Quantum Computing on kenji.blog

مقدمة فائقة في البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit

Fri, 11 Sep 2026 20:00:00 +0900

1. مقدمة

أحدثت أجهزة الكمبيوتر الحديثة (الكلاسيكية) تغييراً جذرياً في حياتنا، وهي تدعم جميع جوانب المجتمع بقدراتها الحسابية العالية. ومع ذلك، من المعروف أنه بالنسبة لبعض المشكلات المحددة (مثل تحليل الأعداد الضخمة إلى عواملها الأولية، ومحاكاة الهياكل الجزيئية المعقدة، ومشكلات التحسين، إلخ)، حتى أحدث أجهزة الكمبيوتر الفائقة الحالية قد تستغرق وقتًا أطول من عمر الكون لحلها.

لكسر هذه “الحدود لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية”، يبرز الكمبيوتر الكمومي (Quantum Computer) كاحتمال واعد. من خلال الاستفادة من الخصائص العجيبة لميكانيكا الكم (التراكب والتشابك الكمومي) كموارد حسابية، يُعتقد أنه يمكن تسريع حل مشكلات معينة بشكل هائل.

في هذه المقالة، سنتخذ الخطوة الأولى نحو عالم البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit، وهو إطار عمل مفتوح المصدر للحوسبة الكمومية تقدمه IBM. هذا الدليل التمهيدي مفصل للغاية، حيث يشرح الأساسيات الفيزيائية والرياضية بعناية، ويغطي العملية من كتابة الكود فعليًا بلغة Python إلى تشغيل الدوائر الكمومية على جهاز محاكاة.

2. الأساسيات الفيزيائية والرياضية التي تدعم الحوسبة الكمومية

لفهم البرمجة الكمومية، يجب أولاً فهم المفاهيم الأساسية لميكانيكا الكم. هنا، سنشرح ثلاث ركائز مهمة: الكيوبتات (البتات الكمومية)، التراكب، والتشابك الكمومي.

2.1 البت الكلاسيكي والبت الكمومي (Qubit)

وحدة المعلومات في الكمبيوتر الكلاسيكي هي “البت (Bit)”. يتخذ البت دائمًا إحدى الحالتين إما 0 أو 1.

من ناحية أخرى، تسمى أصغر وحدة للمعلومات في الكمبيوتر الكمومي البت الكمومي (Qubit: Quantum bit). لا يمكن للبت الكمومي أن يتخذ الحالة 0 و 1 فحسب، بل يمكنه الاحتفاظ بكلتا الحالتين في نفس الوقت.

رياضياً، يتم التعبير عن حالة البت الكمومي $|\psi\rangle$ كتركيب خطي (تراكب) للحالات الأساسية $|0\rangle$ و $|1\rangle$.

$$ |\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle $$

هنا، $\alpha$ و $\beta$ عبارة عن أعداد مركبة، وتمثل سعات الاحتمال لملاحظة الحالتين $|0\rangle$ و $|1\rangle$ على التوالي. استنادًا إلى المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم، يجب أن يكون مجموع الاحتمالات 1، لذا فإنها تلبي شرط المعايرة التالي:

$$ |\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1 $$

graph LR A["البت الكلاسيكي (Classical Bit)"] --> B["حالة محددة: 0 أو 1"] C["البت الكمومي (Qubit)"] --> D["تراكب: 0 و 1 معًا"] D --> E["تتحدد الحالة احتماليًا عن طريق القياس"]

2.2 التراكب (Superposition)

كما ذُكر سابقًا، يُطلق على الحالة التي تمتزج فيها الحالتان $|0\rangle$ و $|1\rangle$ اسم التراكب (Superposition).

على سبيل المثال، إذا كان بت كمومي واحد في حالة تراكب متساوٍ تمامًا، فإن $\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}}$ و $\beta = \frac{1}{\sqrt{2}}$.

$$ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle $$

إذا قمت بقياس هذه الحالة، فستتم ملاحظة $|0\rangle$ و $|1\rangle$ باحتمال 50% لكل منهما. إذا كان هناك 2 بت كمومي، يمكننا إنشاء تراكب من 4 حالات: $|00\rangle, |01\rangle, |10\rangle, |11\rangle$. وإذا كان هناك $n$ بت كمومي، فيمكن تمثيل $2^n$ حالة في نفس الوقت، وهذا هو أحد مصادر قدرة المعالجة المتوازية للكمبيوتر الكمومي.

2.3 التشابك الكمومي (Entanglement)

الخاصية الأقوى والأكثر غرابة في الحوسبة الكمومية هي التشابك الكمومي (Entanglement). هذه الظاهرة، التي أطلق عليها أينشتاين اسم “التأثير الشبحي عن بُعد”، تعني أن اثنين أو أكثر من البتات الكمومية مرتبطة ببعضها البعض بقوة، وبمجرد تحديد حالة أحد البتات الكمومية، تتحدد حالة البت الكمومي الآخر على الفور، بغض النظر عن المسافة الفيزيائية بينهما.

واحدة من أشهر حالات التشابك الكمومي، “حالة بيل (Bell State)"، تُعرف بحالة $\Phi^+$ وتُعبر عنها المعادلة التالية:

$$ |\Phi^+\rangle = \frac{|00\rangle + |11\rangle}{\sqrt{2}} $$

3. البوابات المنطقية الكمومية (Quantum Logic Gates)

تمامًا كما تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية البوابات المنطقية مثل AND و OR و NOT لإجراء الحسابات، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية البوابات الكمومية لمعالجة حالات البتات الكمومية. نظرًا لأن الحالة الكمومية هي متجه، يتم تمثيل البوابة الكمومية كـ “مصفوفة وحدوية (Unitary matrix)” تعمل على هذا المتجه.

3.1 بوابات باولي (Pauli-X, Y, Z)

بوابات باولي هي العمليات الأساسية على بت كمومي واحد.

・بوابة Pauli-X (بوابة NOT) تعادل بوابة NOT الكلاسيكية. تقلب $|0\rangle$ إلى $|1\rangle$ و $|1\rangle$ إلى $|0\rangle$. (دوران بمقدار 180 درجة حول المحور X في كرة بلوخ)

$$ X = \begin{pmatrix} 0 & 1 \\ 1 & 0 \end{pmatrix} $$

・بوابة Pauli-Y تقوم بدوران بمقدار 180 درجة حول المحور Y. لها تأثير عكس كل من الطور والبت.

$$ Y = \begin{pmatrix} 0 & -i \\ i & 0 \end{pmatrix} $$

・بوابة Pauli-Z (بوابة عكس الطور) تبقي حالة $|0\rangle$ كما هي، وتعكس طور حالة $|1\rangle$ (بالضرب في $-1$). (دوران بمقدار 180 درجة حول المحور Z)

$$ Z = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} $$

3.2 بوابة هادامارد (Hadamard Gate)

بوابة هادامارد (بوابة H) هي بوابة مهمة جدًا تحول حالة محددة ($|0\rangle$ أو $|1\rangle$) إلى حالة تراكب.

$$ H = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} $$

عند تطبيق بوابة H على $|0\rangle$، نحصل على حالة تراكب متساوية $|+\rangle$.

$$ H|0\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle + \frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle = |+\rangle $$

3.3 بوابات الطور (Phase Gates)

بوابة الطور هي تعميم لبوابة Z، وتقوم بتدوير طور الحالة $|1\rangle$ بزاوية محددة $\theta$.

$$ P(\theta) = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & e^{i\theta} \end{pmatrix} $$

ومن الأمثلة النموذجية بوابة S ($\theta = \pi/2$) وبوابة T ($\theta = \pi/4$).

3.4 بوابة CNOT (Controlled-NOT Gate)

بوابة CNOT (بوابة CX) هي بوابة تقوم بإجراء عملية بين اثنين من البتات الكمومية، وهي ضرورية لتوليد التشابك الكمومي. تتكون من “بت التحكم (Control bit)” و “البت المستهدف (Target bit)”.

فقط إذا كان بت التحكم $|1\rangle$، يتم تطبيق بوابة X (عملية NOT) على البت المستهدف، وإذا كان بت التحكم $|0\rangle$، لا يتم إجراء أي تغيير.

$$ CNOT = \begin{pmatrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \end{pmatrix} $$

4. أساسيات Qiskit وإعداد البيئة

من هنا، سنقوم فعليًا بكتابة برامج كمومية باستخدام Python و Qiskit.

4.1 ما هو Qiskit؟

Qiskit عبارة عن مجموعة أدوات تطوير برمجيات (SDK) مفتوحة المصدر للحوسبة الكمومية تم تطويرها بواسطة IBM Quantum. تتيح لك بناء الدوائر الكمومية بشكل حدسي باستخدام Python، وتشغيلها إما على أجهزة محاكاة محلية أو على أجهزة كمبيوتر كمومية حقيقية من IBM عبر السحابة.

4.2 طريقة التثبيت

لاستخدام Qiskit، ستحتاج إلى بيئة Python. يمكنك تثبيت Qiskit والحزم ذات الصلة (أجهزة المحاكاة ومكتبات الرسم) باستخدام الأمر التالي.

1

pip install qiskit qiskit-aer qiskit-ibm-runtime matplotlib pylatexenc

4.3 التدفق الأساسي للبرمجة

تتقدم البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit بشكل أساسي عبر الخطوات التالية.

graph TD A["1. بناء الدائرة (Build)"] --> B["2. الترجمة/التصريف (Compile)"] B --> C["3. التنفيذ (Execute)"] C --> D["4. تحليل النتائج وتصورها (Analyze)"]

بناء الدائرة: قم بإنشاء كائن QuantumCircuit وإضافة البوابات إليه.
الترجمة: قم بتحسين الدائرة لتلائم الواجهة الخلفية (الجهاز الحقيقي أو جهاز المحاكاة) التي سيتم التنفيذ عليها.
التنفيذ: أرسل المهمة إلى الواجهة الخلفية واحصل على النتائج.
التحليل: ارسم المدرج التكراري لنتائج القياس وغيرها من التمثيلات.

5. تطبيق عملي: بناء دائرة تصنع حالة بيل (التشابك الكمومي)

دعونا ننشئ “التشابك الكمومي (حالة بيل)” التي درسناها نظريًا باستخدام Qiskit. الحالة المستهدفة هي $|\Phi^+\rangle = \frac{|00\rangle + |11\rangle}{\sqrt{2}}$.

