التعليقات مغلقة لهذا المنشور
علوم
الكمبيوتر الكمّي سيغير شكل العالم كما نعرفه
نشر في: 24 يناير 2018
أجهزة الكمبيوتر الكمية هي آلات قوية بشكل لا يصدق، إذ تتميز بكونها تأخذ نهجاً جديداً تماماً لمعالجة المعلومات.
هذه الأجهزة مبنية على مبادئ ميكانيكا الكم، لذلك فإنها تعتمد على قوانين معقدة.
سنحاول تبسيط الأمر أكثر .. النظام الرقمي المستخدم حالياً في جميع الإلكترونيات يعتمد على "النظام الثنائي"، وهو المكون من الرقمين (صفر وواحد) فقط. ففي أجهزة الكمبيوتر العادية التي نستخدمها الآن، لا يوجد لدينا سوى خيارين: التشغيل أو الإطفاء (on and off) لمعالجة المعلومات.
وبالتالي فإن أصغر وحدة يمكن إضافة المعلومات والبيانات إليها، والتي يطلق عليها اسم "بايت"، إما أن تكون "1" أو "0". وحتى يمكننا التعبير عن الرقم خمسة مثلاً، فإننا نقوم بإدخاله إلى الحاسوب على صورة (101).
وتعتمد القوة الحسابية للكمبيوتر العادي هنا على عدد الترانزستورات الثنائية -مفاتيح التشغيل والإطفاء الصغيرة- التي تأتي ضمن المعالج أو البروسيسور. على سبيل المثال تنتج شركة "إنتل" الآن معالجاً مكوناً من 5 مليارات ترانزستور، وهو ما يعني قوة أداء مرتفعة جداً، لكن هذا المعالج يظل مقيداً بالنظام الثنائي.
بينما في النظام الكمي، فإننا سنعتمد على الدمج بين مفهوم الجزيئات ومفهوم الموجات، فيما يعرف بالطبيعة المزدوجة للإلكترونات، كما يدخل معها مبدأ عدم التأكد للعالم هايزنبرغ، الذي تعتمد عليه ميكانيكا الكم.
لا بد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً، تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جداً لقوانين ميكانيكا الكم.
ففي عالم الجزيئات الأصغر من الذرة، الخاص بميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات المادية (مثل الإلكترونات) أن تتصرف مثل الموجات، وبالتالي يمكنها التصرف كجسيم مادي أو موجة أو كلاهما، وهو ما يعرف في ميكانيكا الكم باسم "التراكب". ونتيجة لهذا التراكب يمكن أن يكون الـ"بايت" (سنسميه كيوبايت في حالة الحواسيب الكمية)، إما 0 أو 1 أو 0 و1 معاً.
هذا يعني أن كل بايت يمكن أن يكون معادلتين في نفس الوقت، وسيستطيع 2 كيوبايت تكوين 4 معادلات، وسيستطيع ثلاثة كيوبايت تكوين 8 معادلات، وهكذا حتى نصل إلى أعداد كبيرة جداً، بالإضافة لبعض المفاهيم العلمية التي قد لا تستوعبها عقولنا بسهولة.
الحوسبة الكمية
يعود تاريخ مفهوم الحوسبة الكمية إلى عدد من الأفكار خلال فترة الثمانينات من القرن الماضي، التي تبناها العالم ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الأميركي، الحائز جائزة نوبل. فقد تصور فاينمان أن هذا المفهوم يمكن أن يؤدي إلى زيادة في سرعة الحواسيب الكمية بشكل كبير، لكن المفهوم ظل في نطاق الفيزياء النظرية.
الفكرة في الحوسبة الكمية أن التعامل مع البيانات لن يكون مقيداً بالصفر والواحد فقط، لكنه سيعتمد على فكرة الاحتمالات الخاصة بمبدأ عدم التأكد، وبالتالي سيكون لدينا عدد غير محدود من الخيارات.
من خلال تسخير هذا السلوك الطبيعي، يمكن للحوسبة الكمية تشغيل أنواع جديدة من الخوارزميات لمعالجة المعلومات بشكل أكثر شمولية. ويمكن أن تؤدي في يوم من الأيام إلى اختراقات ثورية في المواد واكتشاف العقاقير، والاستفادة المثلى من النظم المعقدة التي صنعها الإنسان، والذكاء الاصطناعي. نحن نتوقع من هذه التقنية أن تفتح الأبواب التي كنا نعتقد أنها ستبقى مغلقة لأجل غير مسمى.
حتى يمكنك فقط استيعاب ما نحن مقدمون عليه، فإن جهازاً واحداً من أجهزة الكمبيوتر الكمية يمكن أن يساوي جميع أجهزة الحاسوب الموجودة على كوكب الأرض الآن. هذا بالإضافة إلى أننا سنتمكن من صناعة أجهزة حاسوب أقل قليلاً مما لدينا فيما يتعلق بالحجم. تخيل أن تملك حاسوباً بحجم كف اليد، ويمكنه أن يدير مدينة كاملة إلكترونياً.
لماذا نحتاج إلى هذه الأجهزة؟
سنتحدث عن الأمر من جانبين، العام والشخصي. ففي عالم حيث نعتمد بشكل متزايد على الحوسبة، لتبادل المعلومات وتخزين البيانات، تبدو فكرة العيش دون أجهزة الكمبيوتر مربكة وغير ممكنة.
