ما هو التفوق الكمي

التفوق الكمي هو عرض تجريبي لهيمنة الكمبيوتر الكمومي وميزته على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من خلال إجراء حسابات كانت مستحيلة سابقًا بسرعات لا مثيل لها.

مفهوم التفوق الكمي

لتأكيد أن السيادة الكمومية قد تم تحقيقها، يجب أن يكون علماء الكمبيوتر قادرين على إظهار أن الكمبيوتر الكلاسيكي لا يمكن أن يحل المشكلة أبدًا مع إثبات أن الكمبيوتر الكمومي يمكنه إجراء الحساب بسرعة، إذ يأمل علماء الكمبيوتر أن يؤدي التفوق الكمي إلى تكسير خوارزمية شور، وهي عملية حسابية مستحيلة حاليًا تشكل أساس معظم التشفير الحديث، بالإضافة إلى مزايا تطوير الأدوية والتنبؤات الجوية وتداول الأسهم وتصميمات المواد.

تتطور الحوسبة الكمومية باستمرار، حيث لم تصل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بعد إلى النقطة التي يمكنها فيها إظهار تفوقها على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، وهذا يرجع في الغالب إلى الكم الهائل من البتات الكمومية أو الكيوبتات المطلوبة لإجراء عمليات ذات مغزى على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، حيث أنه مع زيادة كمية البوابات الضرورية وعدد الكيوبتات يزداد أيضًا معدل الخطأ، وإذا زاد معدل الخطأ بشكل كبير، يفقد الكمبيوتر الكمومي أي ميزة كانت لديه على الكمبيوتر الكلاسيكي.

لإجراء عمليات حسابية مفيدة بنجاح، مثل تحديد الخصائص الكيميائية لمادة ما، سيكون من الضروري استخدام بضعة ملايين كيوبت، إذ انه حاليًا أكبر تصميم كمبيوتر كمي هو بريستليكون مع معالج كمي 72 كيلوبت، والذي تم إصداره في مارس 2018.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية مقابل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية

• يكمن الاختلاف الأساسي بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية في طريقة عملها، إذ تعالج أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية المعلومات على هيئة وحدات بت، مع إجراء جميع العمليات الحسابية بلغة ثنائية من 1 و 0. التيار في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إما يتدفق عبر الترانزستور أم لا، حيث أنه لا يوجد بينهما.

• على العكس من ذلك، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية نظرية الكم كأساس لأنظمتها، حيث تركز نظرية الكم على التفاعلات غير العادية بين الجسيمات على نطاق غير مرئي، مثل الذرات والإلكترونات والفوتونات، لذلك لم يعد من الممكن تطبيق الحالات الثنائية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

• يمكن أن تتفوق كيوبت نظريًا على مقياس حساب البتات الثنائية بالأحجام، وهذا يرجع في الغالب إلى التراكب الكمي، أو القدرة على وجود جسيم دون ذري في حالتين في وقت واحد، إذ يسمح التراكب للكيوبت بتشغيل حسابات محددة على احتمالات مختلفة في وقت واحد.

• تسمح الأيونات والفوتونات والموصلات الفائقة المحاصرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على إجراء العمليات الحسابية بسرعات عالية للغاية وأخذ كميات هائلة من البيانات، ومع ذلك فإن القيمة الحقيقية التي يمكن أن توفرها أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي القدرة على حل المشكلات المعقدة للغاية، بحيث يتعذر على أجهزة الكمبيوتر التقليدية معالجتها أو التي قد تستغرق مليارات السنين للإجابة عليها.

• في حين أن هذه المزايا يمكن أن تؤدي إلى التفوق الكمي، إلا أن المعالجات لم يتم بناؤها بعد بكل القدرات، حيث تستمر أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في مفاجأة علماء الكمبيوتر بقوة حسابية وقدرتها على حل أنواع معينة من المشكلات، وحتى يتم بناء جهاز كمبيوتر كمومي يحل مشكلة، وقد ثبت أن الكمبيوتر الكلاسيكي لا يستطيع حلها، فلا يزال من الممكن وجود خوارزمية كلاسيكية أفضل ولن يتم تحقيق التفوق الكمي.

تطبيقات التفوق الكمومي

يعتقد بعض الناس أن الكمبيوتر الكمي الذي يحقق التفوق الكمي يمكن أن يكون أكثر التقنيات الجديدة اضطرابًا منذ اختراع المعالج الدقيق، حيث ستتأثر بعض المهن ومجالات العمل بشكل كبير بالتفوق الكمي، ومن هذه الأمثلة:

• ستزود القدرة على إجراء عمليات محاكاة أكثر تعقيدًا على نطاق أوسع الشركات بكفاءة محسنة ورؤية أعمق وتوقع أفضل، وبالتالي تحسين عمليات التحسين.

• ستكون عمليات المحاكاة المحسّنة التي تقوم بنمذجة الأنظمة الكمومية المعقدة، مثل الجزيئات البيولوجية ممكنة.

• يمكن أن يؤدي الجمع بين الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي إلى جعل الذكاء الاصطناعي أكثر ذكاءً مما هو عليه الآن.

• يمكن تصميم الأدوية والمواد الكيميائية والمواد المخصصة الجديدة ونمذجتها وتعديلها للمساعدة في زراعة منتجات صيدلانية أو تجارية أو تجارية جديدة.

• يمكن أن تؤدي القدرة على تحليل الأعداد الكبيرة جدًا إلى كسر أشكال التشفير الحالية طويلة الأمد، وبشكل عام، يمكن أن يبدأ التفوق الكمي سوقًا جديدًا للأجهزة التي لديها القدرة على تعزيز الذكاء الاصطناعي ونمذجة التفاعلات الجزيئية والأنظمة المالية بشكل معقد وتحسين التنبؤات الجوية وكسر الرموز التي كانت مستحيلة سابقًا.

• بينما يبدو أن معظم هذه التطبيقات لا تقدم شيئًا سوى الفوائد، فإن التفوق الكمي لديه أيضًا القدرة على زعزعة استقرار الرياضيات التي تقوم عليها معظم تشفير البيانات الحالي، لذلك بمجرد تحقيق التفوق الكمي سيتعين على علماء الكمبيوتر إعادة تقييم أمان الكمبيوتر بالكامل وكيفية حماية المعلومات والبيانات، ولسوء الحظ سيصبح هذا صعبًا للغاية مع السرعات العالية والكميات الكبيرة من البيانات التي ستعمل بها أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

أمثلة على التفوق الكمومي

• في حين أن المشكلة التي تمثل أولاً التفوق الكمي قد تكون ما يريده علماء الكمبيوتر، فمن المتوقع أنهم سيستخدمون مشكلة تُعرف باسم أخذ عينات الدائرة العشوائية.

• إذ تتطلب هذه المشكلة أن يقوم الكمبيوتر بأخذ عينات بشكل صحيح من المخرجات المحتملة لدائرة كمومية عشوائية، على غرار سلسلة من الإجراءات التي يمكن تنفيذها على مجموعة من الكيوبتات.

• لا تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أي خوارزميات سريعة لتوليد هذه العينات؛ لذلك مع زيادة مجموعة العينات المحتملة تصبح أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية غارقة، حيث انه إذا تمكن الكمبيوتر الكمومي من سحب العينات بكفاءة في هذه الحالة، فسيثبت التفوق الكمي.

أهمية التفوق الكمومي

تم حل الخوارزميات الكمومية الأولى في التسعينيات، وبينما كانت المشكلات نفسها عديمة الفائدة زودت العملية علماء الكمبيوتر الذين صمموها بالمعرفة والرؤى التي يمكنهم استخدامها لتطوير خوارزميات أكثر أهمية، مثل خوارزمية شور، والتي من المحتمل أن يكون لها عواقب عملية كبيرة.

يأمل علماء الكمبيوتر في أن يكرر التفوق الكمومي هذه العملية ويدفع المخترعين إلى إنشاء كمبيوتر كمي قادر على التفوق على الكمبيوتر الكلاسيكي، حتى لو كان يحل مشكلة بسيطة وعديمة الجدوى فقط؛ لأن هذا العمل يمكن أن يكون مفتاح بناء الكمبيوتر الكمي المفيد والأعلى.

يعتقد بعض الناس أيضًا أن قانون مور سينتهي قريبًا، وهذا من شأنه أن يمنع أبحاث الذكاء الاصطناعي لأن التطبيقات الضرورية الأكثر ذكاءً، مثل السيارات ذاتية التحكم بالكامل، حيث تتطلب كميات هائلة من قوة المعالجة، وبمجرد الوصول إلى السيادة الكمومية يجب أن تكون الحوسبة الكمومية قادرة على حل هذه المشكلة بالإضافة إلى إحداث ثورة في التعلم الآلي ( ML ).

أخيرًا، سيؤثر التفوق الكمي بشكل كبير على مجال علوم الكمبيوتر النظرية، حيث قال بعض العلماء أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية يمكنها أن تكمل بكفاءة أي مشكلة يمكن لأي نوع آخر من أجهزة الكمبيوتر إنجازها، وأن التفوق الكمي ينتهك هذا الافتراض تمامًا، حيث سيُجبر العلماء على فتح عقولهم لعالم جديد تمامًا من علوم الكمبيوتر.

مستقبل السيادة الكمية

إن الهدف النهائي للحوسبة الكمومية هو إنشاء كمبيوتر بوابة عالمي يعمل بكامل طاقته ويتحمل الأخطاء. ومع ذلك، قبل أن يتم تصنيع هذه الآلة، يحتاج علماء الكمبيوتر إلى تطوير:

• تصحيح أخطاء مُحسَّن لا يتطلب كميات هائلة من الأجهزة.

• خوارزميات متقدمة يمكنها دعم المشكلات المعقدة بشكل فريد.

• ضوضاء محسنة.

• Qubits مع حساسية أقل للضوضاء وأوقات تماسك أطول وموثوقية متزايدة.

• معالجات الكم التي تمتلك آلاف الكيوبتات.

إيجابيات وسلبيات التفوق الكمي

بمجرد عرض التفوق الكمي، ستوفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدامًا فائقًا لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة، مثل تلك المستخدمة في أبحاث السرطان وتصميم الأدوية وفيزياء جسيمات الهندسة الوراثية والتنبؤ بالطقس.

ولسوء الحظ، بسبب التراكب، فإن المبرمجين الذين يعملون على تطوير أدوات لتشفير أجهزة الكمبيوتر الكمومية غير قادرين على عرض المسارات التي تأخذها بياناتهم من الإدخال إلى الإخراج، مما يجعل عملية التصحيح معقدة للغاية.

علاوة على ذلك، في حين أن التفوق الكمي يمكن أن يكون مفيدًا للغاية لمختلف الصناعات، فإن الاختراق قد يؤدي أيضًا إلى دول مارقة أو جهات فاعلة تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية لأغراض مدمرة.