5.1 تصميم الدائرة

لإنشاء حالة بيل، نتبع الخطوات التالية:

قم بإعداد 2 من البتات الكمومية (الحالة الأولية لكليهما هي $|0\rangle$).
طبق بوابة هادامارد (H) على البت الكمومي الأول لجعله في حالة تراكب.
طبق بوابة CNOT بحيث يكون البت الكمومي الأول هو “بت التحكم” والثاني هو “البت المستهدف”.
قم بالقياس (Measure) لقراءة النتائج.

5.2 التنفيذ بالكود عبر Python/Qiskit

دعونا نلقي نظرة على الكود الفعلي.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25


import numpy as np
from qiskit import QuantumCircuit, transpile
from qiskit_aer import Aer
from qiskit.visualization import plot_histogram
import matplotlib.pyplot as plt

# 1. تهيئة الدائرة
# إنشاء دائرة كمومية تحتوي على 2 بت كمومي و 2 بت كلاسيكي
qc = QuantumCircuit(2, 2)

# 2. تطبيق بوابة H
# تطبيق بوابة هادامارد على البت الكمومي 0 (q0)
qc.h(0)

# 3. تطبيق بوابة CNOT
# تطبيق CNOT بجعل q0 بت التحكم و q1 البت المستهدف
qc.cx(0, 1)

# 4. القياس
# قياس البت الكمومي 0 و 1 وكتابة النتائج في البت الكلاسيكي 0 و 1 على التوالي
qc.measure([0, 1], [0, 1])

# رسم مخطط الدائرة (باستخدام matplotlib)
# qc.draw('mpl')
print(qc.draw())

عند تشغيل هذا الكود، سيظهر المخطط التوضيحي التالي للدائرة الكمومية على شكل فن الأسكي (ASCII art) في وحدة التحكم.

1
2
3
4
5
6
7


 ┌───┐ ┌─┐
q_0: ┤ H ├──■──┤M├───
 └───┘┌─┴─┐└╥┘┌─┐
q_1: ─────┤ X ├─╫─┤M├
 └───┘ ║ └╥┘
c: 2/═══════════╩══╩═
 0 1

تشير H إلى بوابة هادامارد، والجمع بين ■ و X يمثل بوابة CNOT، و M تمثل القياس.

5.3 التنفيذ على جهاز المحاكاة وتفسير النتائج

بعد ذلك، سنقوم بتشغيل هذه الدائرة على جهاز محاكاة Aer عالي الأداء من IBM للتحقق من النتائج.

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19


# الحصول على الواجهة الخلفية لجهاز المحاكاة Aer
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# ترجمة الدائرة لجهاز المحاكاة (تحسين)
compiled_circuit = transpile(qc, simulator)

# تشغيل الدائرة (هنا نقوم بتنفيذ 1000 طلقة "shots")
job = simulator.run(compiled_circuit, shots=1000)

# الحصول على النتيجة
result = job.result()

# الحصول على عدد مرات مشاهدة الحالة (العدد)
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nنتيجة القياس:", counts)

# رسم المدرج التكراري (الهيستوجرام)
# plot_histogram(counts)
# plt.show()

تفسير النتائج

يجب أن يكون مخرج وحدة التحكم كالتالي تقريبًا. نتيجة القياس: {'00': 495, '11': 505} (* نظرًا لأن الاحتمالات عشوائية، فستتقلب الأرقام بشكل طفيف مع كل تنفيذ)

في بيئة المحاكاة المثالية، تُلاحظ نتائج القياس 00 و 11 بنسبة 50% تقريبًا لكل منهما، ولا تُلاحظ 01 أو 10 على الإطلاق. هذا يتوافق تمامًا مع التوقع النظري لحالة بيل التي أنشأناها $|\Phi^+\rangle = \frac{|00\rangle + |11\rangle}{\sqrt{2}}$. تمت محاكاة “التشابك الكمومي” بدقة، حيث إذا كان البت الكمومي الأول 0، فإن الثاني سيكون بالتأكيد 0، وإذا كان 1، فسيكون الثاني بالتأكيد 1.

بالمناسبة، إذا تم التشغيل على جهاز كمبيوتر كمومي حقيقي (IBM Quantum Hardware)، قد تتم ملاحظة القليل من 01 و 10 بسبب تأثير الضوضاء (فك الترابط الكمومي وأخطاء البوابات). إن كيفية تقليل هذه الضوضاء (تصحيح الخطأ الكمومي) تعد إحدى أكبر التحديات في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية حاليًا.

6. التوسع إلى خوارزميات أكثر تقدمًا

يمكن اعتبار إنشاء حالة بيل بمثابة “Hello World” في البرمجة الكمومية. من خلال تطوير هذا بشكل أكبر، يمكننا بناء خوارزميات قوية تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

6.1 خوارزمية دويتش-جوزا (Deutsch-Jozsa Algorithm)

هذه مسألة تتعلق بتحديد ما إذا كانت دالة معينة $f(x)$ هي “دالة ثابتة (تُخرج دائمًا 0 أو تُخرج دائمًا 1 بغض النظر عن المدخلات)” أو “دالة متوازنة (تُخرج 0 لنصف المدخلات و 1 للنصف الآخر)”. في الكمبيوتر الكلاسيكي، يتطلب الأمر في أسوأ الحالات تقييم الدالة $2^{n-1} + 1$ مرة، ولكن باستخدام خوارزمية دويتش-جوزا، يمكنك الاستفادة من التوازي الكمومي لتحديد ذلك من خلال تقييم واحد فقط. يوضح هذا النمط الأساسي للخوارزمية الكمومية، حيث يتم إدخال حالة تراكب واستخدام التداخل (Interference) لإلغاء الحالات غير الضرورية وتضخيم الإجابة المطلوبة.

6.2 خوارزمية غروفر (Grover’s Algorithm)

في مشكلة البحث للعثور على بيانات معينة من قاعدة بيانات غير مصنفة تحتوي على $N$ من العناصر، بينما تتطلب الخوارزمية الكلاسيكية في المتوسط $N/2$ عملية حسابية، يمكن لخوارزمية غروفر العثور على البيانات المطلوبة في $\sqrt{N}$ عملية. تستخدم هذه الخوارزمية صندوقًا أسود يسمى “أوراكل (Oracle)” لقلب طور الحل المستهدف، ثم تقوم بـ “تضخيم السعة (Amplitude Amplification)” لزيادة احتمال ملاحظة الحل المستهدف بشكل كبير.

graph TD A["التهيئة (تراكب لجميع الحالات)"] --> B["أوراكل (عكس طور الإجابة الصحيحة)"] B --> C["مُعامل الانتشار (تضخيم السعة عبر الانعكاس حول المتوسط)"] C --> D{"هل وصلنا لاحتمال كافٍ؟"} D -- "لا" --> B D -- "نعم" --> E["القياس"]

7. الخاتمة وماذا تتعلم بعد ذلك

في هذه المقالة، بدأنا بالمفاهيم الأساسية للحوسبة الكمومية، وهي التراكب والتشابك الكمومي، وقمنا بشرح مفصل لكيفية التعامل مع البوابات المنطقية الكمومية باستخدام Qiskit، وصولاً إلى بناء ومحاكاة حالة بيل فعليًا وتفسير النتائج.

يعد Qiskit أداة قوية تتيح لك تجاوز الحواجز الرياضية والفيزيائية والتركيز على بناء الخوارزميات، وذلك لأنه يتيح الكتابة بلغة مألوفة مثل Python. تعيش الحوسبة الكمومية حاليًا في عصر “الأجهزة الكمومية ذات الحجم المتوسط المصحوبة بالضوضاء” (NISQ: Noisy Intermediate-Scale Quantum)، ولكن يتم إحراز تقدم سريع عالميًا في الأبحاث التطبيقية في العديد من المجالات، مثل التعلم الآلي الكمومي (Quantum Machine Learning)، والمحاكاة الكيميائية (Quantum Chemistry)، وفك التشفير.

انتهز هذه الفرصة واستخدم Qiskit لبناء دوائر كمومية متنوعة بنفسك، وحاول تشغيلها على معالج IBM Quantum الحقيقي. من المؤكد أنك ستتمكن من تجربة نموذج الحوسبة المستقبلي بيديك.

مراجع

وثائق Qiskit الرسمية
كتاب Qiskit - نص رسمي موصى به لأولئك الذين يرغبون في التعمق في الخلفية الرياضية والخوارزميات
IBM Quantum Learning

مرحباً بك في العالم الكمومي!

ما هو التفوق الكمومي؟ أحدث التطورات من جوجل وIBM

Fri, 11 Sep 2026 18:00:00 +0900

1. مقدمة: فجر الحوسبة الكمومية و"التفوق الكمومي"

تتمتع الحوسبة الكمومية بالقدرة على حل المشكلات المعقدة التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية (مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية وأجهزة الكمبيوتر العملاقة التي نستخدمها يوميًا) حلها في وقت واقعي، وذلك من خلال تطبيق ميكانيكا الكم - المبدأ الأساسي للفيزياء - في معالجة المعلومات. لطالما كان هذا المجال نظريًا في المقام الأول، ولكن في السنوات الأخيرة، اشتدت المنافسة نحو التطبيق العملي بفضل التقدم السريع في الأجهزة.

ومن بين أبرز المصطلحات التي لفتت الانتباه في هذا السياق هو “التفوق الكمومي” (Quantum Supremacy). يشير هذا إلى اللحظة التي يظهر فيها الكمبيوتر الكمومي قدرة حسابية تتفوق بشكل ساحق على الكمبيوتر الكلاسيكي في مهمة حسابية محددة. في هذا المقال، سنشرح، مع التعمق التقني والرياضي، التعريف الدقيق للتفوق الكمومي، وتفاصيل تجربة معالج “Sycamore” من جوجل الذي أُعلن عن تحقيقه هذا الإنجاز لأول مرة في العالم عام 2019، وردود IBM ونهجها الخاص حيال ذلك، بالإضافة إلى أحدث خارطة طريق لتجاوز أكبر عقبة أمام الاستخدام العملي الحقيقي: “تصحيح الأخطاء الكمومية” (QEC) و"الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء" (FTQC).