ولكن إذا واصلنا اتباع الاتجاه القائم منذ ظهور أول جهاز كمبيوتر، فإننا بحلول عام 2040 لن تكون لدينا القدرة على تشغيل جميع الآلات في جميع أنحاء العالم، وفقاً لتقرير صدر مؤخراً عن رابطة صناعة أشباه الموصلات.
ولمنع ذلك، تركز صناعة الحواسيب حالياً على إيجاد طرق لجعل الحوسبة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محدودة بسبب الحد الأدنى من الطاقة الذي تحتاجه لأداء عملية واحدة.
هذا الحد الأدنى من الطاقة أطلق عليه اسم "حد رولف لانداور" على اسم العالم الخبير في مختبرات IBM، الذي وجد في عام 1961 أنه في أي جهاز كمبيوتر، كل عملية بايت واحد يجب لها استخدام الحد الأدنى المطلق من الطاقة. وتمكن لانداور من حساب الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتشغيل الحاسوب.
الحوسبة الكمية ستستفيد من قدرة الجسيمات دون الذرية على التواجد في أكثر من مكان في نفس اللحظة. وبسبب هذه الطريقة التي يتصرف بها أصغر الجسيمات، يمكن القيام بالعمليات بسرعة أكبر، واستخدام طاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
وقد تفكك هذه النظم الكمية تعقيدات التفاعلات الجزيئية والكيميائية، لتؤدي إلى اكتشاف أدوية ومواد جديدة. ويمكن أن تمكن هذه الخدمات من توفير الخدمات اللوجستية فائقة الكفاءة، مثل تحسين عمليات تسليم البضائع خلال موسم العطلات. وقد تساعدنا في إيجاد طرق جديدة لنمذجة البيانات المالية وعزل عوامل الخطر العالمية الرئيسية لتحقيق استثمارات أفضل.
بل إنها قد تزيد قدرة الذكاء الاصطناعي على التعلم السريع، وبالتالي نخلق آلات وروبوتات قوية تتعلم ذاتياً.
بكلمات أخرى، فإن حياة كل إنسان على سطح هذا الكوكب قبل تخليق أول كمبيوتر كمي لن تكون أبداً مثل الحياة بعده..الآن الحياة ستتغير إلى الأبد.
على المستوى الشخصي، ستغير هذه الحواسيب من الإدراك العقلي للإنسان بشكل كامل، فكما أن الإنسان قبل نشأة الحاسوب يختلف عن الإنسان بعد وجوده، فإننا سنستطيع القول بمنتهى الثقة هذا هو إنسان ما بعد الحواسيب الكمية، الذي يختلف عما قبلها. ستظهر لك تطبيقات وبرامج مغايرة تماماً لما تعودت عليه، وستتعامل مع لغات برمجة مختلفة، وكل هذا سينعكس في طفرة تكنولوجية هائلة يمكن أن تشهدها هواتفك المحمولة واستخدامات الذكاء الصناعي لإدارة حياتك.
عوائق ومحاولات للحل
عام 2016، وجد فريق علماء من جوجل وناسا، أن الكمبيوتر الكمي من نوع "D-wave quantum computer" كان 100 مليون مرة أسرع من الكمبيوتر التقليدي. لكن المشكلة هي أن نقل الحوسبة الكمية إلى النطاق الصناعي هو أمر صعب، وقد يستغرق سنوات عديدة.
وأعلنت شركة IBM عام 2017، أن أحد أقسامها يعمل على تطوير أجهزة كمبيوتر كمية يمكن بيعها تجارياً خلال السنوات القادمة. في حين أن الباحثين في جوجل يقولون إن الشركة يمكن أن تبدأ في تحقيق تقدم فيما يتعلق بعناصر تكنولوجيا الكمبيوتر الكمية خلال السنوات الخمس المقبلة.
السبب الرئيسي الذي يجعل تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمية صعباً جداً هو أن العلماء لا يزالون لم يجدوا وسيلة بسيطة للسيطرة على أنظمة معقدة من البايتات.
وربما تكون هذه الأجهزة قد أخذت خطوة أقوى للخروج من عالم المختبرات إلى العالم الحقيقي، وذلك بعد أن انضمت شركات سامسونغ ودايملر وهوندا ومورغان تشيس وباركليز وغيرها إلى جهاز IBM الذي تطوره الشركة.
آخر التطورات الهامة في هذا المجال هو ما حدث في منتصف شهر ديسمبر/كانون الأول 2017، عندما تمكنت مجموعة من الباحثين من إعادة تصوير المعالجات الدقيقة السيليكونية التي نعرفها حالياً، من أجل إنشاء تصميم كامل لشريحة كمبيوتر كمي، التي يمكن تصنيعها باستخدام مكونات وعمليات متاحة صناعياً في الوقت الحالي.
ويوضح تصميم الرقاقة الجديدة، الذي نشر بالتفصيل في مجلة Nature Communications، أن البنية المعمارية الجديدة تسمح بإجراء عمليات حسابية كمية باستخدام مكونات أشباه الموصلات الحالية المعروفة باسم CMOS complementary metal-oxide-semiconductor، وهي أساس جميع الرقاقات الإلكترونية الحديثة.
وقال رئيس الفريق البحثي في مركز التميز في مجال الحوسبة الكمية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T): "كثيراً ما نفكر في أن الهبوط على سطح القمر كان أعظم أعجوبة تكنولوجية في البشرية. ولكن إنشاء رقاقة المعالجات الدقيقة مع مليار جهاز تعمل معاً مثل السيمفونية التي يمكنك حملها في جيبك، هو بالفعل إنجاز مذهل قد يؤدي إلى ثورة في الحياة الحديثة".
هذه الأجهزة مبنية على مبادئ ميكانيكا الكم، لذلك فإنها تعتمد على قوانين معقدة.
سنحاول تبسيط الأمر أكثر .. النظام الرقمي المستخدم حالياً في جميع الإلكترونيات يعتمد على "النظام الثنائي"، وهو المكون من الرقمين (صفر وواحد) فقط. ففي أجهزة الكمبيوتر العادية التي نستخدمها الآن، لا يوجد لدينا سوى خيارين: التشغيل أو الإطفاء (on and off) لمعالجة المعلومات.
وبالتالي فإن أصغر وحدة يمكن إضافة المعلومات والبيانات إليها، والتي يطلق عليها اسم "بايت"، إما أن تكون "1" أو "0". وحتى يمكننا التعبير عن الرقم خمسة مثلاً، فإننا نقوم بإدخاله إلى الحاسوب على صورة (101).
وتعتمد القوة الحسابية للكمبيوتر العادي هنا على عدد الترانزستورات الثنائية -مفاتيح التشغيل والإطفاء الصغيرة- التي تأتي ضمن المعالج أو البروسيسور. على سبيل المثال تنتج شركة "إنتل" الآن معالجاً مكوناً من 5 مليارات ترانزستور، وهو ما يعني قوة أداء مرتفعة جداً، لكن هذا المعالج يظل مقيداً بالنظام الثنائي.
بينما في النظام الكمي، فإننا سنعتمد على الدمج بين مفهوم الجزيئات ومفهوم الموجات، فيما يعرف بالطبيعة المزدوجة للإلكترونات، كما يدخل معها مبدأ عدم التأكد للعالم هايزنبرغ، الذي تعتمد عليه ميكانيكا الكم.
لا بد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً، تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جداً لقوانين ميكانيكا الكم.
ففي عالم الجزيئات الأصغر من الذرة، الخاص بميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات المادية (مثل الإلكترونات) أن تتصرف مثل الموجات، وبالتالي يمكنها التصرف كجسيم مادي أو موجة أو كلاهما، وهو ما يعرف في ميكانيكا الكم باسم "التراكب". ونتيجة لهذا التراكب يمكن أن يكون الـ"بايت" (سنسميه كيوبايت في حالة الحواسيب الكمية)، إما 0 أو 1 أو 0 و1 معاً.
هذا يعني أن كل بايت يمكن أن يكون معادلتين في نفس الوقت، وسيستطيع 2 كيوبايت تكوين 4 معادلات، وسيستطيع ثلاثة كيوبايت تكوين 8 معادلات، وهكذا حتى نصل إلى أعداد كبيرة جداً، بالإضافة لبعض المفاهيم العلمية التي قد لا تستوعبها عقولنا بسهولة.
الحوسبة الكمية
يعود تاريخ مفهوم الحوسبة الكمية إلى عدد من الأفكار خلال فترة الثمانينات من القرن الماضي، التي تبناها العالم ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الأميركي، الحائز جائزة نوبل. فقد تصور فاينمان أن هذا المفهوم يمكن أن يؤدي إلى زيادة في سرعة الحواسيب الكمية بشكل كبير، لكن المفهوم ظل في نطاق الفيزياء النظرية.
الفكرة في الحوسبة الكمية أن التعامل مع البيانات لن يكون مقيداً بالصفر والواحد فقط، لكنه سيعتمد على فكرة الاحتمالات الخاصة بمبدأ عدم التأكد، وبالتالي سيكون لدينا عدد غير محدود من الخيارات.
من خلال تسخير هذا السلوك الطبيعي، يمكن للحوسبة الكمية تشغيل أنواع جديدة من الخوارزميات لمعالجة المعلومات بشكل أكثر شمولية. ويمكن أن تؤدي في يوم من الأيام إلى اختراقات ثورية في المواد واكتشاف العقاقير، والاستفادة المثلى من النظم المعقدة التي صنعها الإنسان، والذكاء الاصطناعي. نحن نتوقع من هذه التقنية أن تفتح الأبواب التي كنا نعتقد أنها ستبقى مغلقة لأجل غير مسمى.
حتى يمكنك فقط استيعاب ما نحن مقدمون عليه، فإن جهازاً واحداً من أجهزة الكمبيوتر الكمية يمكن أن يساوي جميع أجهزة الحاسوب الموجودة على كوكب الأرض الآن. هذا بالإضافة إلى أننا سنتمكن من صناعة أجهزة حاسوب أقل قليلاً مما لدينا فيما يتعلق بالحجم. تخيل أن تملك حاسوباً بحجم كف اليد، ويمكنه أن يدير مدينة كاملة إلكترونياً.
لماذا نحتاج إلى هذه الأجهزة؟
سنتحدث عن الأمر من جانبين، العام والشخصي. ففي عالم حيث نعتمد بشكل متزايد على الحوسبة، لتبادل المعلومات وتخزين البيانات، تبدو فكرة العيش دون أجهزة الكمبيوتر مربكة وغير ممكنة.
ولكن إذا واصلنا اتباع الاتجاه القائم منذ ظهور أول جهاز كمبيوتر، فإننا بحلول عام 2040 لن تكون لدينا القدرة على تشغيل جميع الآلات في جميع أنحاء العالم، وفقاً لتقرير صدر مؤخراً عن رابطة صناعة أشباه الموصلات.
ولمنع ذلك، تركز صناعة الحواسيب حالياً على إيجاد طرق لجعل الحوسبة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محدودة بسبب الحد الأدنى من الطاقة الذي تحتاجه لأداء عملية واحدة.
