الحوسبة الكمومية: ما هي وكيف تعمل؟

الحوسبة الكمومية.. أحدث مفهوم فيزياء الكم ثورةً في العلم؛ حيث تقول أن قوانين الفيزياء الكلاسيكية لا تحكم كل الكون، وقد تخطئ في بعض الحالات، وذلك حين تبلغ الجسيمات أحجامًا متناهيةً في الصغر، ولكن ماذا لو تم الاعتماد على فيزياء الكم في عالم الحواسيب؟، سينتج حينها ما نسميه الحوسبة الكمومية وهي موضوع المقال أدناه.

يمكن القول بأنها نموذجٌ حوسبيٌّ نظريٌّ يتم من خلاله معالجة البيانات وعمليات الحوسبة من خلال قوانين الكم، فوحدة البيانات الأساسية التي تستخدم في الحوسبة التقليدية، والتي تسمى البت تم استبدالها بوحدة بياناتٍ أخرى تدعى البت الكمومي (qubit) الذي يستند إلى الذرات والتراكيب الجزيئية المتناهية الدقة.

الفرق بين الوحدتين هو أن البت يعطي واحدةً من قيمتين؛ إما 0 أو 1 ولذلك يسمى الثنائية، بينما البت الكمومي فسيعطي عدة قيمٍ هي إما 0 أو 1 أو التراكب بين 0 و 1، وهذا يعني أن الكومبيوتر الكمومي لن يعتمد أسلوبًا محددًا في عمله وستكون هناك نتائجُ وحلولٌ عديدةٌ لكل حالةٍ، وهذه القيم الجديدة الناتجة عن التراكب بين 0 و 1 ستكون مبهمةً بالنسبة للحواسيب التقليدية..

يمكن للبتات الكمومية أن تمثل مجموعةً كبيرةً من القيم الناتجة عن الدمج بين القيمتين 0 و 1، ونسمي هذه القدرة على الإيجاد في حالاتٍ مختلفةٍ في وقتٍ واحدٍ بالتراكب.

يعالج الباحثون في مجال الحوسبة الكمومية هذه القيم المتراكبة باستخدام أشعة الليزر الدقيقة أو حزم الموجات الدقيقة، وبفضل هذه العملية يمكن للكومبيوتر الكمومي معالجة عددٍ كبيرٍ من العمليات في وقتٍ واحدٍ.

تظهر النتيجة النهائية بعد قياس جميع البتات الكمومية، وإنّ القيم المتراكبة في النهاية ستنهار حالتها الكمومية أو تنهدم لتكون إما 0 أو1.

في الكمبيوتر التقليدي، تؤدي مضاعفة عدد البتات إلى مضاعفة الجهد لمعالجة هذه الأرقام والعمليات المتزايدة، بينما في الكومبيوترات الكمومية الحديثة، وبفضل ما يسمى بالتشابك، فإن إضافة بتات كمومية إضافية إلى كومبيوترٍ كموميٍّ تؤدي إلى زيادةٍ هائلةٍ في قدرتها على التعامل مع الأرقام.

مثلًا؛ لو كان لديك قائمة مكونة من 1000 عنصرٍ يمكنك فهرستها باستخدام 10 عناصرَ فقط، حيث يمكن للباحثين إنشاء أزواجٍ من الكيوبتات المتشابكة مع بعضها؛ مما يعني أن عنصري الزوج موجودان في حالة كميةٍ واحدةٍ، وبالتالي سيؤدي تغيير حالة أحد الكيوبتات إلى تغيير حالة الكيوبت القرين على الفور بطريقةٍ يمكن التنبؤ بها، وهذا يحدث هذا حتى لو كانت هذه الكيوبتات المتشابكة بعيدةً عن بعضها مسافات طويلة جدًا.

تلك الميزة تعتبر مفتاح قوة الحواسيب الكمومية الجديدة، رغم وجود الأخطاء الناتجة عن فك الارتباط بين البتات الكمومية المتشابكة..

تعتبر وحدة البت الكمومية هشةً للغاية، وتعرضها للاضطرابات الخارجية يؤدي إلى انهيار حالتها الكمومية؛ وهذه تعتبر مشكلةً كبيرةً وتحديًّا كبيرًا بالنسبة للحوسبة الكمومية!.

لذا كان البحث عن نوعٍ أكثر استقرارًا من البت الكمومي ضرورةً ملحَّةً، وكان استخدام الكيوبت الطوبولوجي هو الحل الأمثل؛ فهو مستقرٌ بدرجةٍ كبيرةٍ، و يتم تخزين المعلومات من خلاله بأسلوبٍ يشبه إلى حدٍّ كبيرٍ أسلوب عقدة على سلسلة، فبغض النظر عما يحدث للسلسلة تبقى العقدة محفوظةً، مما يعني أنه سيكون لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات البتات الطوبولوجية أساس أكثر صلابةً، وقدرةً على القياس بمعدلٍ أعلى بكثيرٍ..

يمكن أن توفر الحوسبة الكمومية حلولًا للمشكلات التي يصعب حلها على أسرع أجهزة الكمبيوتر الحالية؛ حيث يخلق هذا النموذج الجديد إمكانيات لا حدود لها عبر مجموعةٍ متنوعةٍ من التطبيقات، شريطة أن يكون لدى الكمبيوتر الكمي كمية كافية من وحدات تصحيح الأخطاء لإكمال الخوارزميات بنجاحٍ.

عمومًا؛ تتمثل أبرز فوائد الحوسبة الكمومية في النقاط التالية.

قد يتطلب إيجاد حلولٍ للتحديات مثل الاحتباس الحراري والجوع العالمي نظامًا كميًّا يحتوي على آلاف أو ملايين الملايين من البتات، وتطبيق الكيوبت الطوبولوجي الذي سبق وذكرناه سيقدم حلولًا رائعةً لهذه المشكلات المعقدة مع استخدام عددٍ أقل من البتات الإجمالية.

يستطيع الكيميائيون من خلال الحوسبة الكمومية إيجاد محفزٍ جديدٍ للأسمدة للمساعدة في تقليل انبعاثات الغازات المؤدية للاحتباس الحراري من جهة الدفيئة، وتحسين الإنتاج العالمي للأغذية.

هذا الأمر يصعب كثيرًا على أجهزة الكومبيوتر التقليدية القيام به، فهو يتطلب التحكم في التفاعلات الكيميائية ونمذجتها وهذا ما تستطيع الحواسيب الكمومية القيام به، ونستطيع القول أنَّ مجال الكيمياء هو المجال الذي سيكون للحواسيب الكمومية تأثيرٌ كبيرٌ فيه.

أحد أهداف الحوسبة الكمومية هو تطوير الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، والتي يمكن من خلالها نقل الطاقة دون تضييعها بسبب المقاومة؛ حيث ستساعد الاكتشافات الجديدة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية في تحديد المواد ذات الخصائص المناسبة للموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، وهو مستوى من التعقيد بعيد المنال بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم.

يمكن للحوسبة الكمية أن تجلب السرعة والكفاءة للمشاكل المعقدة في التعلم الآلي، فالمصانع الكبيرة مثلًا، والتي تهدف إلى زيادة الإنتاج إلى الحد الأقصى تتطلب تحسين كل عمليةٍ تجري ضمنها فرادى، وكذلك جميع المكونات المشاركة.

حينذاك يأتي دور أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تساعد في تقديم رؤى تحسين للإخراج المبسط، تقليل النفايات وخفض التكاليف في آنٍ معًا..