2. الخلفية النظرية: أساسيات الحوسبة الكمومية وفئات التعقيد

لفهم التفوق الكمومي، من الضروري أولاً فهم الأساس الرياضي للحوسبة الكمومية ومكانتها في نظرية التعقيد الحسابي.

البتات الكمومية والتراكب

بينما أصغر وحدة للمعلومات في الكمبيوتر الكلاسيكي هي البت (0 أو 1)، يستخدم الكمبيوتر الكمومي البت الكمومي (Qubit). يتم تمثيل حالة البت الكمومي الواحد $|\psi\rangle$ كتركيبة خطية مركبة للحالات الأساسية $|0\rangle$ و $|1\rangle$.

$$ |\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle $$

حيث إن $\alpha, \beta \in \mathbb{C}$، ويحققان شرط المعايرة $|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1$. تُعرف هذه الخاصية باسم “التراكب” (Superposition).

التشابك (Entanglement) وحاصل الضرب الموتّر (Tensor Product)

عند وجود عدة بتات كمومية، يتم تمثيل حالة النظام بأكمله كحاصل ضرب موتّر لفضاءات الحالة للبتات الكمومية الفردية. نظام يتكون من $n$ بت كمومي يصبح متجهًا على فضاء هيلبرت ذي أبعاد $2^n$ ويُرمز له بـ $\mathcal{H}^{\otimes n}$.

$$ |\Psi\rangle = \sum_{x \in \{0, 1\}^n} c_x |x\rangle $$

حيث إن $\sum |c_x|^2 = 1$. تسمى الحالة التي لا تكون فيها البتات الكمومية مستقلة عن بعضها وتعتمد حالة أحدها على الآخر بـ “التشابك الكمومي” (Quantum Entanglement). وبفضل ذلك، يمتلك الكمبيوتر الكمومي الإمكانية لمعالجة فضاء حالة شاسع يتزايد أُسّياً في نفس الوقت.

التعريف النظري لتعقيد التفوق الكمومي

في نظرية التعقيد الحسابي، تُعرف فئة المشكلات التي يمكن للكمبيوتر الكلاسيكي حلها بكفاءة (في وقت كثير الحدود) باسم BPP (وقت احتمالي كثير الحدود ذو خطأ مقيد). من ناحية أخرى، تُعرف فئة المشكلات التي يمكن للكمبيوتر الكمومي حلها بكفاءة باسم BQP (وقت كمومي كثير الحدود ذو خطأ مقيد).

إثبات التفوق الكمومي يعني “تنفيذ مهمة معينة على جهاز كمومي فعلي تكون ضمن BQP ولكنها ليست ضمن BPP (أو يُرجح بشدة ألا تكون كذلك)، وتجاوز محاكاة الكمبيوتر العملاق الكلاسيكي من حيث الوقت والموارد”. ويمكن اعتبار ذلك محاولة تاريخية لدحض أطروحة تشيرش-تورينج الموسعة (“يمكن محاكاة جميع نماذج الحوسبة الممكنة فيزيائيًا بواسطة آلة تورينج احتمالية في وقت كثير الحدود”) من خلال تجربة فيزيائية.

3. عام 2019: إثبات التفوق الكمومي بواسطة جوجل

في أكتوبر 2019، أعلن فريق Google Quantum AI في المجلة العلمية “Nature” عن تحقيق التفوق الكمومي باستخدام معالج فائق التوصيل مكون من 53 بتًا كموميًا يُدعى “Sycamore”.

بنية معالج Sycamore

يتكون معالج Sycamore من 54 بتًا كموميًا فائق التوصيل من نوع Transmon مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد (استُخدم منها 53 بتًا لأن أحدها كان معطلاً في التجربة). وُضعت قارنات قابلة للضبط (Tunable Coupler) بين البتات الكمومية المتجاورة، مما حقق بوابات ثنائية البت الكمومي عالية السرعة والدقة (مزيج بين بوابة iSWAP وبوابة Z المتحكم بها).

graph TD A["إدخال الخوارزمية الكمومية"] --> B["معالج Sycamore (53 بت كمومي)"] B --> C["تطبيق بوابات كمومية عشوائية"] C --> D["قياس الحالات الكمومية (سلاسل البتات)"] D --> E["قياس الأداء بالإنتروبيا المتقاطعة (XEB)"] E --> F["التحقق من التفوق الكمومي"]

أخذ عينات الدوائر الكمومية العشوائية (RCS)

المهمة التي اختارتها جوجل كانت “أخذ عينات الدوائر الكمومية العشوائية”. تتضمن هذه المهمة تطبيق بوابات بت كمومي واحد وبوابتين بشكل عشوائي على مدى دورات متعددة (بعمق $m$)، وأخذ عينات من التوزيع الاحتمالي لسلاسل البتات الناتجة عن قياس الحالة النهائية.

احتمال خروج سلسلة البتات $x$ من دائرة كمومية عشوائية مثالية (خالية من الضوضاء) ليس توزيعًا منتظمًا، بل يُظهر نمطًا يشبه أنماط التداخل يُعرف باسم توزيع بورتر-توماس (Porter-Thomas distribution). لأخذ عينات من هذا التوزيع باستخدام كمبيوتر كلاسيكي، يُتطلب محاكاة متجه الحالة بالكامل، ويزداد التعقيد الحسابي بشكل أُسّي بالنسبة لعدد البتات الكمومية $n$ وعمق الدائرة $m$.

تقييم الدقة (Fidelity): قياس الأداء بالإنتروبيا المتقاطعة الخطية (XEB)

لإثبات أن نتائج التجربة ليست مجرد ضوضاء، بل هي نتيجة حساب كمومي فعلي، استخدمت جوجل قياس الأداء بالإنتروبيا المتقاطعة الخطية (XEB). يتم حساب الاحتمال المثالي للدائرة $P(x_i)$ لسلاسل البتات $x_i$ التي تم الحصول عليها في التجربة باستخدام كمبيوتر كلاسيكي، وتُحسب الدقة $\mathcal{F}_{\text{XEB}}$ باستخدام المعادلة التالية:

$$ \mathcal{F}_{\text{XEB}} = 2^n \langle P(x_i) \rangle_{i} - 1 $$

إذا كانت $\mathcal{F}_{\text{XEB}}$ تساوي 0، فهذا يعني ضوضاء كاملة، وإذا كانت 1، فهذا يعني معالج كمومي مثالي خالٍ من الضوضاء. حقق معالج Sycamore دقة $\mathcal{F}_{\text{XEB}} \approx 0.002$ (0.2%) في دائرة بعمق 20. قد تبدو هذه القيمة منخفضة للوهلة الأولى، لكنها قيمة أكبر من الصفر وذات دلالة إحصائية، وتُعد إنجازًا مذهلاً في التحكم في فضاء حالة بحجم $2^{53} \approx 9 \times 10^{15}$.

تمت نمذجة معدل الخطأ الإجمالي تقريبًا كحاصل ضرب لأخطاء البوابات الفردية وأخطاء القياس وغيرها:

$$ \mathcal{F} \approx (1 - e_1)^{N_1}(1 - e_2)^{N_2} \cdots \approx \prod_{g \in 1Q} (1 - e_g) \prod_{g \in 2Q} (1 - e_g) \prod_{q} (1 - e_{RO}) $$

(ملاحظة: $e_g$ يمثل خطأ البوابة، و $e_{RO}$ يمثل خطأ القياس)

ادعت جوجل أن محاكاة هذه الدائرة على الكمبيوتر العملاق الكلاسيكي (Summit) ستستغرق حوالي 10,000 عام. في المقابل، أكمل Sycamore أخذ العينات في 200 ثانية فقط.

4. رد IBM: من “التفوق” إلى “المنفعة (Utility)”

أحدث إعلان جوجل صدمة في جميع أنحاء العالم، لكن IBM، التي طورت أكبر كمبيوتر عملاق في العالم آنذاك “Summit” والتي تقود بنفسها تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية، نشرت على الفور ورقة بحثية تدحض هذا الادعاء.

تحسين المحاكاة الكلاسيكية باستخدام انكماش الشبكات الموتّرة

كان جوهر رد IBM هو أن “تحسين الخوارزميات والموارد على جانب الكمبيوتر الكلاسيكي كان غير كافٍ”. فقد استند تقدير جوجل البالغ 10,000 عام على محاكي متجه الحالة الذي يحسب التطور الزمني لمعادلة شرودنغر كما هي، لكن IBM أشارت إلى أنه باستخدام تقنية تُسمى “الشبكات الموتّرة” (Tensor Network)، يمكن تقليص وقت المحاكاة بشكل كبير.

في الشبكات الموتّرة، يتم التعبير عن عمليات البوابات في الدائرة الكمومية كعمليات على مصفوفات متعددة الأبعاد (موتّرات)، ويتم تحسين ترتيب “انكماش” (Contraction) الشبكة. وعلاوة على ذلك، ادعت IBM أنه بالاستفادة الكاملة من سعة التخزين الهائلة لجهاز Summit البالغة 250 بيتابايت (من خلال هيكلة الأقراص والذاكرة)، من الممكن الاحتفاظ بمتجه الحالة بالكامل وإجراء محاكاة أكثر دقة في “يومين ونصف” فقط.

الميزة الكمومية (Quantum Advantage) والمنفعة الكمومية (Quantum Utility)

نتيجة لهذا النقاش، انتقل التوجه العام في الصناعة من التركيز فقط على “تنفيذ مهام مصطنعة مستحيلة كلاسيكيًا (التفوق - Supremacy)"، إلى مرحلة “إظهار تفوق جوهري على المقاربات الكلاسيكية في المشكلات الواقعية المفيدة (الميزة الكمومية - Quantum Advantage)"، وأخيراً إلى “عمل الكمبيوتر الكمومي كأداة جديدة للاكتشافات العلمية (المنفعة الكمومية - Quantum Utility)”.

