تطبيقات الحوسبة الكمومية في نقل الطاقة

ربما سمع الكثيرون عن الحوسبة الكمومية بما في ذلك الكثير من الأخبار الحديثة حول قدرتها الموعودة على حل المشكلات، والتي لا يمكن حلها حاليًا حتى بواسطة أكبر كمبيوتر عملاق تم إنشاؤه حتى الآن.

تطبيقات الحوسبة الكمومية

في الواقع لا يمكن تصميم أي جهاز كمبيوتر يستخدم المفهوم الكلاسيكي لبت واحد يمثل إما 0 أو 1 نظريًا لحساب الحلول الدقيقة للعديد من المشكلات التي تسمى (NP-Hard)، والتي يُعرف أنها تتوسع بشكل كبير، حيث لا توجد ذرات كافية في الكون لتمثيل كل تركيبة ممكنة.

ومع ذلك قبل عقدين من الزمن وضع الفيزيائي ريتشارد فاينمان نظرية لنوع جديد من أجهزة الحوسبة المبنية باستخدام مفاهيم ميكانيكا الكم التي يمكن استخدامها يومًا ما لمواجهة هذه المشاكل الصعبة.

حيث كان يفكر في المقام الأول في محاكاة سلوك الأنظمة الكمومية مثل الجسيمات دون الذرية والجزيئات، ولكن منذ فكرته الأولية أدرك العديد من الآخرين التطبيق على المشكلات الأخرى التي تتوسع بشكل أسي وحتى تلك التي تتسع في وقت متعدد الحدود، ويمكن تحسينها لتوسيع نطاقها في اللوغاريتمية.

لبناء جهاز كمبيوتر كمي يجب عليك تسخير الطبيعة الكمومية للجسيمات الأساسية مثل الإلكترونات والأيونات والفوتونات ومعالجة وقياس حالاتها الكمومية من الدوران والاستقطاب على التوالي، لذلك قد تمثل جزءًا صغيرًا يسمى كيوبت لأغراض الحساب.

الدوران الكمي للإلكترون

على سبيل المثال الدوران الكمي للإلكترون، حيث يمكن ملاحظة دوران الإلكترون على طول أي محور إما لأعلى أو لأسفل يمثل 0 أو 1 ولكن في ميكانيكا الكم، وقد يكون دوران الإلكترون أيضًا في تراكب كلاهما معبرًا عنه كمزيج خطي من حالتين في نفس الوقت، وهذه إحدى مزايا الكيوبت، في حالة التراكب يمثل البت الواحد حالتين وعندما يقترن بـ n كيوبت يمثل 2 نتنص.

لا يمكن أبدا ملاحظة نظامًا كميًا في حالة تراكب لكن قد يتم التلاعب باحتمالية التركيبة الخطية بحيث عند ملاحظتها هناك فرصة كبيرة لرؤية نتيجة تمثل الحل للمشكلة التي نسعى إليها، حيث أن الميزة الثانية للكيوبت هي أنه يمكن تشابك اثنين أو أكثر بحيث تحدد نتيجة واحد كيوبت أيضًا عندما يتم ملاحظتها نتيجة الزوج المتشابك حتى عندما تكون في حالة تراكب وحتى إذا تم وضعها على الجانب الآخر من الكون.

هذان المفهومان الأساسيان ينتجان جهازًا قويًا للحوسبة حيث تعمل n كيوبتات في مسافة 2، ويمكن استخدامها لحل العديد من المشكلات التي تتوسع بشكل كبير، ومن المهم الإشارة إلى أن الكمبيوتر الكمومي، حيث يمكن أن يعمل تمامًا مثل الكمبيوتر الكلاسيكي حيث تمثل الكيوبتات 0 أو 1 ولكنه أكثر عمومية في قدرته المضافة على التراكب والتشابك، ولاستخدام هذه القدرة المضافة  فإنه يتم مواجهة طريقة جديدة تمامًا للتفكير في الخوارزميات وبرامج الكتابة، حيث سيأتي التغيير ببطء لكن المزايا ستكون دراماتيكية.

المشاكل التي تواجه نقل الطاقة

بدأت العديد من شركات التكنولوجيا الكبيرة مثل (IBM و Google و Honeywell) في بناء أجهزة كمبيوتر كمومية وحل المشكلات الهندسية الصعبة المرتبطة بالتحكم في الإلكترونات أو الأيونات أو الفوتونات المفردة وعزلها وزيادة عددها إلى عشرات أو مئات أو آلاف أو حتى الملايين المطلوبة لحل العديد من المشاكل.

