الكيوبت (أو البت الكمي) هو النظير الميكانيكي الكمومي للبت الكلاسيكي، ففي الحوسبة الكلاسيكية، يتم ترميز المعلومات في وحدات بت، حيث يمكن أن يكون لكل بت قيمة صفر أو واحد؛ في الحوسبة الكمية يتم ترميز المعلومات بالكيوبتات، والكيوبت هو نظام كمي من مستويين.
ما هي الكيوبتات
يقوم الكمبيوتر الرقمي بتخزين المعلومات ومعالجتها باستخدام وحدات البت، والتي يمكن أن تكون إما 0 أو 1، وفيزيائيًا، يمكن أن يكون البتة أي شيء له تكوينان مختلفان: أحدهما يمثله “0” والآخر يمثله “1”، ويمكن أن يكون مصباحًا كهربائيًا يعمل أو لا، أو عملة معدنية على شكل رؤوس أو ذيول، أو أي نظام آخر بإمكانيات مميزة ومميزة.
في الحوسبة والاتصالات الحديثة، يتم تمثيل البتات بغياب أو وجود إشارة كهربائية، ترميز “0” و “1” على التوالي، والبتة الكمومية هي أي بت مكونة من نظام كمي، مثل الإلكترون أو الفوتون، تمامًا مثل البتات الكلاسيكية، يجب أن تحتوي البتة الكمية على حالتين متميزتين: واحدة تمثل “0” والأخرى تمثل “1”.
على عكس البتة التقليدية، يمكن أن توجد البتة الكمومية أيضًا في حالات التراكب، وتخضع لقياسات غير متوافقة، وحتى تتشابك مع بتات كمومية أخرى؛ إن امتلاك القدرة على تسخير قوى التراكب والتداخل والتشابك يجعل الكيوبتات مختلفة جوهريًا وأكثر قوة بكثير من البتات التقليدية.
لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية وتقنيات معلومات كمومية أخرى، هناك حاجة إلى كائنات كمومية تعمل ككيوبتات، ولقد تعلم العلماء تسخير العديد من الأنظمة الفيزيائية والتحكم فيها لتكون بمثابة كيوبتات، وهذا يسمح بمطابقة متطلبات تقنيات الكم المختلفة مع مزايا كل نوع من أنواع الكيوبت.
الكيوبتات والاحتمال
تقوم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بتخزين المعلومات ومعالجتها في وحدات بت، والتي يمكن أن يكون لها حالة إما 1 أو 0، ولكن ليس كلاهما مطلقًا؛ إن المكافئ في الحوسبة الكمومية هو الكيوبت، والكيوبت هو أي نظام كمي يمكن أن يكون في حالة تراكب من حالتين كميتين، 0 و 1.
كل حالة كمية محتملة لها سعة احتمالية مرتبطة بها، وفقط بعد قياس كيوبت، تنهار حالته إما إلى الحالة 0 أو الحالة 1 اعتمادًا على الاحتمال المرتبط، وبالتالي، يتم الحصول على إحدى الحالات المحتملة باحتمالية معينة، كما يتم تحديد احتمالية انهيار الكيوبت بطريقة أو بأخرى عن طريق التداخل الكمي، ويؤثر التداخل الكمي على حالة الكيوبت من أجل التأثير على احتمالية نتيجة معينة أثناء القياس، وهذه الحالة الاحتمالية هي المكان الذي تتفوق فيه قوة الحوسبة الكمومية.
على سبيل المثال ، مع وجود بتين في جهاز كمبيوتر كلاسيكي، يمكن لكل بت تخزين 1 أو 0، لذلك يمكن معًا تخزين أربع قيم محتملة (00 و 01 و 10 و 11)، ولكن واحدة فقط من تلك القيم في المرة الواحدة، ومع وجود اثنين كيوبت في التراكب، يمكن أن يكون كل كيوبت 1 أو 0 أو كليهما، لذلك يمكنك تمثيل نفس القيم الأربع في وقت واحد؛ باستخدام ثلاثة كيوبت، يمكن تمثيل ثماني قيم، مع أربعة كيوبت، ويمكن تمثيل 16 قيمة، وهكذا.