تتجنب IBM نفسها استخدام كلمة “التفوق”، وقد اقترحت مقاييس أداء شاملة للمعالجات الكمومية مثل “الحجم الكمومي” (Quantum Volume) و “CLOPS” (عمليات طبقة الدائرة في الثانية)، مع التركيز في تطويرها على التوازن بين حجم الأجهزة وجودتها.

timeline title "تطور الإنجازات الكمومية" 2019 : "جوجل Sycamore (53Q)" : "إعلان التفوق الكمومي" 2019 : "رد IBM" : "محاكاة كمبيوتر Summit العملاق في 2.5 يوم" 2021 : "IBM Eagle (127Q)" : "كسر حاجز 100 بت كمومي" 2022 : "IBM Osprey (433Q)" : "توسيع نطاق المعالج" 2023 : "جوجل Surface Code" : "توسيع نطاق تصحيح الأخطاء (من d=3 إلى d=5)" 2023 : "المنفعة الكمومية من IBM" : "محاكاة نموذج سبين معقد على 127Q" 2024 : "ما بعد ذلك" : "عصر البتات الكمومية المنطقية وتخفيف الأخطاء"

5. الجبهة التالية: تخفيف الأخطاء (Error Mitigation) وتصحيح الأخطاء الكمومية (QEC)

تُعرف أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية باسم “NISQ” (الأجهزة الكمومية الصاخبة متوسطة النطاق)، وهي عُرضة لتأثير الضوضاء (الأخطاء الناتجة عن التفاعل مع البيئة الخارجية أو التحكم غير المثالي). وعند إجراء حسابات طويلة، تضيع النتائج وسط هذه الضوضاء. للتغلب على هذه المشكلة، هناك نهجان رئيسيان: “تخفيف الأخطاء” (Error Mitigation) و"تصحيح الأخطاء الكمومية” (Quantum Error Correction).

تخفيف الأخطاء (Error Mitigation)

تخفيف الأخطاء هو أسلوب لإزالة تأثير الضوضاء من القيمة المتوقعة لنتائج الحساب من خلال المعالجة اللاحقة الكلاسيكية دون تعديل الأجهزة الكمومية. في عام 2023، استخدمت IBM معالج “Eagle” المكون من 127 بتًا كموميًا جنبًا إلى جنب مع تقنيات تخفيف الأخطاء مثل “الاستقراء الصفري للضوضاء” (ZNE)، ونجحت في تحقيق دقة تجاوزت أحدث طرق الشبكات الموتّرة التقريبية في محاكاة التطور الزمني لنموذج إيزينج المعقد، مما يثبت “المنفعة الكمومية” (Quantum Utility).

تصحيح الأخطاء الكمومية (QEC) والبتات الكمومية المنطقية

ومع ذلك، من أجل تنفيذ أي خوارزمية معقدة في نهاية المطاف (مثل خوارزمية شور لتحليل العوامل أو الحسابات الكيميائية الكمومية المعقدة)، فإن تخفيف الأخطاء وحده لا يكفي، ويصبح “تصحيح الأخطاء الكمومية” (QEC)، الذي يكتشف الأخطاء ويصححها ديناميكيًا، أمرًا لا غنى عنه.

النهج السائد في QEC هو ما يُعرف بـ “الرمز السطحي” (Surface Code). يتمثل هذا النهج في ترتيب عدة بتات كمومية فيزيائية (بتات البيانات) في شبكة ثنائية الأبعاد، مع وضع بتات كمومية للقياس (بتات أنسيلا) بينها لإجراء فحوصات التكافؤ (Parity checks) المعروفة باسم “المثبتات” (Stabilizers) بشكل مستمر.

graph LR Q1["بت كمومي للبيانات (Data)"] --- M1["قياس مثبت X (Ancilla)"] Q2["بت كمومي للبيانات (Data)"] --- M1 Q3["بت كمومي للبيانات (Data)"] --- M2["قياس مثبت Z (Ancilla)"] Q4["بت كمومي للبيانات (Data)"] --- M2 M1 --> EC["فك تشفير متلازمة الخطأ (كلاسيكي)"] M2 --> EC EC --> LQ["تحديث حالة البت الكمومي المنطقي"]

نظرية العتبة (Threshold Theorem) والمسافة $d$

يوجد في تصحيح الأخطاء الكمومية ما يُعرف بـ “نظرية العتبة”. إذا كان معدل الخطأ في البت الكمومي الفيزيائي $p$ أقل من عتبة معينة $p_{th}$ (حوالي 1% في حالة الرمز السطحي)، فإنه من خلال زيادة مسافة الرمز (Distance) $d$ (أي تخصيص المزيد من البتات الفيزيائية لبت منطقي واحد)، يمكن خفض معدل الخطأ المنطقي $p_L$ بشكل أُسّي.

يتم التعبير عن المعادلة التقريبية لمعدل الخطأ المنطقي على النحو التالي:

$$ p_L \approx \Lambda \left( \frac{p}{p_{th}} \right)^{\frac{d+1}{2}} $$

حيث إن $\Lambda$ هو مقدار ثابت. إذا كان $p < p_{th}$، فكلما زادت $d$، قل $p_L$. ولكن، في حالة $p > p_{th}$، فإن زيادة عدد البتات الكمومية الفيزيائية ستؤدي إلى تراكم الضوضاء وتفاقم معدل الخطأ المنطقي.

إنجاز جوجل عام 2023: إثبات تقليل الخطأ من خلال زيادة المسافة

في فبراير 2023، نشرت جوجل ورقة بحثية بارزة في مجلة “Nature”. فقد أثبتوا لأول مرة في العالم، باستخدام الجيل الثالث من معالج Sycamore، أنه عند زيادة مسافة الرمز السطحي من $d=3$ (باستخدام 17 بتًا فيزيائيًا) إلى $d=5$ (باستخدام 49 بتًا فيزيائيًا)، ينخفض معدل الخطأ المنطقي بشكل طفيف من 3.028% إلى 2.914%.

وهذا يعني الدخول في المنطقة التي يكون فيها $p < p_{th}$، ويدل على اكتمال أهم إثبات للمفهوم (Proof of Concept) نحو تحقيق FTQC، حيث أن زيادة عدد البتات الفيزيائية ستؤدي حتمًا إلى تحسين الأداء.

6. خارطة الطريق والتطلعات نحو الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء (FTQC)

تخوض كل من جوجل وIBM، بالرغم من تبنيهما لبنى هندسية ومقاربات مختلفة، منافسة تطويرية شرسة نحو هدفهما النهائي المتمثل في الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء (FTQC).

مقاربة IBM: الوحدات النمطية (Modularization) وشبكات Heavy-Hex

تركز IBM، بالتوازي مع خفض معدلات الخطأ بشكل جذري، على توسيع نطاق معالجاتها. فبينما تتحدى حدود الشريحة الواحدة من خلال معالجات “Eagle (127Q)” و"Osprey (433Q)” و"Condor (1121Q)"، أعلنت أيضًا عن بنية معمارية معتمدة على الوحدات النمطية تُسمى “Quantum System Two”. بالإضافة إلى ذلك، تعتمد في طوبولوجيا ربط البتات الكمومية على بنية شبكية تُدعى “Heavy-Hex”، والتي تقلل من التداخل غير المرغوب فيه وتزيد من الاستقرار. استراتيجية IBM هي نهج هجين يسعى إلى تحقيق المنفعة من خلال التخفيف المتقدم للأخطاء على المدى القصير، مع إدخال QEC تدريجيًا.

مقاربة جوجل: تحسين جودة البتات الكمومية المنطقية

تتمحور استراتيجية جوجل حول التركيز على خفض معدل الخطأ في البت الكمومي المنطقي الواحد إلى أقصى حد ممكن (إلى $10^{-6}$ مثلاً) بدلاً من الزيادة السريعة في عدد البتات الفيزيائية. وبناءً على ذلك، تهدف إلى بناء نظام واسع النطاق يشغّل الآلاف أو عشرات الآلاف من البتات الكمومية الفيزيائية بالتوازي، من خلال إرساء تقنية نقل الحالات الكمومية بين الوحدات (الروابط الكمومية - Quantum Interconnects).

يُعد تطبيق البروتوكولات لتنفيذ بوابات غير كليفورد (مثل تقطير الحالة السحرية - Magic State Distillation) بأسلوب متسامح مع الأخطاء من العقبات التكنولوجية الكبيرة في المستقبل. لتشغيل خوارزمية شور العملية لفك تشفير RSA بحجم 2048 بتًا، يُقال إن الأمر يتطلب آلافًا من البتات الكمومية المنطقية بمعدل خطأ أقل من $10^{-8}$، مما يُترجم إلى ملايين أو عشرات الملايين من البتات الكمومية الفيزيائية، لذا لا يزال الطريق طويلاً.

7. الخاتمة

كان “التفوق الكمومي” معلمًا بارزًا في تاريخ أجهزة الكمبيوتر الكمومية، حيث أثبت فيزيائيًا الإمكانيات النظرية للحواسيب. دفع إثبات جوجل في عام 2019 والردود البناءة من IBM الصناعة بأكملها من مجرد الإثبات النظري إلى السعي الحقيقي نحو المنفعة (Utility)، وصولاً إلى عصر الهندسة الجادة نحو الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء (FTQC).

نحن نقف حاليًا في مرحلة انتقالية من أجهزة NISQ المليئة بالضوضاء إلى أجهزة بتات كمومية منطقية مزودة بتصحيح الأخطاء. وفي غضون السنوات القليلة القادمة إلى العقد القادم، ستصبح اكتشافات علم المواد الجديدة، وثورة عمليات اكتشاف الأدوية، والاختراقات في مشاكل التحسين حقيقة واقعة تزامنًا مع هذا التطور في الأجهزة الكمومية.

سنظل نراقب عن كثب تحركات جوجل وIBM، بالإضافة إلى الباحثين حول العالم الذين يشكلون مستقبل علوم الكمبيوتر.

كيف ستتغير البلوكتشين والعملات المشفرة في عصر ما بعد الكم؟

Fri, 11 Sep 2026 17:00:00 +0900

1. مقدمة: خطوات عصر ما بعد الكم وأزمة البلوكتشين

منذ ولادة البيتكوين (Bitcoin) على يد ساتوشي ناكاموتو في عام 2009، نمت تقنية البلوكتشين كـ “سجل لامركزي مقاوم للعبث” لتصبح الأساس للأنظمة المالية والتطبيقات حول العالم. يعتمد هذا الأمان القوي على تقنيات التشفير الحديثة: تشفير المفتاح العام (Public Key Cryptography) ودوال التجزئة المشفرة (Cryptographic Hash Functions).