هذا الحد الأدنى من الطاقة أطلق عليه اسم "حد رولف لانداور" على اسم العالم الخبير في مختبرات IBM، الذي وجد في عام 1961 أنه في أي جهاز كمبيوتر، كل عملية بايت واحد يجب لها استخدام الحد الأدنى المطلق من الطاقة. وتمكن لانداور من حساب الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتشغيل الحاسوب.
الحوسبة الكمية ستستفيد من قدرة الجسيمات دون الذرية على التواجد في أكثر من مكان في نفس اللحظة. وبسبب هذه الطريقة التي يتصرف بها أصغر الجسيمات، يمكن القيام بالعمليات بسرعة أكبر، واستخدام طاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
وقد تفكك هذه النظم الكمية تعقيدات التفاعلات الجزيئية والكيميائية، لتؤدي إلى اكتشاف أدوية ومواد جديدة. ويمكن أن تمكن هذه الخدمات من توفير الخدمات اللوجستية فائقة الكفاءة، مثل تحسين عمليات تسليم البضائع خلال موسم العطلات. وقد تساعدنا في إيجاد طرق جديدة لنمذجة البيانات المالية وعزل عوامل الخطر العالمية الرئيسية لتحقيق استثمارات أفضل.
بل إنها قد تزيد قدرة الذكاء الاصطناعي على التعلم السريع، وبالتالي نخلق آلات وروبوتات قوية تتعلم ذاتياً.
بكلمات أخرى، فإن حياة كل إنسان على سطح هذا الكوكب قبل تخليق أول كمبيوتر كمي لن تكون أبداً مثل الحياة بعده..الآن الحياة ستتغير إلى الأبد.
على المستوى الشخصي، ستغير هذه الحواسيب من الإدراك العقلي للإنسان بشكل كامل، فكما أن الإنسان قبل نشأة الحاسوب يختلف عن الإنسان بعد وجوده، فإننا سنستطيع القول بمنتهى الثقة هذا هو إنسان ما بعد الحواسيب الكمية، الذي يختلف عما قبلها. ستظهر لك تطبيقات وبرامج مغايرة تماماً لما تعودت عليه، وستتعامل مع لغات برمجة مختلفة، وكل هذا سينعكس في طفرة تكنولوجية هائلة يمكن أن تشهدها هواتفك المحمولة واستخدامات الذكاء الصناعي لإدارة حياتك.
عوائق ومحاولات للحل
عام 2016، وجد فريق علماء من جوجل وناسا، أن الكمبيوتر الكمي من نوع "D-wave quantum computer" كان 100 مليون مرة أسرع من الكمبيوتر التقليدي. لكن المشكلة هي أن نقل الحوسبة الكمية إلى النطاق الصناعي هو أمر صعب، وقد يستغرق سنوات عديدة.
وأعلنت شركة IBM عام 2017، أن أحد أقسامها يعمل على تطوير أجهزة كمبيوتر كمية يمكن بيعها تجارياً خلال السنوات القادمة. في حين أن الباحثين في جوجل يقولون إن الشركة يمكن أن تبدأ في تحقيق تقدم فيما يتعلق بعناصر تكنولوجيا الكمبيوتر الكمية خلال السنوات الخمس المقبلة.
السبب الرئيسي الذي يجعل تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمية صعباً جداً هو أن العلماء لا يزالون لم يجدوا وسيلة بسيطة للسيطرة على أنظمة معقدة من البايتات.
وربما تكون هذه الأجهزة قد أخذت خطوة أقوى للخروج من عالم المختبرات إلى العالم الحقيقي، وذلك بعد أن انضمت شركات سامسونغ ودايملر وهوندا ومورغان تشيس وباركليز وغيرها إلى جهاز IBM الذي تطوره الشركة.
آخر التطورات الهامة في هذا المجال هو ما حدث في منتصف شهر ديسمبر/كانون الأول 2017، عندما تمكنت مجموعة من الباحثين من إعادة تصوير المعالجات الدقيقة السيليكونية التي نعرفها حالياً، من أجل إنشاء تصميم كامل لشريحة كمبيوتر كمي، التي يمكن تصنيعها باستخدام مكونات وعمليات متاحة صناعياً في الوقت الحالي.
ويوضح تصميم الرقاقة الجديدة، الذي نشر بالتفصيل في مجلة Nature Communications، أن البنية المعمارية الجديدة تسمح بإجراء عمليات حسابية كمية باستخدام مكونات أشباه الموصلات الحالية المعروفة باسم CMOS complementary metal-oxide-semiconductor، وهي أساس جميع الرقاقات الإلكترونية الحديثة.
وقال رئيس الفريق البحثي في مركز التميز في مجال الحوسبة الكمية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T): "كثيراً ما نفكر في أن الهبوط على سطح القمر كان أعظم أعجوبة تكنولوجية في البشرية. ولكن إنشاء رقاقة المعالجات الدقيقة مع مليار جهاز تعمل معاً مثل السيمفونية التي يمكنك حملها في جيبك، هو بالفعل إنجاز مذهل قد يؤدي إلى ثورة في الحياة الحديثة".
أجهزة الكمبيوتر الكمية هي آلات قوية بشكل لا يصدق، إذ تتميز بكونها تأخذ نهجاً جديداً تماماً لمعالجة المعلومات.
هذه الأجهزة مبنية على مبادئ ميكانيكا الكم، لذلك فإنها تعتمد على قوانين معقدة.
