرق كفاءة لتسليم البضائع لآلاف الشاحنات” أو “المحفظة المثلى للمنتجات المالية”.
انهيار التشفير الحديث (خوارزمية شور)
“تشفير RSA” الذي يحمي اتصالات الإنترنت حاليًا (مثل HTTPS)، يضمن الأمان بناءً على افتراض أن “تحليل الأرقام الضخمة إلى عواملها الأولية سيستغرق عشرات الآلاف من السنين حتى باستخدام الحواسيب الفائقة”. ومع ذلك، باستخدام “خوارزمية شور” المخصصة للحواسيب الكمومية، تم الإثبات رياضيًا أنه يمكن فك تشفير ذلك في غضون ساعات إلى ثوانٍ. ولهذا السبب، يتسارع العالم حاليًا للانتقال إلى “التشفير المقاوم للكم (PQC)”.
5. التفوق الكمومي والتحديات الحالية
في عام 2019، أعلنت شركة Google أن حاسوبها الكمومي “Sycamore” قام بحل عملية حسابية قد تستغرق 10 آلاف عام باستخدام أسرع حاسوب فائق في العالم في 200 ثانية فقط، معلنة بذلك إثبات التفوق الكمومي (Quantum Supremacy) .
ومع ذلك، لا تزال هناك عقبة كبيرة أمام التطبيق العملي. إنها الضوضاء (الأخطاء) . إن حالة “التراكب” للبتات الكمومية حساسة للغاية، ويمكن أن تنهار بسهولة جراء أي تأثير طفيف للحرارة أو المجالات المغناطيسية. لذلك، يُتطلب وجود أجهزة ضخمة لتبريدها إلى درجات حرارة منخفضة للغاية تقترب من الصفر المطلق (سالب 273 درجة مئوية). ما يسود حاليًا هو الحواسيب الكمومية متوسطة الحجم والمصحوبة بأخطاء (NISQ)، ويُقال إن إنجاز “حاسوب كمومي حقيقي متسامح مع الأخطاء” قادر على تصحيح أخطائه ذاتيًا سيتطلب أكثر من 10 سنوات أخرى.
6. الخلاصة
تمثل الحواسيب الكمومية تحديًا عظيمًا للبشرية لتحويل نظريات ميكانيكا الكم، التي بناها عمالقة الفيزياء مثل آينشتاين وشرودنغر، إلى تطبيقات هندسية عملية. وكما أدى الحاسوب الشخصي إلى ظهور الإنترنت، وكما أدى الهاتف الذكي إلى ظهور شبكات التواصل الاجتماعي، فمن المؤكد أنه عندما تصبح الحواسيب الكمومية قيد الاستخدام العملي، ستنشأ تقنيات مستقبلية جديدة تمامًا تفوق خيالنا.