تضمن هذه التقنيات الأمان بناءً على “الصعوبة الحسابية” الرياضية التي تجعل الحواسيب الكلاسيكية (أجهزة الكمبيوتر الشخصية والحواسيب العملاقة التي نستخدمها حاليًا) تستغرق وقتًا يقارب عمر الكون لفك تشفيرها.

ومع ذلك، فإن هذا الافتراض على وشك أن ينقلب رأسًا على عقب بسبب التطور السريع والتطبيق العملي لـ أجهزة الكمبيوتر الكمية (Quantum Computers)، وهي حدود الفيزياء وعلوم المعلومات. الحواسيب الكمية، التي تستخدم ظواهر ميكانيكا الكم مثل “التراكب” (Superposition) و"التشابك" (Entanglement)، تُظهر قوة حسابية هائلة تتفوق على الحواسيب الكلاسيكية في بعض المشكلات الرياضية، وهو ما يُعرف بـ “التفوق الكمي” (Quantum Supremacy).

في هذا المقال، سنشرح بالتفصيل التهديدات المحددة التي تواجهها تقنية البلوكتشين بسبب أجهزة الكمبيوتر الكمية، وأحدث الاتجاهات في الحلول مثل التشفير ما بعد الكمي (PQC: Post-Quantum Cryptography)، وسيناريوهات انتقال شبكات الأصول المشفرة، وذلك من منظور تقني ورياضي متعمق.

2. أساسيات الحوسبة الكمية والتهديدان الرئيسيان للبلوكتشين

تتكون أنظمة البلوكتشين الحالية بشكل أساسي من عنصري التشفير التاليين، وكلاهما معرض لتهديدات مختلفة بسبب الخوارزميات الكمية.

graph TD A["القوة الحسابية الهائلة للحوسبة الكمية"] --> B["خوارزمية شور (Shor's Algorithm)"] A --> C["خوارزمية غروفر (Grover's Algorithm)"] B --> D["انهيار تشفير المفتاح العام (ECDSA/RSA/DSA)"] C --> E["التأثير على دوال التجزئة المشفرة (SHA-256)"] D --> F["تحديد المفاتيح الخاصة للآخرين وتزوير المعاملات"] E --> G["ميزة تعدين إثبات العمل (PoW) وهجمات على بعض العناوين"] F --> H["تهديد قاتل ومباشر في البلوكتشين"] G --> I["تهديد يمكن التعامل معه بتعديل الخوارزمية (مثل زيادة طول المفتاح)"] style H fill:#ff9999,stroke:#cc0000,stroke-width:2px; style I fill:#ffff99,stroke:#cccc00,stroke-width:2px;

2.1. أساسيات تشفير المنحنى الإهليلجي (ECDSA) والصعوبة الحسابية

تعتمد العديد من البلوكتشين، بما في ذلك البيتكوين والإيثريوم (Ethereum)، على خوارزمية التوقيع الرقمي للمنحنى الإهليلجي (ECDSA: Elliptic Curve Digital Signature Algorithm) كخوارزمية توقيع رقمي. على وجه التحديد، تستخدم البيتكوين منحنى إهليلجي ذو المعلمة secp256k1.

يعتمد أمان تشفير المنحنى الإهليلجي على الصعوبة الحسابية لـ مشكلة اللوغاريتم المتقطع للمنحنى الإهليلجي (ECDLP: Elliptic Curve Discrete Logarithm Problem). يتم تعريف المنحنى الإهليلجي من خلال المعادلة التالية في نموذج فايرشتراس القياسي:

$$ y^2 \equiv x^3 + ax + b \pmod{p} $$

في secp256k1 الخاص بالبيتكوين، $a = 0, b = 7$ و $p$ هو عدد أولي ضخم للغاية. لنفترض أن النقطة الأساسية (نقطة المرجع) على هذا المنحنى هي $G$، وأن المفتاح الخاص هو عدد صحيح ضخم عشوائي بحجم 256 بت يُرمز له بالرمز $k$. في هذه الحالة، يتم الحصول على المفتاح العام $K$ عن طريق إضافة النقطة الأساسية $k$ مرة (الضرب القياسي).

$$ K = k \times G = \underbrace{G + G + \dots + G}_{k \text{ times}} $$

إن استخدام الحواسيب الكلاسيكية لعكس (حساب اللوغاريتم المتقطع) المفتاح الخاص $k$ من المفتاح العام المكشوف $K$ والنقطة الأساسية $G$ يتطلب وقتًا أسيًا $\mathcal{O}(\sqrt{p})$ حتى باستخدام أفضل الخوارزميات الكلاسيكية مثل خوارزمية بولارد-رو لتفكيك العوامل الأولية. بالنسبة لمفتاح بحجم 256 بت، يتطلب ذلك حوالي $2^{128}$ عملية حسابية، وهو أمر لا يمكن حله حتى لو تم تشغيل الحواسيب العملاقة الحالية لمليارات السنين.

2.2. الانهيار بسبب خوارزمية شور (Shor’s Algorithm)

ومع ذلك، فإن خوارزمية شور التي اقترحها بيتر شور في عام 1994 قد دمرت هذا الافتراض بالكامل. تم اقتراح خوارزمية شور في الأصل لحل مشكلة التحليل إلى العوامل الأولية (أساس تشفير RSA) في وقت كثير الحدود، ولكن يمكن تطبيقها أيضًا على مشكلة اللوغاريتم المتقطع ومشكلة اللوغاريتم المتقطع للمنحنى الإهليلجي.

يكمن جوهر خوارزمية شور في استخدام تحويل فورييه الكمي (QFT: Quantum Fourier Transform) للعثور على “دورة” (Period) الدالة بسرعة عالية.

$$ \text{التعقيد الزمني الكلاسيكي} = \mathcal{O}(2^{n/2}) \quad (n \text{ هو طول البت}) $$ $$ \text{التعقيد الزمني للخوارزمية الكمية} = \mathcal{O}(n^3) $$

وهكذا، تعمل خوارزمية شور على تقليص الوقت الأسي بشكل كبير إلى وقت كثير الحدود (Polynomial Time). إذا تم بناء كمبيوتر كمي يحتوي على عدد كافٍ من الكيوبتات المنطقية، فسيكون من الممكن تحديد المفتاح الخاص $k$ من المفتاح العام $K$ المنشور على الشبكة في غضون دقائق أو ثوانٍ. سيسمح هذا للمهاجمين بالحصول بسهولة على المفاتيح الخاصة لمحافظ الآخرين والسيطرة الكاملة على أموالهم.

2.2.1. خطوة بخطوة: فك تشفير ECDLP باستخدام خوارزمية شور

دعنا نستعرض العمليات الداخلية لكيفية حل الكمبيوتر الكمي لمشكلة اللوغاريتم المتقطع للمنحنى الإهليلجي (ECDLP) خطوة بخطوة.

إعداد المشكلة: في المعادلة $K = k \times G$، $G$ و $K$ معروفان، ونريد إيجاد العدد الصحيح المجهول $k$ (المفتاح الخاص). لنفترض أن رتبة المنحنى الإهليلجي هي $N$.

الخطوة 1: إنشاء حالة التراكب أولاً، نقوم بإعداد سجلين كميين وتطبيق بوابة هادامارد (Hadamard Gate) على كل منهما لإنشاء حالة تراكب لجميع مجموعات الأعداد الصحيحة الممكنة.

$$ |\psi_1\rangle = \frac{1}{N} \sum_{x=0}^{N-1} \sum_{y=0}^{N-1} |x\rangle |y\rangle |0\rangle $$

الخطوة 2: تطبيق الأوراكل الكمي (تقييم الدالة) بعد ذلك، باستخدام دائرة كمية (أوراكل) تقوم بجمع النقاط على المنحنى الإهليلجي، نحسب الدالة $f(x, y) = x \times G + y \times K$ في السجل الثالث.

$$ |\psi_2\rangle = \frac{1}{N} \sum_{x=0}^{N-1} \sum_{y=0}^{N-1} |x\rangle |y\rangle |x \times G + y \times K\rangle $$

النقطة المهمة هنا هي أنه نظرًا لأن $K = k \times G$، يمكن إعادة كتابة المعادلة كـ $f(x, y) = (x + y \cdot k) \times G$.

الخطوة 3: قياس السجل الثالث عند قياس السجل الثالث، ينهار إلى نقطة معينة $R$ على المنحنى الإهليلجي. نتيجة لذلك، ينهار السجلان الأول والثاني إلى حالة تراكب للأزواج $(x, y)$ التي تلبي المعادلة $x + y \cdot k \equiv c \pmod{N}$ (حيث $c$ ثابت).

$$ |\psi_3\rangle = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{y=0}^{N-1} |c - y \cdot k \pmod{N}\rangle |y\rangle $$

الخطوة 4: تطبيق تحويل فورييه الكمي (QFT) تحتوي هذه الحالة على دورية مرتبطة بالدورة $k$. بتطبيق تحويل فورييه الكمي العكسي (Inverse QFT) هنا، نتسبب في تداخل الطور، مما يحول معلومات الدورة إلى سعة.

الخطوة 5: القياس والمعالجة الكلاسيكية اللاحقة عند قياس السجلين الأول والثاني، نحصل باحتمال كبير على قيمة تحتوي على معلومات حول $k$. بتطبيق خوارزميات نظرية الأعداد الكلاسيكية مثل الكسور المستمرة (Continued Fractions) على القيمة المقاسة، يمكننا تحديد المفتاح الخاص المجهول $k$ تمامًا.

عدد البوابات الكمية المطلوبة لهذه العملية بأكملها هو $\mathcal{O}(\log^3 N)$، وهي تكشف عن المفتاح الخاص بسرعة فائقة لا يمكن مقارنتها ببحث $\mathcal{O}(\sqrt{N})$ بواسطة الحواسيب الكلاسيكية.

2.3. خوارزمية غروفر (Grover’s Algorithm) والتأثير على دوال التجزئة

التهديد الآخر هو خوارزمية غروفر التي اقترحها لوف غروفر في عام 1996. هذه الخوارزمية لها تأثير كبير على دوال التجزئة (مثل: SHA-256).

