ما هي المعالجة الكمومية

عادةً ما تكون مجموعة البيانات الكمية عبارة عن مصفوفة بيانات تتكون من صفوف وأعمدة، حيث يتوافق صف واحد مع وحدة مراقبة واحدة وعمود واحد يتوافق مع متغير واحد، ولتحليل البيانات الكمية يلزم وجود برامج للتحليل الإحصائي بالإضافة إلى المعرفة الأساسية على الأقل بالإحصاءات والأساليب الكمية.

ما المقصود بالمعالجة الكمومية

(QPU) المعروف أيضًا باسم المعالج الكمي هو دماغ الكمبيوتر الكمومي، والذي يستخدم سلوك الجسيمات مثل الإلكترونات أو الفوتونات لإجراء أنواع معينة من الحسابات أسرع بكثير من المعالجات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الحالية.

تعتمد وحدات (QPU) سلوكيات مثل التراكب وقدرة الجسيم على أن يكون في العديد من الحالات في وقت واحد كما هو موصوف في فرع جديد نسبيًا من الفيزياء يسمى ميكانيكا الكم.

وعلى النقيض من ذلك فإن وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) ووحدات (DPU) جميعها تطبق مبادئ الفيزياء الكلاسيكية على التيارات الكهربائية، وهذا هو السبب في أن أنظمة اليوم تسمى أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، ويمكن لوحدات (QPU) تطوير التشفير والمحاكاة الكمية والتعلم الآلي وحل مشاكل التحسين الشائعة.

مبدأ عمل المعالج الكمي

تحسب وحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) بالبت، حيث أن حالات التشغيل والإيقاف للتيار الكهربائي التي تمثل الأصفار أو الآحاد، وعلى النقيض من ذلك تحصل وحدات (QPU) على قدراتها الفريدة من خلال الحساب بالكيوبتات، وهي بتات كمومية يمكن أن تمثل العديد من الحالات الكمية المختلفة.

الكيوبت عبارة عن فكرة مجردة يستخدمها علماء الكمبيوتر للتعبير عن البيانات بناءً على الحالة الكمومية للجسيم في (QPU) مثل عقارب الساعة تشير الكيوبتات إلى الحالات الكمية التي تشبه النقاط في مجال الاحتمالات، وغالبًا ما يتم وصف قوة (QPU) بعدد الكيوبتات التي تحتوي عليها، حيث يطور الباحثون طرقًا إضافية لاختبار وقياس الأداء العام لوحدة (QPU).

طرق عمل كيوبت

• يستخدم باحثو الشركات والأكاديميون مجموعة متنوعة من التقنيات لإنشاء الكيوبتات داخل وحدة (QPU)، ويُطلق على النهج الأكثر شيوعًا في هذه الأيام اسم كيوبت فائق التوصيل، حيث إنها مصنوعة أساسًا من شطيرة معدنية صغيرة أو أكثر تسمى تقاطعات جوزيفسون، حيث تنفق الإلكترونات عبر طبقة عازلة بين مادتين فائقتين التوصيل.

• الحالة الحالية للفن تخلق أكثر من 100 تقاطع في وحدة (QPU) واحدة، وتقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام هذا النهج بعزل الإلكترونات عن طريق تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق باستخدام ثلاجات قوية تشبه الثريات عالية التقنية.

كيفية تكوين الكيويتات 

• تستخدم بعض الشركات الفوتونات بدلاً من الإلكترونات لتكوين الكيوبتات في معالجاتها الكمومية، لا تتطلب وحدات (QPU) هذه ثلاجات باهظة الثمن ومتعطشة للطاقة ولكنها تحتاج إلى ليزر متطور ومقسمات شعاعية لإدارة الفوتونات.

• يستخدم الباحثون ويبتكرون طرقًا أخرى لإنشاء وحدات كيوبت وربطها داخل وحدات إدارة الجودة، على سبيل المثال يستخدم البعض عملية تناظرية تسمى التلدين الكمي لكن الأنظمة التي تستخدم وحدات (QPU) هذه لها تطبيقات محدودة.

أنظمة وحدة المعالجة الكمية

من الناحية النظرية قد تتطلب وحدات (QPU) طاقة أقل وتولد حرارة أقل من المعالجات الكلاسيكية، ومع ذلك فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يتم توصيلها بها يمكن أن تكون متعطشة للطاقة إلى حد ما ومكلفة، وذلك لأن الأنظمة الكمومية تتطلب عادةً أنظمة فرعية إلكترونية أو ضوئية متخصصة للتحكم في الجسيمات بدقة، ويتطلب معظمها حاويات فراغية أو درعًا كهرومغناطيسياً أو ثلاجات متطورة لتهيئة البيئة المناسبة للجسيمات.

هذا هو أحد الأسباب التي تجعل من المتوقع أن تعيش أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل أساسي في مراكز الحوسبة الفائقة ومراكز البيانات الكبيرة.

أهمية المعالجة الكمية QPUs 

• بفضل العلم والتكنولوجيا المعقدين يتوقع الباحثون أن توفر وحدات (QPU) داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية نتائج مذهلة، إنهم متحمسون بشكل خاص حول أربعة احتمالات واعدة، أولاً يمكنهم نقل أمان الكمبيوتر إلى مستوى جديد تمامًا.

• يمكن للمعالجات الكمومية تحليل الأرقام الهائلة بسرعة وهي وظيفة أساسية في التشفير، هذا يعني أنه يمكنهم كسر بروتوكولات الأمان الحالية لكن يمكنهم أيضًا إنشاء بروتوكولات جديدة أكثر قوة، بالإضافة إلى ذلك فإن وحدات (QPU) مناسبة بشكل مثالي لمحاكاة ميكانيكا الكم لكيفية عمل الأشياء على المستوى الذري.

• يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحقيق تقدم جوهري في الكيمياء وعلوم المواد وبدء تأثيرات الدومينو في كل شيء بدءًا من تصميم الطائرات الأخف وزناً إلى الأدوية الأكثر فعالية، ويأمل الباحثون أيضًا أن تحل المعالجات الكمية مشكلات التحسين التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التعامل معها في مجالات مثل التمويل واللوجستيات وأخيرًا يمكنهم أيضًا تطوير التعلم الآلي.

متى ستتوفر وحدات المعالجات الكمية QPU

بالنسبة لباحثي الكم لا يمكن أن تأتي وحدات المعالجة الكمية (QPU) قريبًا بما يكفي، لكن التحديات تمتد عبر السلسلة الكاملة، على مستوى الأجهزة فإن وحدات (QPU) ليست قوية أو يمكن الاعتماد عليها بما يكفي للتعامل مع معظم الوظائف في العالم الحقيقي.

ومع ذلك بدأت وحدات (QPU) المبكرة ووحدات معالجة الرسومات التي تحاكيها باستخدام برنامج مثل (NVIDIA cuQuantum) في إظهار النتائج التي تساعد الباحثين، ولا سيما في المشاريع التي تستكشف كيفية بناء وحدات (QPU) أفضل وتطوير خوارزميات كمومية.

يستخدم الباحثون أنظمة النماذج الأولية المتاحة من خلال العديد من الشركات مثل (Amazon و IBM و IonQ و Rigetti و Xanadu)، وبدأت الحكومات في جميع أنحاء العالم في رؤية وعد التكنولوجيا لذا فهي تقوم باستثمارات كبيرة لبناء أنظمة أكبر وأكثر طموحًا.

كيف يتم القيام ببرمجة معالج الكم

لا تزال برامج الحوسبة الكمومية في مهدها، حيث يبدو أن الكثير منه يشبه نوع مبرمجي لغة التجميع الذين كان عليهم العمل في الأيام الأولى لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، ولهذا السبب يتعين على المطورين فهم تفاصيل الأجهزة الكمومية الأساسية لتشغيل برامجهم.

لكن هنا أيضًا هناك إشارات حقيقية للتقدم نحو الكأس المقدسة، وهي بيئة برمجية واحدة ستعمل عبر أي كمبيوتر عملاق نوع من أنظمة التشغيل الكمومية، كل النضال مع قيود الأجهزة الحالية البعض تعيقه حدود الشركات التي تقوم بتطوير الكود.

على سبيل المثال تتمتع بعض الشركات بخبرة عميقة في حوسبة المؤسسات، ولكنها تفتقر إلى الخبرة في نوع البيئات عالية الأداء، حيث سيتم إنجاز الكثير من العمل العلمي والتقني في الحوسبة الكمية، ويفتقر البعض الآخر إلى الخبرة في مجال الذكاء الاصطناعي الذي يتآزر مع الحوسبة الكمومية.

وفي نهاية ذلك فقد تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية بناءً على احتمالية حالة الكائن قبل قياسه بدلاً من 1 أو 0، مما يعني أن لديها القدرة على معالجة المزيد من البيانات بشكل كبير مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.