سنحاول تبسيط الأمر أكثر .. النظام الرقمي المستخدم حالياً في جميع الإلكترونيات يعتمد على "النظام الثنائي"، وهو المكون من الرقمين (صفر وواحد) فقط. ففي أجهزة الكمبيوتر العادية التي نستخدمها الآن، لا يوجد لدينا سوى خيارين: التشغيل أو الإطفاء (on and off) لمعالجة المعلومات.
وبالتالي فإن أصغر وحدة يمكن إضافة المعلومات والبيانات إليها، والتي يطلق عليها اسم "بايت"، إما أن تكون "1" أو "0". وحتى يمكننا التعبير عن الرقم خمسة مثلاً، فإننا نقوم بإدخاله إلى الحاسوب على صورة (101).
وتعتمد القوة الحسابية للكمبيوتر العادي هنا على عدد الترانزستورات الثنائية -مفاتيح التشغيل والإطفاء الصغيرة- التي تأتي ضمن المعالج أو البروسيسور. على سبيل المثال تنتج شركة "إنتل" الآن معالجاً مكوناً من 5 مليارات ترانزستور، وهو ما يعني قوة أداء مرتفعة جداً، لكن هذا المعالج يظل مقيداً بالنظام الثنائي.
بينما في النظام الكمي، فإننا سنعتمد على الدمج بين مفهوم الجزيئات ومفهوم الموجات، فيما يعرف بالطبيعة المزدوجة للإلكترونات، كما يدخل معها مبدأ عدم التأكد للعالم هايزنبرغ، الذي تعتمد عليه ميكانيكا الكم.
لا بد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً، تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جداً لقوانين ميكانيكا الكم.
ففي عالم الجزيئات الأصغر من الذرة، الخاص بميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات المادية (مثل الإلكترونات) أن تتصرف مثل الموجات، وبالتالي يمكنها التصرف كجسيم مادي أو موجة أو كلاهما، وهو ما يعرف في ميكانيكا الكم باسم "التراكب". ونتيجة لهذا التراكب يمكن أن يكون الـ"بايت" (سنسميه كيوبايت في حالة الحواسيب الكمية)، إما 0 أو 1 أو 0 و1 معاً.
هذا يعني أن كل بايت يمكن أن يكون معادلتين في نفس الوقت، وسيستطيع 2 كيوبايت تكوين 4 معادلات، وسيستطيع ثلاثة كيوبايت تكوين 8 معادلات، وهكذا حتى نصل إلى أعداد كبيرة جداً، بالإضافة لبعض المفاهيم العلمية التي قد لا تستوعبها عقولنا بسهولة.
الحوسبة الكمية
يعود تاريخ مفهوم الحوسبة الكمية إلى عدد من الأفكار خلال فترة الثمانينات من القرن الماضي، التي تبناها العالم ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الأميركي، الحائز جائزة نوبل. فقد تصور فاينمان أن هذا المفهوم يمكن أن يؤدي إلى زيادة في سرعة الحواسيب الكمية بشكل كبير، لكن المفهوم ظل في نطاق الفيزياء النظرية.
الفكرة في الحوسبة الكمية أن التعامل مع البيانات لن يكون مقيداً بالصفر والواحد فقط، لكنه سيعتمد على فكرة الاحتمالات الخاصة بمبدأ عدم التأكد، وبالتالي سيكون لدينا عدد غير محدود من الخيارات.
من خلال تسخير هذا السلوك الطبيعي، يمكن للحوسبة الكمية تشغيل أنواع جديدة من الخوارزميات لمعالجة المعلومات بشكل أكثر شمولية. ويمكن أن تؤدي في يوم من الأيام إلى اختراقات ثورية في المواد واكتشاف العقاقير، والاستفادة المثلى من النظم المعقدة التي صنعها الإنسان، والذكاء الاصطناعي. نحن نتوقع من هذه التقنية أن تفتح الأبواب التي كنا نعتقد أنها ستبقى مغلقة لأجل غير مسمى.
حتى يمكنك فقط استيعاب ما نحن مقدمون عليه، فإن جهازاً واحداً من أجهزة الكمبيوتر الكمية يمكن أن يساوي جميع أجهزة الحاسوب الموجودة على كوكب الأرض الآن. هذا بالإضافة إلى أننا سنتمكن من صناعة أجهزة حاسوب أقل قليلاً مما لدينا فيما يتعلق بالحجم. تخيل أن تملك حاسوباً بحجم كف اليد، ويمكنه أن يدير مدينة كاملة إلكترونياً.
لماذا نحتاج إلى هذه الأجهزة؟
سنتحدث عن الأمر من جانبين، العام والشخصي. ففي عالم حيث نعتمد بشكل متزايد على الحوسبة، لتبادل المعلومات وتخزين البيانات، تبدو فكرة العيش دون أجهزة الكمبيوتر مربكة وغير ممكنة.
ولكن إذا واصلنا اتباع الاتجاه القائم منذ ظهور أول جهاز كمبيوتر، فإننا بحلول عام 2040 لن تكون لدينا القدرة على تشغيل جميع الآلات في جميع أنحاء العالم، وفقاً لتقرير صدر مؤخراً عن رابطة صناعة أشباه الموصلات.
ولمنع ذلك، تركز صناعة الحواسيب حالياً على إيجاد طرق لجعل الحوسبة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محدودة بسبب الحد الأدنى من الطاقة الذي تحتاجه لأداء عملية واحدة.
هذا الحد الأدنى من الطاقة أطلق عليه اسم "حد رولف لانداور" على اسم العالم الخبير في مختبرات IBM، الذي وجد في عام 1961 أنه في أي جهاز كمبيوتر، كل عملية بايت واحد يجب لها استخدام الحد الأدنى المطلق من الطاقة. وتمكن لانداور من حساب الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتشغيل الحاسوب.
الحوسبة الكمية ستستفيد من قدرة الجسيمات دون الذرية على التواجد في أكثر من مكان في نفس اللحظة. وبسبب هذه الطريقة التي يتصرف بها أصغر الجسيمات، يمكن القيام بالعمليات بسرعة أكبر، واستخدام طاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
وقد تفكك هذه النظم الكمية تعقيدات التفاعلات الجزيئية والكيميائية، لتؤدي إلى اكتشاف أدوية ومواد جديدة. ويمكن أن تمكن هذه الخدمات من توفير الخدمات اللوجستية فائقة الكفاءة، مثل تحسين عمليات تسليم البضائع خلال موسم العطلات. وقد تساعدنا في إيجاد طرق جديدة لنمذجة البيانات المالية وعزل عوامل الخطر العالمية الرئيسية لتحقيق استثمارات أفضل.
بل إنها قد تزيد قدرة الذكاء الاصطناعي على التعلم السريع، وبالتالي نخلق آلات وروبوتات قوية تتعلم ذاتياً.
بكلمات أخرى، فإن حياة كل إنسان على سطح هذا الكوكب قبل تخليق أول كمبيوتر كمي لن تكون أبداً مثل الحياة بعده..الآن الحياة ستتغير إلى الأبد.
على المستوى الشخصي، ستغير هذه الحواسيب من الإدراك العقلي للإنسان بشكل كامل، فكما أن الإنسان قبل نشأة الحاسوب يختلف عن الإنسان بعد وجوده، فإننا سنستطيع القول بمنتهى الثقة هذا هو إنسان ما بعد الحواسيب الكمية، الذي يختلف عما قبلها. ستظهر لك تطبيقات وبرامج مغايرة تماماً لما تعودت عليه، وستتعامل مع لغات برمجة مختلفة، وكل هذا سينعكس في طفرة تكنولوجية هائلة يمكن أن تشهدها هواتفك المحمولة واستخدامات الذكاء الصناعي لإدارة حياتك.
عوائق ومحاولات للحل
عام 2016، وجد فريق علماء من جوجل وناسا، أن الكمبيوتر الكمي من نوع "D-wave quantum computer" كان 100 مليون مرة أسرع من الكمبيوتر التقليدي. لكن المشكلة هي أن نقل الحوسبة الكمية إلى النطاق الصناعي هو أمر صعب، وقد يستغرق سنوات عديدة.
وأعلنت شركة IBM عام 2017، أن أحد أقسامها يعمل على تطوير أجهزة كمبيوتر كمية يمكن بيعها تجارياً خلال السنوات القادمة. في حين أن الباحثين في جوجل يقولون إن الشركة يمكن أن تبدأ في تحقيق تقدم فيما يتعلق بعناصر تكنولوجيا الكمبيوتر الكمية خلال السنوات الخمس المقبلة.
السبب الرئيسي الذي يجعل تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمية صعباً جداً هو أن العلماء لا يزالون لم يجدوا وسيلة بسيطة للسيطرة على أنظمة معقدة من البايتات.
وربما تكون هذه الأجهزة قد أخذت خطوة أقوى للخروج من عالم المختبرات إلى العالم الحقيقي، وذلك بعد أن انضمت شركات سامسونغ ودايملر وهوندا ومورغان تشيس وباركليز وغيرها إلى جهاز IBM الذي تطوره الشركة.
آخر التطورات الهامة في هذا المجال هو ما حدث في منتصف شهر ديسمبر/كانون الأول 2017، عندما تمكنت مجموعة من الباحثين من إعادة تصوير المعالجات الدقيقة السيليكونية التي نعرفها حالياً، من أجل إنشاء تصميم كامل لشريحة كمبيوتر كمي، التي يمكن تصنيعها باستخدام مكونات وعمليات متاحة صناعياً في الوقت الحالي.
ويوضح تصميم الرقاقة الجديدة، الذي نشر بالتفصيل في مجلة Nature Communications، أن البنية المعمارية الجديدة تسمح بإجراء عمليات حسابية كمية باستخدام مكونات أشباه الموصلات الحالية المعروفة باسم CMOS complementary metal-oxide-semiconductor، وهي أساس جميع الرقاقات الإلكترونية الحديثة.
وقال رئيس الفريق البحثي في مركز التميز في مجال الحوسبة الكمية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T): "كثيراً ما نفكر في أن الهبوط على سطح القمر كان أعظم أعجوبة تكنولوجية في البشرية. ولكن إنشاء رقاقة المعالجات الدقيقة مع مليار جهاز تعمل معاً مثل السيمفونية التي يمكنك حملها في جيبك، هو بالفعل إنجاز مذهل قد يؤدي إلى ثورة في الحياة الحديثة".
هذه الأجهزة مبنية على مبادئ ميكانيكا الكم، لذلك فإنها تعتمد على قوانين معقدة.
سنحاول تبسيط الأمر أكثر .. النظام الرقمي المستخدم حالياً في جميع الإلكترونيات يعتمد على "النظام الثنائي"، وهو المكون من الرقمين (صفر وواحد) فقط. ففي أجهزة الكمبيوتر العادية التي نستخدمها الآن، لا يوجد لدينا سوى خيارين: التشغيل أو الإطفاء (on and off) لمعالجة المعلومات.