في البلوكتشين، تُستخدم دوال التجزئة لضمان سلامة البيانات، وتوليد العناوين، وكأساس لـ تعدين إثبات العمل (PoW: Proof of Work) في البيتكوين. يمكن اعتبار الحساب العكسي لدالة التجزئة (حساب الصورة المسبقة) كـ “مشكلة بحث في قاعدة بيانات غير مهيكلة”، حيث نبحث عن قيمة الإدخال $x$ التي تحقق $H(x) = y$ لقيمة إخراج معينة $y$.

في الحواسيب الكلاسيكية، يتطلب العثور على الإجابة الصحيحة من بين $N$ احتمال إجراء $\frac{N}{2}$ محاولة في المتوسط، و $N$ محاولة في أسوأ الحالات. بعبارة أخرى، التعقيد الحسابي هو $\mathcal{O}(N)$. ومع ذلك، تستخدم خوارزمية غروفر تقنية كمية تسمى “تضخيم السعة” (Amplitude Amplification). من خلال التضخيم المتكرر لسعة الاحتمال للحالة التي تمثل الإجابة الصحيحة من بين جميع الاحتمالات في حالة التراكب، يتم تقليل وقت البحث إلى الجذر التربيعي.

$$ \text{التعقيد الحسابي لخوارزمية غروفر} = \mathcal{O}(\sqrt{N}) $$

في حالة SHA-256، نظرًا لأن $N = 2^{256}$، يتطلب البحث الشامل الكلاسيكي حوالي $2^{256}$ محاولة. ومع ذلك، باستخدام خوارزمية غروفر، لا يتطلب الأمر سوى $\sqrt{2^{256}} = 2^{128}$ محاولة. هذا يعني أن دالة التجزئة بحجم 256 بت تُقلل فعليًا إلى النصف لتصبح قوة أمان 128 بت ضد الحواسيب الكمية.

2.3.1. هل ستنجو SHA-256؟ (التفوق الكمي في التجزئة)

على الرغم من أن الأمان ينخفض إلى النصف، إلا أن “أمان 128 بت” لا يزال قويًا للغاية. عدد العمليات الحسابية $2^{128}$ يمثل رقمًا فلكيًا حتى من منظور المستوى التكنولوجي الحالي، ويتطلب فترة زمنية تقارب عمر الكون. لذلك، يُعتقد على نطاق واسع أن “SHA-256 ستحافظ على أمان عملي حتى ضد أجهزة الكمبيوتر الكمية”. في المستقبل، إذا كانت هناك حاجة لزيادة هامش الأمان، فإن مجرد مضاعفة طول إخراج التجزئة (على سبيل المثال، الانتقال من SHA-256 إلى SHA-512) سيكفي للحفاظ على أمان 256 بت الكلاسيكي في العالم الكمي.

في الختام، يمكن القول إن التهديد الكمي لدوال التجزئة “طفيف ويمكن إدارته”، بينما التهديد لتشفير المفتاح العام (ECDSA) “قاتل”.

3. تحليل التأثير الملموس على الأصول المشفرة الحالية (البيتكوين، الإيثريوم)

في عالم حيث أصبح فك تشفير ECDSA ممكنًا بواسطة الحواسيب الكمية، ما هي نقاط الضعف المحددة التي ستواجهها شبكات الأصول المشفرة؟ هنا، سنقوم بإجراء تحليل مفصل باستخدام آلية البيتكوين كمثال، من منظور “توقيت الكشف عن المفتاح العام”.

3.1. إنشاء العناوين و “سرية” المفتاح العام

لا تستخدم عناوين البيتكوين (P2PKH: Pay-to-Public-Key-Hash أو P2WPKH: Pay-to-Witness-Public-Key-Hash) المفتاح العام بحد ذاته، بل يتم تجزئة المفتاح العام عدة مرات.

$$ \text{Bitcoin Address} = \text{Base58Check}(\text{RIPEMD160}(\text{SHA256}(\text{Public Key}))) $$

كما ذكرنا سابقًا، نظرًا لأن دوال التجزئة مقاومة للهجمات الكمية (خوارزمية غروفر)، فمن المستحيل حتى على الكمبيوتر الكمي إجراء حساب عكسي لـ “المفتاح العام” الأصلي من “العنوان” الذي هو قيمة التجزئة. بعبارة أخرى، بالنسبة لـ “العناوين غير المستخدمة (التي لم يتم إرسال أموال منها أبدًا)”، لا يتم الكشف عن المفتاح العام إطلاقًا على البلوكتشين، ويتم تسجيل قيمة التجزئة فقط. لذلك، طالما أن المفتاح العام غير معروف، فلا يوجد هدف لتشغيل خوارزمية شور، ولا يمكن تحديد المفتاح الخاص. يمكن القول إن المحافظ في هذه الحالة آمنة كميًا (Quantum-safe).

3.2. الضعف القاتل عند إرسال المعاملات (هجوم الجري الاستباقي)

تظهر المشكلة عندما يقوم المستخدم بإرسال أموال. عند بث (إرسال) معاملة إلى الشبكة، يجب على المستخدم تضمين مفتاحه العام في بيانات المعاملة والكشف عنه للشبكة بأكملها للتحقق، بالإضافة إلى توقيعه الرقمي.

sequenceDiagram participant User as "المستخدم (أليس)" participant Mempool as "Mempool (تجمع المعاملات غير المؤكدة)" participant QuantumAttacker as "المهاجم الكمي" participant Miner as "المُعدِّن (إنشاء الكتل)" User->>Mempool: إرسال المعاملة (تتضمن المفتاح العام + التوقيع) Mempool-->>QuantumAttacker: اعتراض المفتاح العام على الشبكة note right of QuantumAttacker: تنفيذ خوارزمية شور في دقائق
(حساب المفتاح الخاص من المفتاح العام) QuantumAttacker->>QuantumAttacker: إنشاء توقيع جديد باستخدام المفتاح الخاص لأليس QuantumAttacker->>Mempool: بث معاملة تحويل احتيالية برسوم تعدين أعلى Miner->>Miner: إعطاء الأولوية للمعاملة الاحتيالية ذات الرسوم (الغاز) الأعلى وتضمينها في الكتلة Miner-->>User: تسجيلها في البلوكتشين (خسارة أموال أليس)

بمجرد إرسال المفتاح العام إلى Mempool (منطقة انتظار المعاملات غير المؤكدة)، تتم مشاركة هذه البيانات مع العُقد حول العالم. إذا كان المهاجم يمتلك كمبيوتر كمي فائق السرعة، فيمكنه سرقة الأموال من خلال العملية التالية:

اعتراض معاملة المستخدم الشرعي (أليس) من Mempool واستخراج المفتاح العام.
تشغيل خوارزمية شور وحساب المفتاح الخاص من المفتاح العام في غضون دقائق (قبل تأكيد الكتلة).
استخدام المفتاح الخاص الذي تم الحصول عليه لإنشاء معاملة مزيفة ترسل أموال أليس إلى عنوان المهاجم.
إرسال هذه المعاملة المزيفة إلى الشبكة مع تحديد رسوم تعدين (Fee) أعلى بكثير من المعاملة الأصلية لأليس.

بناءً على الحوافز الاقتصادية، يقوم المُعدنون بشكل تفضيلي بتضمين المعاملات ذات الرسوم المرتفعة في الكتلة. نتيجة لذلك، يتم تأكيد (Confirm) المعاملة الاحتيالية للمهاجم أولاً، ويتم تجاهل معاملة أليس الشرعية باعتبارها “إنفاقًا مزدوجًا” (Double Spend) بسبب نقص الرصيد. تُسمى هذه السلسلة من الأحداث هجوم الجري الاستباقي (Front-running Attack)، وفي عالم أصبحت فيه الحواسيب الكمية حقيقة واقعة، ستؤدي إلى موقف مرعب حيث يتم سرقة الأموال من قبل قراصنة بمجرد ضغط شخص ما على زر الإرسال.

3.3. أزمة العناوين المعاد استخدامها والعناوين القديمة (P2PK)

المشكلة الأكثر خطورة هي أن العناوين التي تم إرسال أموال منها ولو مرة واحدة في الماضي (مثل حالة إعادة الاستخدام كعناوين تغيير) قد سُجل مفتاحها العام بالفعل وبشكل دائم على البلوكتشين. هذه العناوين معرضة باستمرار لخطر حساب المفتاح الخاص الخاص بها وسرقة رصيدها، دون الحاجة حتى لانتظار إرسال معاملة جديدة.

علاوة على ذلك، في تنسيق P2PK (Pay-to-Public-Key) الذي كان سائدًا في حوالي عام 2009-2010، والذي يتضمن مكافآت التعدين الأولية لساتوشي ناكاموتو (أكثر من مليون BTC)، تم تسجيل المفتاح العام نفسه مباشرة على البلوكتشين كعنوان بدلاً من قيمة التجزئة. هذه الكمية الهائلة من البيتكوين الخاملة ستكون الهدف الأسهل لأجهزة الكمبيوتر الكمية، ومن الممكن أن تُسرق كلها مرة واحدة وتُغرق السوق، مما قد يتسبب في انهيار كارثي في الأسعار.

4. سيناريو الانتقال إلى التشفير المقاوم للكم (PQC: Post-Quantum Cryptography)

لتجنب كارثة “يوم Q” (اليوم الذي تخترق فيه الحواسيب الكمية التشفير)، يخطط مجتمع التشفير ومجتمع البلوكتشين للانتقال إلى التشفير ما بعد الكمي (PQC) الذي يصعب فك تشفيره حتى بواسطة الخوارزميات الكمية. على مر السنين، قاد المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST) في الولايات المتحدة عملية التوحيد القياسي لـ PQC، وبعد عدة جولات من التقييم الصارم، تم اختيار بعض أنظمة التشفير الواعدة كمعايير نهائية.

سنشرح بالتفصيل خوارزميات PQC الرئيسية التي تجذب الانتباه كبدائل للتوقيعات الرقمية في البلوكتشين، إلى جانب آلياتها الرياضية.

