أساطير وحقائق حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية – الحياة مكس

في أكتوبر 2019 ، سيطرت الحوسبة الكمومية على عناوين الأخبار حول العالم لعدة أيام. تمكن فريق من الباحثين من شركة Google التكنولوجية العملاقة من تحقيق التفوق الكمي ، متغلبًا على أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة على هذا الكوكب بجهاز كمبيوتر كمي.

ليس هذا فقط ، ولكن الفارق الزمني كان مذهلاً ببساطة: بضع دقائق مقابل آلاف السنين المطلوبة لإجراء نفس الحساب على جهاز كمبيوتر تقليدي.

كررت عشرات المقالات والتقارير في الصحافة والإذاعة والتلفزيون هذا الإنجاز التاريخي وحاولت أن تشرح للجمهور غير المتخصص ما الذي يتكون منه إنجاز Google حقًا وما هي تلك الحواسيب الكمومية الغامضة التي تم استخدامها لتحقيق ذلك.

على الرغم من نواياهم الحسنة ، لا بد أن معظم هذه التفسيرات قد أثارت أسئلة أكثر مما تمكنوا من توضيحها.

لا سحر أو قوى خارقة رائعة

في المقالات الشائعة حول الحوسبة الكمومية ، من الشائع العثور على سلسلة من المقارنات المتكررة والصور التي لا تتوافق مع الواقع والتي تساهم في خلق أساطير خاطئة حول القدرات الحقيقية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.

أحد أكثر الأمور تكرارًا هو أن “الكمبيوتر الكمومي يجد حلًا لمشكلة ما عن طريق اختبار جميع الخيارات الممكنة في وقت واحد.”

هذا التفسير لا يبالغ في تبسيط تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية. بدلاً من ذلك ، يبدو أنه يمنحهم قوى خارقة رائعة حيث يكون إكمال أي عملية حسابية مسألة الضغط على زر والانتظار بضع ثوانٍ.

لكن أليس صحيحًا أن الكمبيوتر الكمومي يستخدم التوازي الهائل لاستكشاف جميع الحلول لمشكلة ما في نفس الوقت؟

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست هي الحل لحل جميع أنواع الحسابات.

كما هو الحال في العديد من الأشياء التي لها علاقة بالعالم الكمي ، فإن الإجابة هي نعم ولا. صحيح أن إحدى الخصائص الرئيسية التي تعتمد عليها الخوارزميات الكمومية هي التراكب ، وهو الميل الغامض لأنظمة فيزيائية معينة لتجد نفسها في مجموعة من عدة حالات مختلفة. لكن هذا ليس سوى جزء ، وجزء صغير إلى حد ما ، من القصة بأكملها.

الكوريغرافيا الرياضية

يمكننا تعريف الحوسبة الكمومية على أنها النظام الذي يدرس استخدام خصائص الجسيمات دون الذرية لإجراء العمليات الحسابية. من بين هذه الخصائص ، نعم ، التداخل ، ولكن أيضًا التشابك والتداخل.

بطريقة ما ، يمكننا أن نقول أن الخوارزمية الكمومية تخلق أولاً تراكبًا للعديد من الاحتمالات للاستكشاف ، ثم تتشابك هذه الاحتمالات مع نتائجها ، وفي النهاية تجعل الحلول السيئة تتداخل مع بعضها البعض بحيث لا يبقى سوى أولئك الذين يثيرون اهتمامنا.

هذه المرحلة من القضاء على الخيارات غير المواتية هي أصعب جزء من العملية برمتها. إنه نوع من تصميم الرقصات الرياضية المعقدة ، باستخدام كلمات سكوت آرونسون وزاك وينرسميث ، التي نعرف فقط كيفية تنفيذها في بعض المسائل المحددة.

علاوة على ذلك ، فقد ثبت منذ فترة طويلة أنه في مهام معينة لا يمكن الاستفادة من الحوسبة الكمية لتحقيق حسابات أسرع مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية.

وبالتالي ، فإن الكمبيوتر الكمومي ليس ذلك الجهاز السحري القادر على حل أي مشكلة تريد الصحافة الشعبية بيعها على الفور. لكنها ليست مجرد كمبيوتر أسرع.

ليس فقط بشكل أسرع

من المغالطات الأخرى الشائعة في المقالات الشائعة عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقليل كل قدراتها إلى مجرد زيادة السرعة.

Getty Images من الأخطاء الشائعة في المقالات الشائعة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقليل كل قدراتها إلى مجرد زيادة السرعة.