التشابك الكيوبتات
إحدى أكثر الظواهر إثارة للاهتمام في ميكانيكا الكم هي قدرة نظامين أو أكثر من أنظمة الكم على التشابك مع بعضهما البعض، حيث أن التشابك هو ارتباط كمي بين أنظمة الكم، وعندما تصبح الكيوبتات متشابكة، فإنها تشكل نظامًا عالميًا بحيث لا يمكن وصف الحالة الكمومية للأنظمة الفرعية الفردية بشكل مستقل، ويتشابك نظامان عندما لا يمكن كتابة حالة النظام العالمي كمجموعة خطية من الأنظمة الفرعية.
يمكن للأنظمة الكمومية المتشابكة أن تحافظ على هذا الارتباط حتى عند فصلها على مسافات كبيرة، وهذا يعني أن أي عملية أو عملية تقوم بتطبيقها على نظام فرعي واحد ترتبط بالنظام الفرعي الآخر أيضًا، ونظرًا لوجود علاقة متبادلة بين الكيوبتات المتشابكة، فإن قياس حالة أحد الكيوبتات يوفر معلومات حول حالة الكيوبت الآخر، وهذه الخاصية بالذات مفيدة جدًا في الحوسبة الكمومية.
كيفية صنع الكيوبتات
- لصنع كيوبت، بحاجة إلى كائن يمكنه الوصول إلى حالة تراكب كمي بين حالتين، والنواة الذرية هي نوع واحد من الكيوبتات، ويمكن أن يشير اتجاه عزمه المغناطيسي (“الدوران”) في اتجاهات مختلفة، لأعلى أو لأسفل فيما يتعلق بالمجال المغناطيسي. يكمن التحدي في وضع تلك الذرة المفردة ثم معالجتها.
- فكرة أخرى هي تجريد الذرة من الإلكترون وتحويله إلى أيون، ثم يمكن استخدام المجالات الكهرومغناطيسية لتعليق الأيونات في الفضاء الحر، وإطلاق أشعة الليزر عليه لتغيير حالته، وهذا يجعل الكمبيوتر الكمومي “الأيوني المحاصر”.
- يمكن أيضًا أن يكون التيار في حلقة من معدن فائق التوصيل في حالة تراكب، بين اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة، تمامًا مثل جهاز الجري الصغير الذي يعمل للأمام وللخلف في نفس الوقت.
- يمكن أن يكون فوتون من الضوء في حالة تراكب في الاتجاه الذي يلوح به، حيث تقوم بعض المجموعات بتجميع الدوائر الكمومية عن طريق إرسال فوتونات حول متاهة من الألياف الضوئية والمرايا.
قراءة المعلومات من الكيوبتات
- هناك هالة من الغموض حول ما يحدث أثناء الحساب الكمي، حيث يصف الفيزيائيون الأكثر إبعادًا الكيوبتات بأنها منخرطة في نوع من الجلسات الكمومية مع عوالم متوازية لتفسير الإجابة، لكنه ليس سحرًا، إنه مجرد ميكانيكا الكم.
- بتشغيل الكمبيوتر الكمومي الجديد بسعة 64 كيلوبت وتشغيله لأول حساب له، حيث توضع كل الـ 64 كيوبت في حالة تراكب، تمامًا مثل 64 قطعة نقدية متوازنة على الحافة، ومعا، لديهم 264 دولة محتملة في طي النسيان، حيث أن إحدى هذه الحالات تمثل الإجابة الصحيحة، لكن أي واحدة.
- تكمن المشكلة في أن قراءة الكيوبتات تؤدي إلى انهيار التراكب، مثل ضرب قبضة يد على الطاولة بكل تلك العملات المعدنية المتوازنة.