تطلع الشركات الناشئة الأصغر أيضًا إلى أن تكون أول من يطور أجهزة وبرامج جديدة توفر ميزة تنافسية كافية لقيادة هذه الصناعة الجديدة بما في ذلك أنظمة (D-Wave و Rigetti و Ion Q)، وفي حالة أنظمة (D-Wave) اختاروا تطوير أجهزة تسمى التلدين الكمي يحل مشاكل التحسين الاندماجي تحديدًا، بينما يقوم الآخرون ببناء أجهزة كمبيوتر عالمية استنادًا إلى عمليات البوابة الأساسية المشابهة لوظيفة بوابة (NAND) في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

يتميز (D-Wave Systems) كمية التلدين الكمي بتخصيص عدد أكبر من الكيوبتات – 5000 في أحدث معالج (Pegasus) لحل المشكلات في حين أن أكبر معالج كمومي من (IBM) يسمى (Hummingbird) يضم 65 كيوبت، ولكن مع خارطة طريق استراتيجية للتوسع إلى أكثر من ألف كيوبت في السنوات القليلة المقبلة، ولا يزال من غير الواضح ما هي التكنولوجيا التي ستثبت أنها الأكثر فاعلية لكن السباق مستمر ويشتعل مع تكريس المزيد من الشركات لموارد كبيرة نحو هذه الحدود الحاسوبية الجديدة.

كيفية حل مشاكل الطاقة عن طريق الحوسبة الكمومية

لقد قلت الكثير عن ماهية الحوسبة الكمومية، لكن لم يتبين بعد العديد من المشكلات التي يمكن أن تحلها، حيث يشعر الكثير في صناعة الحوسبة الكمومية أن الفكرة الأصلية لمحاكاة الجزيئات والمواد هي أول أفضل تطبيق لهذه التقنية؛ وذلك لأن محاكاة الأنظمة الكمومية ذات الجوهر مثل الجزيء تتوافق بشكل طبيعي مع قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تم الإبلاغ عن نجاحات مبكرة من قبل شركات مثل (Mitsubishi) التي تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية للمساعدة في تصميم تكنولوجيا البطاريات، حيث أن المواد الكيميائية والمواد المتقدمة مهمة للغاية أيضًا لصناعة الطاقة وتتراوح من الفهم الأفضل لخصائص الهيدروكربونات إلى المواد الكيميائية المستخدمة في إنتاج النفط والغاز ونقله ومعالجته.

يمكن أن يؤدي إيجاد حلول للتآكل والتشكيلات الصلبة التي تؤثر على ضمان التدفق إلى تحسين السلامة وتقليل التكاليف في الصناعات بشكل كبير، ويتطلب تطوير حلول لهذه المشكلات محاكاة عالية الدقة للجزيئات وعمليات التفاعل التي قد تستغرق سنوات لاستكشافها تجريبيًا، حيث إن التطبيق المهم التالي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو التخطيط واللوجستيات واتخاذ القرار.

نجاحات الحوسبة الكمية

كان أحد النجاحات المبكرة في الحوسبة الكمومية والتلدين في حل مشاكل التحسين التجميعي، وقد ادعى البعض وجود دليل على ميزة كمية على أفضل العتاد والخوارزميات الكلاسيكية، ومع ذلك لم تؤد هذه الادعاءات إلا إلى اهتمام أكبر وتجديد الابتكار.

لا أحد يحب أن يخسر وقد عرف مؤلفو الخوارزميات الكلاسيكية ما هي مشكلة الأنماط المحددة التي يتم استغلالها بواسطة تكنولوجيا الكم وقاموا بمراجعة الخوارزميات لتتصدر مرة أخرى نتائج الأداء والمتانة، حيث سميت هذه الخوارزميات المنقحة أو المتخصصة بالحوسبة المستوحاة من الكم أو التحسين (QIO).

تنتج عروض تقنية جديدة مثل وحدة التلدين الرقمية من (Fujitsu) وآلة التشعب المحاكاة من (Toshiba)، حيث أن الميزة التي تتمتع بها هذه الأجهزة والبرامج هي القدرة على توصيل العديد من البتات باستخدام الأجهزة الإلكترونية الكلاسيكية الحالية مثل وحدات معالجة الرسومات ( GPU ) و (FPGA).