4.1. التوقيعات المستندة إلى التجزئة (Hash-Based Signatures)

التوقيعات المستندة إلى التجزئة هي مخطط تشفير يعتمد أمانه حصريًا على أساس بسيط وقوي للغاية، ألا وهو “مقاومة الاصطدام في دوال التجزئة”. نظرًا لأنه قد تم بالفعل إثبات أمان دوال التجزئة ضد أجهزة الكمبيوتر الكمية (كما ذكرنا، يكفي هامش أمان يبلغ 128 بت)، فإن هذا النهج موثوق للغاية. من الأمثلة البارزة توقيع لامبورت (Lamport Signatures)، وامتداده WOTS (Winternitz One-Time Signature)، ومرشح معيار NIST المسمى SPHINCS+ (المعروف الآن باسم SLH-DSA ضمن معيار FIPS 205).

4.1.1. التفاصيل الرياضية لتوقيع لامبورت (التوقيع لمرة واحدة)

دعنا نلقي نظرة فاحصة على الرياضيات الكامنة وراء توقيع لامبورت. لنفترض أن دالة التجزئة هي $H: \{0, 1\}^* \to \{0, 1\}^{256}$.

【توليد المفاتيح】 تستخدم أليس (المرسل) مولد أرقام عشوائية حقيقي (TRNG) لإنشاء 256 زوجًا من المفاتيح الخاصة.

$$ \text{sk}_{i,0} \in \{0, 1\}^{256}, \quad \text{sk}_{i,1} \in \{0, 1\}^{256} \quad (1 \le i \le 256) $$

وبالتالي، يتكون المفتاح الخاص $\text{sk}$ من 512 سلسلة نصية بحجم 256 بت (الحجم: $512 \times 32 = 16,384$ بايت).

بعد ذلك، يتم حساب المفتاح العام $\text{pk}$. يتم تجزئة كل مكون من مكونات المفتاح الخاص على حدة.

$$ \text{pk}_{i,0} = H(\text{sk}_{i,0}), \quad \text{pk}_{i,1} = H(\text{sk}_{i,1}) $$

يبلغ حجم المفتاح العام أيضًا $16,384$ بايت. يتم نشر هذا على شبكة البلوكتشين.

【توليد التوقيع】 لتوقيع بيانات المعاملة $M$، تقوم أليس أولاً بحساب قيمة التجزئة الخاصة بها.

$$ h = H(M) \in \{0, 1\}^{256} $$

لنفترض أن البت $i$ من قيمة التجزئة $h$ هو $h_i \in \{0, 1\}$. سيكون توقيع أليس $\sigma$ عبارة عن مجموعة من مكونات المفتاح الخاص المقابلة لكل بت $h_i$.

$$ \sigma = (\text{sk}_{1, h_1}, \text{sk}_{2, h_2}, \dots, \text{sk}_{256, h_{256}}) $$

بعبارة أخرى، إذا كان بت تجزئة الرسالة هو 0، فسيتم الكشف عن $\text{sk}_{i,0}$، وإذا كان 1، فسيتم الكشف عن $\text{sk}_{i,1}$. سيكون حجم التوقيع $256 \times 32 = 8,192$ بايت.

【التحقق من التوقيع】 يقوم المُعدِّن (المدقق) بالتحقق باستخدام المعاملة المستلمة $M$ والتوقيع $\sigma = (s_1, s_2, \dots, s_{256})$ والمفتاح العام $\text{pk}$. يعيد حساب تجزئة المعاملة $h = H(M)$ ويتحقق مما إذا كانت تجزئة كل $s_i$ تتطابق مع العنصر المقابل في المفتاح العام $\text{pk}_{i, h_i}$.

$$ H(s_i) \overset{?}{=} \text{pk}_{i, h_i} \quad (\text{for all } 1 \le i \le 256) $$

هذه العملية بسيطة للغاية من الناحية الرياضية، ومن المستحيل تزوير التوقيع ما لم يتمكن الكمبيوتر الكمي من إجراء حساب عكسي لـ $H$. ومع ذلك، بمجرد توقيع رسالة، يتم الكشف عن نصف المفتاح الخاص للشبكة. إذا تم استخدام نفس زوج المفاتيح لتوقيع رسالة أخرى، فإن المفاتيح الخاصة المكشوفة ستجتمع لمنح المهاجم فرصة للتزوير. لذلك، هناك قيد قوي بأنه لا يمكن استخدامه إلا “لمرة واحدة” (One-Time). لجعل هذا عمليًا، تم تطوير تقنيات مثل XMSS، التي تستخدم شجرة ميركل لربط العديد من مفاتيح المرة الواحدة بمفتاح عام جذري واحد، و SPHINCS+ عديمة الحالة. ومع ذلك، هناك عيب يتمثل في أن حجم التوقيع يصل إلى عشرات الكيلوبايتات.

4.2. التشفير المستند إلى الشبكية (Lattice-Based Cryptography)

حاليًا، يُتوقع أن يكون التشفير المستند إلى الشبكية هو التيار الرئيسي لـ PQC، وقد تم تبنيه كمعيار رئيسي لـ NIST (مثل FIPS 204: ML-DSA / CRYSTALS-Dilithium سابقًا، و Falcon).

يعتمد أمان التشفير الشبكي على مشكلات يصعب حلها رياضيًا وتم إثباتها، مثل “مشكلة المتجه الأقصر في الشبكات متعددة الأبعاد (SVP: Shortest Vector Problem)” و “التعلم مع الأخطاء (LWE: Learning With Errors)”. لم يتم اكتشاف خوارزميات فعالة لحل مشاكل الشبكية حتى باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمية.

النموذج الرياضي لـ LWE (التعلم مع الأخطاء): الفكرة الأساسية وراء مشكلة LWE هي أن إضافة “ضوضاء صغيرة (خطأ)” متعمدة إلى نظام من المعادلات الخطية يجعل المشكلة صعبة للغاية. لنفترض أن المتجه السري هو $\mathbf{s} \in \mathbb{Z}_q^n$. يوجد مصفوفة عامة ضخمة تم اختيارها عشوائيًا $\mathbf{A} \in \mathbb{Z}_q^{m \times n}$ ومتجه ضوضاء صغير يضاف عن قصد $\mathbf{e} \in \mathbb{Z}_q^m$. يتم حساب المفتاح العام $\mathbf{b}$ على النحو التالي:

$$ \mathbf{b} = \mathbf{A}\mathbf{s} + \mathbf{e} \pmod{q} $$

حتى لو كانت المصفوفة $\mathbf{A}$ والمتجه $\mathbf{b}$ (المفتاح العام) عامين، فإن حساب المفتاح السري $\mathbf{s}$ منهما يصبح صعبًا جدًا بسبب وجود الضوضاء $\mathbf{e}$. بدون الضوضاء، يمكن حلها ببساطة باستخدام الحذف الغاوسي، ولكن مع الضوضاء، تتوسع مساحة البحث في جميع الأبعاد بشكل انفجاري، مما يوفر أمانًا قويًا ضد كل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية. في الخوارزميات الفعلية المستخدمة في البلوكتشين (مثل Dilithium)، يتم استخدام هذا المفهوم موسعًا على الحلقات متعددة الحدود كـ Ring-LWE (أو Module-LWE)، مما يؤدي إلى تقليل حجم المفتاح وتسريع العمليات الحسابية.

المزايا: بالمقارنة مع التوقيعات المستندة إلى التجزئة، فإن أحجام المفتاح العام والتوقيع صغيرة نسبيًا (بضعة كيلوبايتات)، وسرعة توليد التوقيع والتحقق منه سريعة للغاية (مكافئة أو أفضل من ECDSA).
العيوب: الهيكل الرياضي معقد، وفترة التحقق التاريخية قصيرة، لذا فإن خطر اكتشاف خوارزمية فك تشفير جديدة في المستقبل ليس صفراً.

5. التحديات التقنية في انتقال البلوكتشين إلى PQC

مجرد وجود خوارزميات PQC (مثل Dilithium و SPHINCS+) لا يعني أنه يمكن تقديمها إلى البيتكوين أو الإيثريوم غدًا. هناك عدد من التحديات الخطيرة الخاصة بالأنظمة اللامركزية.

5.1. تضخم حجم التوقيع وانهيار قابلية التوسع

العائق الأكبر أمام اعتماد PQC هو التضخم الهائل في حجم البيانات. بينما يبلغ حجم توقيع ECDSA الحالي حوالي 70 بايت، فإن حجم التوقيع في تشفير الشبكية Dilithium (ML-DSA) يتراوح من حوالي 2,420 بايت إلى 4,595 بايت (اعتمادًا على مستوى الأمان)، ويتجاوز حجم المفتاح العام أيضًا 1,300 بايت. أما بالنسبة لـ SPHINCS+ القائم على التجزئة، فإن التوقيع وحده يصل إلى عشرات الآلاف من البايتات.

إذا قدمت البيتكوين PQC بنفس الحد الأقصى الحالي لحجم الكتلة (حوالي 4 ميغابايت وزن مع SegWit)، فإن عدد المعاملات التي يمكن تخزينها في كتلة واحدة سينخفض بشكل حاد. ستنخفض إنتاجية الشبكة (TPS: المعاملات في الثانية) بشكل مدمر، وسيصبح ازدحام التحويلات هو الوضع الطبيعي. لحل هذه المشكلة، ستكون هناك حاجة إلى زيادة كبيرة في حجم الكتلة، ولكن هذا سيزيد من متطلبات التخزين وعرض النطاق الترددي للشبكة للعقد الكاملة (Full Nodes)، مما سيجعل تشغيل العقد الفردية أمرًا صعبًا، وسيؤدي في النهاية إلى معضلة المركزية في الشبكة.

pie title "مقارنة أحجام بيانات التوقيع في البلوكتشين (رسم توضيحي)" "ECDSA (حوالي 70 بايت)" : 2 "Dilithium ML-DSA (حوالي 2500 بايت)" : 58 "SPHINCS+ (حوالي 17000 بايت)" : 40

(※ تضخم بيانات المعاملات بسبب تقديم PQC سيكون بمثابة عنق زجاجة قاتل لقابلية التوسع)

5.2. التأثير على آلة الإيثريوم الافتراضية (EVM) والعقود المترجمة مسبقًا

في منصات العقود الذكية مكتملة تورنغ (Turing-complete) مثل الإيثريوم، يتطلب تقديم PQC ترقية أساسية لـ EVM (آلة الإيثريوم الافتراضية). في EVM الحالية، يتوفر عقد مترجم مسبقًا (Precompiled Contract) يسمى ecrecover (في العنوان: 0x01) للتحقق من توقيعات ECDSA، وهو مُحسَّن للسماح بالتحقق من التوقيع بتكلفة غاز منخفضة للغاية (3000 غاز).

ومع ذلك، فإن عملية التحقق الخاصة بخوارزميات تشفير الشبكية الجديدة مثل Dilithium أو Falcon تتضمن عمليات معقدة لمتعددات الحدود والمصفوفات. إذا تم تنفيذها باستخدام أكواد عمليات EVM (Opcodes) الحالية فقط، فقد يستهلك التحقق من توقيع واحد ملايين إلى عشرات الملايين من الغاز. هذا المستوى يمكن أن يستنفد الحد الأقصى لغاز الكتلة الحالي (حوالي 30 مليون غاز) في معاملة واحدة.

لتجنب ذلك، من الضروري دمج عقد جديد مترجم مسبقًا للتحقق من PQC (على سبيل المثال: تعيين DilithiumVerify إلى 0x10) في EVM نفسها من خلال هارد فورك (Hard Fork) للشبكة. سيتطلب هذا عملية طويلة المدى يتعاون فيها المطورون الأساسيون لمختلف عملاء الإيثريوم (Geth و Nethermind و Erigon وما إلى ذلك) لتنفيذ منطق التحقق من تشفير الشبكية الأمثل بلغات مثل C++ و Go و Rust، وإجراء عمليات تدقيق أمني.

5.3. صعوبة التوافق عبر الهارد فورك (Hard Fork)

لتغيير خوارزمية التوقيع الأساسية، يعد إجراء هارد فورك (Hard Fork) لتحديث بروتوكول الشبكة بالكامل أمرًا لا غنى عنه. ومع ذلك، في المجتمعات التي تولي أهمية كبيرة لـ “عدم تغيير القواعد واللامركزية” مثل مجتمع البيتكوين، تكون عملية تحقيق التوافق صعبة للغاية من الناحية السياسية. من المحتمل أن تمر عدة سنوات من المناقشات والاختبارات من وقت اقتراح مقترح تحسين البيتكوين (BIP) المتعلق بالانتقال إلى PQC حتى تنفيذه.

6. متى سيأتي “يوم Q”؟ خريطة الطريق نحو الانتقال

متى سيأتي “اليوم الذي ستتمكن فيه الحواسيب الكمية من فك تشفير المنحنى الإهليلجي ذو 256 بت بالكامل (Q-Day)"؟ تختلف الآراء بين الباحثين، لكن العديد من الخبراء يتوقعون ظهور حواسيب كمية واسعة النطاق تحتوي على آلاف إلى عشرات الآلاف من الكيوبتات المنطقية المستقرة (كيوبتات مصححة الأخطاء ومقاومة للضوضاء) “من منتصف الثلاثينيات إلى الأربعينيات من القرن الحادي والعشرين”. ومع ذلك، واستنادًا إلى الاختراقات المحتملة في بنية الأجهزة أو اكتشاف خوارزميات كمية أكثر كفاءة، لا يمكن استبعاد احتمال أن يأتي هذا اليوم في وقت أبكر (حوالي عام 2030).

فيما يلي خريطة الطريق التي يجب أن يتخذها النظام البيئي للأصول المشفرة قبل فوات الأوان:

المرحلة 1: التوقيعات الهجينة وتجريد الحساب (من الآن وحتى حوالي عام 2028)

في عالم البلوكتشين الحالي، وخاصة مطوري الإيثريوم (مثل فيتاليك بوتيرين)، يدرسون استخدام “التوقيعات الهجينة” التي تجمع بين ECDSA و PQC (التوقيعات المستندة إلى التجزئة أو التشفير الشبكي). هذا نهج يتم فيه إرفاق كل من توقيع ECDSA الآمن الحالي وتوقيع PQC بالمعاملة، بحيث تظل المعاملة آمنة حتى لو تم اختراق أحدهما. بالإضافة إلى ذلك، من خلال استخدام تجريد الحساب (Account Abstraction, ERC-4337)، هناك جهود جارية لتنفيذ ودعم توقيعات PQC على محافظ العقود الذكية على أساس اختيار المستخدم (Opt-in) دون انتظار هارد فورك على مستوى البروتوكول.

المرحلة 2: استخدام إثبات المعرفة الصفرية (ZK-Rollups) (2025 وما بعده)

ورقة رابحة متوقعة لحل نقطة الضعف الأكبر في PQC، وهي “تضخم بيانات التوقيع”، تتمثل في استخدام ZK-Rollups (إثبات المعرفة الصفرية)، وهي تقنية الطبقة الثانية (Layer 2). بدلاً من كتابة بيانات توقيع PQC الضخمة مباشرة على الطبقة الأولى (Layer 1 - السلسلة الرئيسية)، يتم التحقق من وتجميع العديد من معاملات PQC على الطبقة الثانية. بعد ذلك، باستخدام ZK-SNARKs أو ZK-STARKs، يتم ضغطها في “بيانات إثبات” (Proof) صغيرة جدًا وتسجيلها على الطبقة الأولى. وتجدر الإشارة إلى أن بعض هياكل SNARKs (مثل Groth16) بحد ذاتها عرضة للكم، لذا فإن الاعتماد على ZK-STARKs، الذي يعتمد فقط على دوال التجزئة المقاومة للكم، سيكون هو المفتاح.

المرحلة 3: الهارد فورك على مستوى البروتوكول (حوالي عام 2030)

بمجرد ترسيخ التوحيد القياسي لـ PQC من قبل NIST بشكل كامل واختبار مكتبات معايير الصناعة بشكل كافٍ، من المتوقع أن يتم تنفيذ هارد فورك للانتقال بالكامل إلى PQC كطريقة توقيع افتراضية على السلاسل الرئيسية مثل Bitcoin و Ethereum. خلال هذه الفترة الانتقالية، ستكون هناك إعلانات ضخمة تحث المستخدمين على “نقل الأموال من المحافظ القديمة إلى المحافظ الجديدة المتوافقة مع PQC”.

أمثلة على المشاريع الرائدة

استبقت بعض مشاريع البلوكتشين هذا التهديد الكمي وتم تطويرها بمقاومة الكم منذ البداية.

QRL (Quantum Resistant Ledger): بلوكتشين مبكر يطبق محليًا PQC مستند إلى التجزئة يسمى XMSS (مخطط توقيع ميركل الممتد) على مستوى البروتوكول.
Algorand / Cellframe: مشاريع تتميز ببنية تركيبية مرنة لطبقة التشفير تحسبًا لتحديثات PQC المستقبلية، وتبحث بنشاط عن دمج تشفير الشبكية.

7. الخاتمة: من أجل حماية مستقبل الأصول المشفرة وأصولنا

إن وصول “عصر ما بعد الكم” قد تجاوز عالم الخيال العلمي، ويقترب منا بالفعل كتحدٍ تقني ملموس يواجه أنظمة التشفير الحقيقية.

يهدد سيفا الحواسيب الكمية ذوا الحدين - خوارزمية شور وخوارزمية غروفر - تشفير المفتاح العام ودوال التجزئة، وهما أساس البلوكتشين الحالي، على التوالي. على وجه الخصوص، يعد ضعف ECDSA أمرًا قاتلًا، والانتقال إلى التشفير ما بعد الكمي (PQC) أمر لا مفر منه على الإطلاق لتجنب خطر سرقة الأموال من خلال هجمات الجري الاستباقي.

ومع ذلك، فإن عالم التكنولوجيا ومجتمع البلوكتشين لا ينتظران الدمار مكتوفي الأيدي. يتقدم اختيار وتوحيد خوارزميات PQC مثل التشفير الشبكي والتوقيعات المستندة إلى التجزئة بثبات، وبدأنا نرى طريقًا للتغلب على العقبة الأكبر لاعتماد PQC، وهي “تضخم حجم البيانات”، من خلال الاستفادة من إثباتات المعرفة الصفرية (ZK-STARKs) وتقنيات توسع الطبقة الثانية.

لا داعي للمستخدمين والمستثمرين العاديين للأصول المشفرة للذعر وبيع جميع أموالهم الآن. ومع ذلك، من المهم أن يكون لديهم المعرفة الأساسية والوعي بالدفاع عن النفس على النحو التالي:

تجنب إعادة استخدام العناوين: من منظور الخصوصية والأمان على حد سواء، تأكد من عدم تخزين الأموال لفترات طويلة في “العناوين المستخدمة (العناوين التي تم إرسال الأموال منها ولو مرة واحدة، مما أدى إلى كشف المفتاح العام على البلوكتشين)”.
الانتباه إلى الاتجاهات التقنية: كن على اطلاع دائم بمقترحات تحسين الشبكات الرئيسية (مثل BIP للبيتكوين و EIP للإيثريوم)، وأخبار الهارد فورك المتعلقة بالانتقال إلى PQC، حتى تتمكن من ترحيل محافظك بشكل صحيح عند الحاجة.

تاريخ البلوكتشين هو دائمًا تاريخ من الترقيات والمرونة في مواجهة التهديدات التقنية الجديدة. تمامًا كما تم التغلب على مشاكل قابلية التوسع والمشاكل البيئية (مثل الانتقال من PoW إلى PoS)، فإن النظام البيئي بأكمله سيبحث بلا شك عن حلول ويتكيف مع هذا التهديد الكمي غير المسبوق. نأمل في مستقبل حيث حكمة البشرية الجديدة، المتمثلة في الحواسيب الكمية، وتكنولوجيا الثقة، المتمثلة في دفاتر الأستاذ الموزعة اللامركزية، لا تدمر بعضها البعض من خلال التصادم، بل تتسامى إلى نظام قوي مدمج في مستوى أعلى.

المراجع والروابط ذات الصلة:

National Institute of Standards and Technology (NIST) - Post-Quantum Cryptography Standardization Project
Shor, P. W. (1994). Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring.
Grover, L. K. (1996). A fast quantum mechanical algorithm for database search.
Buterin, V. (2024). How to hard-fork to save most users’ funds in a quantum emergency.