- وهنا يأتي دور الخوارزمية الكمومية مثل شور، ويقوم بتحميل الكيوبتات لجعلها أكثر عرضة للسقوط في الجانب الصحيح، ويعطي الإجابة الصحيحة.
Qubit والتحكم
- يتحكم علماء الكمبيوتر في الجسيمات المجهرية التي تعمل كوحدات كيوبت في أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام أجهزة التحكم.
- تستخدم مصائد الأيونات المجالات الضوئية أو المغناطيسية (أو مزيج من كليهما) لاحتجاز الأيونات.
- تستخدم المصائد الضوئية موجات ضوئية لاحتجاز الجسيمات والتحكم فيها.
- النقاط الكمومية مصنوعة من مادة شبه موصلة وتستخدم لاحتواء ومعالجة الإلكترونات.
- تحتوي شوائب أشباه الموصلات على إلكترونات باستخدام ذرات “غير مرغوب فيها” موجودة في مادة أشباه الموصلات.
- تسمح الدوائر فائقة التوصيل للإلكترونات بالتدفق بدون مقاومة تقريبًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا.
أنواع الكيوبتات
توجد أنواع عديدة من الكيوبتات، بعضها يحدث بشكل طبيعي والبعض الآخر مصمم هندسيًا، وتشمل بعض الأنواع الأكثر شيوعًا ما يلي:
- غزل: تتصرف معظم الجسيمات الكمومية مثل المغناطيس الصغير، وتسمى هذه الخاصية تدور، ويشير اتجاه الدوران دائمًا إما إلى أعلى أو لأسفل تمامًا ولكن ليس بينهما، وباستخدام حالات السين لأعلى ولأسفل، يمكن بناء كيوبت سيني، مثل 0 = يشير لأعلى، 1 = يشير لأسفل.
- الذرات والأيونات المحاصرة: يمكن استخدام مستويات طاقة الإلكترونات في الذرات أو الأيونات المحايدة مثل الكيوبتات، وفي حالتها الطبيعية، تحتل هذه الإلكترونات أدنى مستويات طاقة ممكنة، وباستخدام الليزر، يمكن “إثارة “هم إلى مستوى طاقة أعلى، حيث يمكن تعيين قيم الكيوبت بناءً على حالة طاقتهم، مثل 0 = حالة طاقة منخفضة، 1 = حالة طاقة عالية.
- الدوائر فائقة التوصيل: عند التبريد إلى درجة حرارة منخفضة، تسمح بعض المواد بتدفق تيار كهربائي بدون مقاومة، وتسمى هذه الموصلات الفائقة، حيث يمكن تصميم الدوائر الكهربائية على أساس الموصلات الفائقة لتتصرف مثل الكيوبتات.
وعلى عكس الأمثلة الأخرى للكيوبتات، فإن هذه الأنظمة المصنعة مكونة من مليارات الذرات، ومع ذلك، فإنها لا تزال تتصرف كنظام كمي واحد، وإحدى الطرق التي يمكننا من خلالها بناء كيوبت فائق التوصيل هي تعيين قيمة لاتجاه تدفق التيار حول دائرة كهربائية، مثل 0 = تيار في اتجاه عقارب الساعة، 1 = تيار عكس اتجاه عقارب الساعة.
لقد تم تصميم (Quantum Inspire) للتحكم في تقنيات الكيوبت المختلفة، ويسمح تصميمه المعياري بإعادة استخدام المكونات المستقلة عن التكنولوجيا أثناء استبدال المكونات (البرامج والأجهزة) التي تعتمد على التكنولوجيا، وهناك العديد من التطبيقات المادية المختلفة للكيوبتات ممكنة، وهناك عدد من الأمثلة هي استقطاب الفوتون، أو اثنين من مستويات الطاقة المنفصلة (المتعددة) لأيون، أو ترانسمون فائق التوصيل، أو حالات الدوران النووي للذرة أو حالات الدوران للإلكترون.