وبالتالي فإن أصغر وحدة يمكن إضافة المعلومات والبيانات إليها، والتي يطلق عليها اسم "بايت"، إما أن تكون "1" أو "0". وحتى يمكننا التعبير عن الرقم خمسة مثلاً، فإننا نقوم بإدخاله إلى الحاسوب على صورة (101).
وتعتمد القوة الحسابية للكمبيوتر العادي هنا على عدد الترانزستورات الثنائية -مفاتيح التشغيل والإطفاء الصغيرة- التي تأتي ضمن المعالج أو البروسيسور. على سبيل المثال تنتج شركة "إنتل" الآن معالجاً مكوناً من 5 مليارات ترانزستور، وهو ما يعني قوة أداء مرتفعة جداً، لكن هذا المعالج يظل مقيداً بالنظام الثنائي.
بينما في النظام الكمي، فإننا سنعتمد على الدمج بين مفهوم الجزيئات ومفهوم الموجات، فيما يعرف بالطبيعة المزدوجة للإلكترونات، كما يدخل معها مبدأ عدم التأكد للعالم هايزنبرغ، الذي تعتمد عليه ميكانيكا الكم.
لا بد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً، تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جداً لقوانين ميكانيكا الكم.
ففي عالم الجزيئات الأصغر من الذرة، الخاص بميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات المادية (مثل الإلكترونات) أن تتصرف مثل الموجات، وبالتالي يمكنها التصرف كجسيم مادي أو موجة أو كلاهما، وهو ما يعرف في ميكانيكا الكم باسم "التراكب". ونتيجة لهذا التراكب يمكن أن يكون الـ"بايت" (سنسميه كيوبايت في حالة الحواسيب الكمية)، إما 0 أو 1 أو 0 و1 معاً.
هذا يعني أن كل بايت يمكن أن يكون معادلتين في نفس الوقت، وسيستطيع 2 كيوبايت تكوين 4 معادلات، وسيستطيع ثلاثة كيوبايت تكوين 8 معادلات، وهكذا حتى نصل إلى أعداد كبيرة جداً، بالإضافة لبعض المفاهيم العلمية التي قد لا تستوعبها عقولنا بسهولة.
الحوسبة الكمية
يعود تاريخ مفهوم الحوسبة الكمية إلى عدد من الأفكار خلال فترة الثمانينات من القرن الماضي، التي تبناها العالم ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الأميركي، الحائز جائزة نوبل. فقد تصور فاينمان أن هذا المفهوم يمكن أن يؤدي إلى زيادة في سرعة الحواسيب الكمية بشكل كبير، لكن المفهوم ظل في نطاق الفيزياء النظرية.
الفكرة في الحوسبة الكمية أن التعامل مع البيانات لن يكون مقيداً بالصفر والواحد فقط، لكنه سيعتمد على فكرة الاحتمالات الخاصة بمبدأ عدم التأكد، وبالتالي سيكون لدينا عدد غير محدود من الخيارات.
من خلال تسخير هذا السلوك الطبيعي، يمكن للحوسبة الكمية تشغيل أنواع جديدة من الخوارزميات لمعالجة المعلومات بشكل أكثر شمولية. ويمكن أن تؤدي في يوم من الأيام إلى اختراقات ثورية في المواد واكتشاف العقاقير، والاستفادة المثلى من النظم المعقدة التي صنعها الإنسان، والذكاء الاصطناعي. نحن نتوقع من هذه التقنية أن تفتح الأبواب التي كنا نعتقد أنها ستبقى مغلقة لأجل غير مسمى.
حتى يمكنك فقط استيعاب ما نحن مقدمون عليه، فإن جهازاً واحداً من أجهزة الكمبيوتر الكمية يمكن أن يساوي جميع أجهزة الحاسوب الموجودة على كوكب الأرض الآن. هذا بالإضافة إلى أننا سنتمكن من صناعة أجهزة حاسوب أقل قليلاً مما لدينا فيما يتعلق بالحجم. تخيل أن تملك حاسوباً بحجم كف اليد، ويمكنه أن يدير مدينة كاملة إلكترونياً.
لماذا نحتاج إلى هذه الأجهزة؟
سنتحدث عن الأمر من جانبين، العام والشخصي. ففي عالم حيث نعتمد بشكل متزايد على الحوسبة، لتبادل المعلومات وتخزين البيانات، تبدو فكرة العيش دون أجهزة الكمبيوتر مربكة وغير ممكنة.
ولكن إذا واصلنا اتباع الاتجاه القائم منذ ظهور أول جهاز كمبيوتر، فإننا بحلول عام 2040 لن تكون لدينا القدرة على تشغيل جميع الآلات في جميع أنحاء العالم، وفقاً لتقرير صدر مؤخراً عن رابطة صناعة أشباه الموصلات.
ولمنع ذلك، تركز صناعة الحواسيب حالياً على إيجاد طرق لجعل الحوسبة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، ولكن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محدودة بسبب الحد الأدنى من الطاقة الذي تحتاجه لأداء عملية واحدة.
هذا الحد الأدنى من الطاقة أطلق عليه اسم "حد رولف لانداور" على اسم العالم الخبير في مختبرات IBM، الذي وجد في عام 1961 أنه في أي جهاز كمبيوتر، كل عملية بايت واحد يجب لها استخدام الحد الأدنى المطلق من الطاقة. وتمكن لانداور من حساب الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتشغيل الحاسوب.
الحوسبة الكمية ستستفيد من قدرة الجسيمات دون الذرية على التواجد في أكثر من مكان في نفس اللحظة. وبسبب هذه الطريقة التي يتصرف بها أصغر الجسيمات، يمكن القيام بالعمليات بسرعة أكبر، واستخدام طاقة أقل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
وقد تفكك هذه النظم الكمية تعقيدات التفاعلات الجزيئية والكيميائية، لتؤدي إلى اكتشاف أدوية ومواد جديدة. ويمكن أن تمكن هذه الخدمات من توفير الخدمات اللوجستية فائقة الكفاءة، مثل تحسين عمليات تسليم البضائع خلال موسم العطلات. وقد تساعدنا في إيجاد طرق جديدة لنمذجة البيانات المالية وعزل عوامل الخطر العالمية الرئيسية لتحقيق استثمارات أفضل.
بل إنها قد تزيد قدرة الذكاء الاصطناعي على التعلم السريع، وبالتالي نخلق آلات وروبوتات قوية تتعلم ذاتياً.
بكلمات أخرى، فإن حياة كل إنسان على سطح هذا الكوكب قبل تخليق أول كمبيوتر كمي لن تكون أبداً مثل الحياة بعده..الآن الحياة ستتغير إلى الأبد.
على المستوى الشخصي، ستغير هذه الحواسيب من الإدراك العقلي للإنسان بشكل كامل، فكما أن الإنسان قبل نشأة الحاسوب يختلف عن الإنسان بعد وجوده، فإننا سنستطيع القول بمنتهى الثقة هذا هو إنسان ما بعد الحواسيب الكمية، الذي يختلف عما قبلها. ستظهر لك تطبيقات وبرامج مغايرة تماماً لما تعودت عليه، وستتعامل مع لغات برمجة مختلفة، وكل هذا سينعكس في طفرة تكنولوجية هائلة يمكن أن تشهدها هواتفك المحمولة واستخدامات الذكاء الصناعي لإدارة حياتك.
عوائق ومحاولات للحل
عام 2016، وجد فريق علماء من جوجل وناسا، أن الكمبيوتر الكمي من نوع "D-wave quantum computer" كان 100 مليون مرة أسرع من الكمبيوتر التقليدي. لكن المشكلة هي أن نقل الحوسبة الكمية إلى النطاق الصناعي هو أمر صعب، وقد يستغرق سنوات عديدة.
وأعلنت شركة IBM عام 2017، أن أحد أقسامها يعمل على تطوير أجهزة كمبيوتر كمية يمكن بيعها تجارياً خلال السنوات القادمة. في حين أن الباحثين في جوجل يقولون إن الشركة يمكن أن تبدأ في تحقيق تقدم فيما يتعلق بعناصر تكنولوجيا الكمبيوتر الكمية خلال السنوات الخمس المقبلة.
السبب الرئيسي الذي يجعل تصنيع أجهزة الكمبيوتر الكمية صعباً جداً هو أن العلماء لا يزالون لم يجدوا وسيلة بسيطة للسيطرة على أنظمة معقدة من البايتات.
وربما تكون هذه الأجهزة قد أخذت خطوة أقوى للخروج من عالم المختبرات إلى العالم الحقيقي، وذلك بعد أن انضمت شركات سامسونغ ودايملر وهوندا ومورغان تشيس وباركليز وغيرها إلى جهاز IBM الذي تطوره الشركة.
آخر التطورات الهامة في هذا المجال هو ما حدث في منتصف شهر ديسمبر/كانون الأول 2017، عندما تمكنت مجموعة من الباحثين من إعادة تصوير المعالجات الدقيقة السيليكونية التي نعرفها حالياً، من أجل إنشاء تصميم كامل لشريحة كمبيوتر كمي، التي يمكن تصنيعها باستخدام مكونات وعمليات متاحة صناعياً في الوقت الحالي.
ويوضح تصميم الرقاقة الجديدة، الذي نشر بالتفصيل في مجلة Nature Communications، أن البنية المعمارية الجديدة تسمح بإجراء عمليات حسابية كمية باستخدام مكونات أشباه الموصلات الحالية المعروفة باسم CMOS complementary metal-oxide-semiconductor، وهي أساس جميع الرقاقات الإلكترونية الحديثة.
وقال رئيس الفريق البحثي في مركز التميز في مجال الحوسبة الكمية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T): "كثيراً ما نفكر في أن الهبوط على سطح القمر كان أعظم أعجوبة تكنولوجية في البشرية. ولكن إنشاء رقاقة المعالجات الدقيقة مع مليار جهاز تعمل معاً مثل السيمفونية التي يمكنك حملها في جيبك، هو بالفعل إنجاز مذهل قد يؤدي إلى ثورة في الحياة الحديثة".
ملصقات
اقرأ أيضاً
بالڤيديو.. انطلاق أشغال المؤتمر الأفريقي لعلوم الفلك بمراكش
علوم
علوم
طلاب جامعيون يطورون قمرا صناعيا لدراسة إشعاعات الشمس
علوم
علوم
انعقاد المؤتمر السنوي الرابع للجمعية الفلكية الافريقية بمراكش
علوم
علوم
أول براءة اختراع في العالم لمخلوق معدل وراثيا
علوم
علوم
“خلايا زومبي” تكشف أسرار التعلم في الدماغ
علوم
علوم
بعد إثارتها للخوف .. مدير مرصد “أوكايمدن” يطمئن المواطنين عبر “كشـ24” بشأن العاصفة المغناطيسية
علوم
علوم
حدثان فلكيان نادران في رمضان وأولهما يوم غد الاثنين
علوم
علوم