لقد فقدت عدد المرات التي صادفت فيها تفسيرات مثل “العلماء يطورون كمبيوترًا كميًا أسرع مليون مرة من أجهزة الكمبيوتر التقليدية”. بقدر ما قد تكون هذه العبارات ملفتة للنظر ، إلا أنها خاطئة تمامًا.

لقد اعتدنا على كل بضعة أشهر عندما يعلن كبار مصنعي الرقائق الدقيقة عن تطورات جديدة يمكن أن تكون أسرع بعشرين أو ثلاثين أو خمسين بالمائة من سابقاتهم.

لكن الكمبيوتر الكمومي لا يبني عملياته على تقدم بسيط في التكنولوجيا يسمح بتنفيذ نفس العمليات بسرعة أكبر.

من ناحية أخرى ، من الممكن ألا يتفوق الكمبيوتر الكمومي في بعض المهام على الكمبيوتر التقليدي. ولكن في الحالات التي يقدم فيها الكمبيوتر الكمومي ميزة على الأجهزة التقليدية ، لا يمكن قياس الاختلافات برقم واحد.

يدير الكمبيوتر الكمومي خوارزميات مختلفة اختلافًا جذريًا عن تلك المستخدمة من قبل الكمبيوتر الكلاسيكي. هذا يجعل ميزة الجهاز الكمي تنمو كلما زاد حجم المشكلة التي نريد حلها.

على سبيل المثال ، بالنسبة لمشاكل البحث في القوائم ، سيكون الكمبيوتر الكمي أسرع بخمس مرات من الكمبيوتر التقليدي الذي يحتوي على مائة نقطة بيانات ، وخمسين مرة أسرع مع عشرة آلاف عنصر ، وخمسمائة مرة أسرع مع مليون سجل.

التطبيقات

هذه الميزة المتزايدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية على وجه التحديد مع نمو حجم البيانات المراد معالجتها هي التي تجعلها جذابة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بمعالجة المشكلات المستعصية على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

هذه هي حالة المهام مثل العثور على عوامل الأعداد الصحيحة الكبيرة جدًا ، والتي يعتمد عليها أمن العديد من بروتوكولات التشفير المستخدمة في اتصالاتنا الرقمية.

صور جيتي

الوقت اللازم لحل هذه المشكلة باستخدام أفضل الخوارزميات الكلاسيكية المتاحة ينمو بشكل كبير تقريبًا مع طول الأرقام ، لذا فإن زيادة حجم المفتاح ببضع عشرات من البتات سيجعله أكثر أمانًا بملايين المرات.

ومع ذلك ، أظهر عالم الرياضيات بيتر شور منذ أكثر من عشرين عامًا أن كسر هذا النوع من التشفير سيكون ممكنًا من الناحية العملية إذا تم استخدام الخوارزميات الكمية.

علم التشفير ليس المجال الوحيد الذي يمكن أن تقدم فيه أجهزة الكمبيوتر الكمومية ميزة كبيرة على الحوسبة التقليدية.

على سبيل المثال ، تعد محاكاة المواد الجديدة أو دراسة المركبات الكيميائية من أكثر التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية.

مرة أخرى ، هذه مهام صعبة للغاية لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لأن عدد المعلمات التي تصف سلوك الأنظمة الفيزيائية والكيميائية ينمو بشكل كبير مع عدد الجسيمات التي تتكون منها.

لكن الخصائص الكمومية لمثل هذه الأنظمة تجعل محاكاتها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية أمرًا طبيعيًا ، كما أشار الفيزيائي ريتشارد فاينمان حتى قبل ظهور الحوسبة الكمومية كنظام علمي.

Getty Images تعد دراسة المركبات الكيميائية أحد أكثر التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية.

وهكذا ، طور العديد من الباحثين في السنوات الأخيرة خوارزميات مصممة خصيصًا لدراسة خصائص الجزيئات الكيميائية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

ومن أشهرها ما يسمى بـ Variational Quantum Eigensolver (VQE) ، والذي يتميز بقدرته على استخدامه حتى مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الصغيرة والحساسة للضوضاء التي لدينا اليوم.

بهذه الطريقة ، تمت محاكاة بعض الجزيئات الصغيرة في أجهزة كمومية حقيقية ، ووصلت إلى دقة مكافئة للحسابات الكلاسيكية.

على الرغم من أننا ما زلنا بعيدين عن تجاوز أجهزة الكمبيوتر التقليدية في هذه المهمة ، إلا أن معدل نمو قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتحسينات في الخوارزميات المستخدمة تجعلنا نفترض أن هذا ربما يكون أحد التطبيقات العملية الأولى للتكنولوجيا.

الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي

المجالات الأخرى التي يكون فيها البحث في تطبيقات الحوسبة الكمومية مكثفًا بشكل خاص حاليًا هو الذكاء الاصطناعي والتحسين.

على وجه التحديد ، تم اقتراح العديد من الخوارزميات الكمومية لتسريع المهام التي ينطوي عليها تدريب نماذج التعلم الآلي من مجموعات كبيرة من البيانات.

في بعض الحالات ، باستخدام تقنيات مشابهة لتلك التي استخدمها Shor في تطوير خوارزمية العوامل الخاصة به ، يتم تحقيق مكاسب أسية فيما يتعلق بالطريقة الكلاسيكية المقابلة.

ومع ذلك ، نظرًا لأنه يتعين علينا نقل البيانات إلى الكمبيوتر الكمومي واحدًا تلو الآخر من الملفات التي تم تخزينها فيها ، فلن يكون الاختناق في معالجة المعلومات ، ولكن في قراءتها.

قد تكون الحلول الممكنة هي استخدام البيانات التي تم التقاطها مباشرة باستخدام أجهزة الاستشعار الكمومية ، والتي من شأنها تجنب الاضطرار إلى تحميلها من جهاز خارجي ، وتطوير الذكريات الكمية التي تسمح بقراءة البيانات في حالة التراكب.

عندما يتعلق الأمر بمحاكاة المواد الجديدة ، يمكن أن تكون الحوسبة الكمومية مفيدة للغاية.

بالإضافة إلى دراسة تقنيات تسريع عمليات التعلم الآلي الكلاسيكية ، يتم أيضًا فحص النماذج الكمومية البحتة ، على سبيل المثال ، ما يسمى بالشبكات العصبية الكمومية.

نظرًا لأن هذه المقترحات حديثة نسبيًا ، فإن قدراتها الكاملة لم تُعرف بعد ، ولكن هناك أدلة تظهر أن أدائها أفضل من أداء الأساليب الكلاسيكية مع بعض مجموعات البيانات المصطنعة.

كما أشار جون بريسكيل ، أحد أعظم الخبراء في الحوسبة الكمومية في العالم ، عن حق ، بالطريقة نفسها التي تم بها تطوير تطبيقات الشبكات العصبية الكلاسيكية دون الحاجة ، في جميع الحالات ، إلى نظرية قوية وشاملة كما هو الحال ، فإن التوافر المتزايد لأجهزة الكمبيوتر الكمومية لتشغيل وضبط الشبكات العصبية الكمومية من المرجح جدًا أن يؤدي إلى حالات استخدام لا يمكننا توقعها اليوم.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست الحل لجميع المشاكل الحسابية ومعالجة البيانات التي قد نطرحها.

إنها ليست أجهزة سحرية يمكن من خلالها إجراء أي عملية حسابية على الفور. لكنها ليست مجرد إصدارات أسرع من أجهزة الكمبيوتر التي لدينا اليوم أيضًا.

بالنسبة للمهام التي يمكن فيها اكتساب ميزة باستخدام الحوسبة الكمية ، يزداد كسب وقت التشغيل مع زيادة حجم المشكلة.

إذا أخذنا في الاعتبار أن تطبيقات أجهزة الكمبيوتر الكمومية تشمل مجالات ذات صلة مثل الأمن السيبراني ، ومحاكاة العمليات الفيزيائية والكيميائية أو الذكاء الاصطناعي ، فإن حقيقة أن الحوسبة الكمية ليست أداة تعمل من أجل كل شيء لا تقلل من قيمتها ولكن ببساطة يؤهلها.

إن امتلاك أجهزة كمبيوتر كمومية لن يعني نهاية قيودنا الحسابية ، ولكن يمكننا التأكد من أنها ستعني تغييرًا عميقًا في الطريقة التي نحسب بها البيانات ونعالجها ، وبالتالي ، تحولًا جذريًا لمجتمعنا.

* تم نشر هذا المقال في The Conversation وتم نسخه هنا بموجب ترخيص المشاع الإبداعي.

* إلياس ف. كومبارو أستاذ في قسم علوم الكمبيوتر بجامعة أوفييدو بإسبانيا.

يمكنك الآن تلقي إشعارات من BBC World. قم بتنزيل الإصدار الجديد من تطبيقنا وقم بتنشيطه حتى لا تفوتك أفضل المحتويات لدينا.

فشلت في: