عام

أجهزة الكمبيوتر الكم. لماذا لم يفعلوا ذلك بعد ، رغم أنهم موجودون بالفعل؟

قبل خمسين سنة ، كانت الهواتف الذكية قد بدتأجهزة الكمبيوتر السحرية تماما. مثلما كانت أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا يمكن تصورها تقريبًا للأجيال السابقة ، نواجه اليوم ميلاد نوع جديد تمامًا من الحوسبة: شيء غامض لدرجة أنه يمكن تسميته بالسحرية. هذه هي أجهزة الكمبيوتر الكم. إذا كانت كلمة "الكم" غير مألوفة بالنسبة لك ، فأنت لست وحدك. قد يبدو هذا العالم شديد البرودة والصغيرة والحساسة والغريبة للغاية نظامًا مشكوكًا فيه ، يُقترح عليه بناء جهاز حوسبة تجاري ، لكن هذا هو بالضبط ما تعمل عليه IBM و Google و Rigetti Computing وغيرها من الشركات.

في يناير في CES كجزء من مبادرة IBM Qأظهر نظام واحد (انظر أعلاه): آلة رائعة ومثيرة تشبه الثريات التي أصبحت أول نظام عالمي متكامل للحوسبة الكمومية للاستخدام التجاري يمكن للجميع اللعب به.

حول إمكانات أجهزة الكم الكموميةربما الجميع: خصائص الفيزياء الكمومية تفتح مخططات حسابية متوازية على نطاق واسع ، والتي من المرجح أن توفر قفزات هائلة في قوة الحوسبة وتفوق أي أجهزة الكمبيوتر الفائقة الترانزستور التي قد نواجهها اليوم وغدا. سوف تحدث ثورة في الكيمياء والصيدلة وعلوم المواد والتعلم الآلي.

ولكن ما الذي يجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية قوية للغاية؟ دعونا معرفة ذلك.

ما هي البتات؟

أولاً ، دعنا نتذكر كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

سر مهارتهم هو أنهم يتلاعبونالمكدسة. كل شيء يعالج الكمبيوتر الكلاسيكي - النص والصور والفيديو - وما إلى ذلك - يتكون من خطوط طويلة من الأصفار والأخرى أو البتات. في جوهرها ، يمثل قليلا واحدة من حالتين: تشغيل / إيقاف ، أو يتم توصيل الدائرة الكهربائية ، أم لا. في أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، يتم تمثيل البتات عادة بالجهد الكهربائي أو نبض التيار.

أجهزة الكمبيوتر الكم ، من ناحية أخرى ، تعتمد علىالمكدسة. مثل البتات الثنائية ، تكمن البتات في الحسابات ، بفارق كبير: البتات هي عادة الموصلات الفائقة للإلكترونات أو الجسيمات دون الذرية الأخرى. ليس من المستغرب أن تمثل عمليات التلاعب بالميتات مشكلة علمية وهندسية معقدة. يستخدم IBM ، على سبيل المثال ، عدة طبقات من الدوائر فائقة التوصيل في بيئة خاضعة للتحكم ويتم تبريدها تدريجيًا إلى درجات حرارة أقل من المساحة العميقة - بالقرب من الصفر المطلق.

نظرًا لأن البتات تعيش في الواقع الكوانتي ، فإن لها خصائص كمومية مذهلة.

التراكب والتشابك والتداخل

إذا تم تقديم بعض الشيء كعملة معدنية ذات نسر (0) أومع ذيول (1) ، سيتم تمثيل الكيبيتات بواسطة قطعة معدنية مغزولة: بمعنى ما ، كلتا النسور وذيول في نفس الوقت ، ولكل ولاية احتمال معين. يستخدم العلماء نبضات الموجات الدقيقة المعايرة لوضع المكعبات في التراكب ؛ بنفس الطريقة ، يمكن أن تتحول الترددات الأخرى ومدة هذه النبضات إلى qubit بحيث يكون في حالة مختلفة قليلاً (ولكن لا يزال في حالة تراكب).

بسبب التراكب ، يمكن أن qubit منفصلةتمثل معلومات أكثر بكثير من الشيء الثنائي. ويرجع ذلك جزئيًا إلى حقيقة أنه مع وجود وحدات البت الإدخال الأولي يمكن أن تتكرر من خلال طريقة القوة الغاشمة عدد كبير من النتائج المحتملة في وقت واحد. لا تظهر الإجابة النهائية إلا عندما يقيس العلماء البتات - باستخدام إشارات الموجات الصغرية - التي تسبب لهم في "الانهيار" إلى حالة ثنائية. في كثير من الأحيان ، يتعين على العلماء إجراء حسابات عدة مرات للتحقق من الإجابة.

الارتباك هو شيء أكثر رهيبة. إن تطبيق نبضات الموجات الصغرية على زوج من البتات ، يمكن أن يشبكها بحيث تكون موجودة دائمًا في نفس الحالة الكمية. يسمح هذا للعلماء بمعالجة أزواج من البتات المتشابكة ، ببساطة تغيير حالة أحدهم ، حتى لو كانت مفصولة جسديًا بمسافة كبيرة ، ومن ثم "العمل الغريب على بعد". نظرًا للطبيعة المتوقعة للتشابك ، فإن إضافة وحدات البت إلى الحد الأسي يزيد من القوة الحاسوبية للكمبيوتر الكمومي.

التدخل هو آخر الخصائص التيتنفيذ خوارزميات الكم. تخيل موجات الدحرجة: في بعض الأحيان تتناسب مع بعضها البعض (تصرف بشكل بناء) ، وأحياناً تروي (مدمرة). يسمح استخدام التداخل للعلماء بالتحكم في الحالات وتضخيم نوع الإشارات المؤدية إلى الإجابة الصحيحة وإلغاء تلك التي تقدم إجابات غير صحيحة.

كيف يتم برمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

الهدف الرئيسي هو ترميزأجزاء من المشكلة إلى حالة كمومية معقدة باستخدام وحدات البت ، ثم قم بمعالجة هذه الحالة للوصول إلى حل يمكن قياسه بعد انهيار التراكبات في تسلسلات حتمية للأصفار (0) وتلك (1).

وليس واضحا؟ إعادة قراءة مرة أخرى.

يبدو الأمر صعباً ، لكن بما أننا فهمنا بالفعل جميع المصطلحات ، فمن الممكن أن نفهمها.

كما هو الحال مع البرمجة الكلاسيكية ،يقوم العلماء بتطوير لغات التجميع منخفضة المستوى التي يفهمها الجهاز بشكل أفضل ، للانتقال منها إلى اللغات عالية المستوى والواجهات الرسومية الأكثر ملاءمة للعقل البشري. على سبيل المثال ، يسمح IBM Qiskit للمجربين بإنشاء مهام وسحب وإسقاط عناصر المنطق.

شيطان decoherence

لماذا لا يتم بيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟في كل زاوية؟ بمعنى ما ، يحاول العلماء بناء آلات مثالية من أجزاء غير كاملة. أجهزة الكمبيوتر الكمومية حساسة للغاية للاضطرابات والضوضاء والتأثيرات البيئية الأخرى التي تتسبب في تأرجح حالتها الكمية وتختفي. ويسمى هذا التأثير decoherence.

بالنسبة لبعض الخبراء ، decoherence هومشكلة كبح الحوسبة الكمومية. حتى مع كل التدابير المتخذة ، يمكن أن تتسرب الضوضاء إلى الحسابات. يمكن للعلماء تخزين المعلومات الكمومية حتى تفقد سلامتها تحت تأثير فك الارتباط ، مما يحد من عدد العمليات الحسابية التي يمكن إجراؤها على التوالي.

الطبيعة الحساسة للحوسبة الكمومية هي أيضاالسبب في أن إضافة الروايات المكفوفة إلى النظام لن تجعله أكثر قوة بالضرورة. يتم التحقيق في التسامح مع الأخطاء بعناية في مجال الحوسبة الكمومية: منطقياً ، يمكن أن تؤدي إضافة وحدات البت إلى تعويض بعض المشكلات ، ولكن لإنشاء رتل وحيد يمكن الاعتماد عليه لنقل البيانات سوف يتطلب ملايين الأخطاء التصحيحية. واليوم ليس لدينا أكثر من 128 منهم ، وربما تساعد الخوارزميات الذكية التي يتم تطويرها أيضًا.

تقليد الكم مع أجهزة الكمبيوتر الكم

نظرًا لأن البيانات الضخمة أصبحت الآن موضوعًا ساخنًا ، يتوقع المرء أن تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بمعالجة مجموعات البيانات الكبيرة بشكل أفضل من المجموعات التقليدية. لكنها ليست كذلك.

بدلاً من ذلك ، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية خاصةجيد في نمذجة الطبيعة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لبناء جزيئات الدواء بشكل أكثر كفاءة ، لأنها تعمل في الغالب على نفس أساس الجزيئات التي تحاول تصميمها. يعد حساب الحالة الكمية للجزيء مهمة صعبة للغاية ، وهو أمر مستحيل تقريبًا لأجهزة الكمبيوتر الخاصة بنا ، ولكن يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية القيام بذلك عن طريق اثارة ضجة.

وبالمثل ، يمكن للحوسبة الكموميةاقلب مجال علم المواد أو نقل المعلومات. نظرًا للتشابك ، يمكن أن تنشئ وحدات البت ، التي تفصلها مسافة كبيرة ، قناة لنقل المعلومات التي تكون أكثر أمانًا من الناحية العلمية عن قنواتنا الحالية. الإنترنت الكم هو ممكن جدا.

ولكن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو: نحن لا نعرف حتى مجموعة كاملة من الأسئلة المدهشة التي يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكم محاولة حلها. مجرد امتلاك كمبيوتر كمومي تجاري والسماح للأشخاص بالعمل معه ، يمكننا تحديد مجالات جديدة مثيرة للاهتمام مناسبة لهذه التكنولوجيا الجديدة المذهلة.

وما هي المشاكل التي ستحاول حلها على جهاز كمبيوتر الكم؟ أخبرنا في محادثتنا في Telegram.