ثورة الكمبيوتر الكمومية القادمة

تخيل جهاز كمبيوتر يعمل بالسرعة التي يعمل بها جسم الإنسان ويخزن جميع بياناته ، مثل البشر ، على خيوط الحمض النووي. هذا ليس خيالًا علميًا - إنه حقيقة علمية إلى حد كبير - حيث أوضح العلماء مؤخرًا كيفية حفظ البيانات في الحمض النووي. في العامين الماضيين فقط ، قطعت رقائق المعالجة الحاسوبية الكمومية خطوات كبيرة في العالم التكنولوجي من خلال معالجات أكبر وأفضل تم بناؤها وفي الاستخدام التجريبي.

توفر ميكانيكا الكم القوانين والأسس الأساسية لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية. هذا هو مجال العلم الذي يصف كيفية تصرف الجسيمات دون الذرية وتفاعلها ، ويتضمن القوانين ، النظريات والمبادئ من فيزياء الكم التي تصف كيف تحدث هذه التفاعلات المحيرة للعقل في مجال الحوسبة.

تشمل هذه النظريات والقوانين تكميم الطاقة ، وحزم الطاقة التي تُعرَّف بالكم ؛ الوجود المتزامن للجسيمات مثل الموجة والجسيمات المعروفة باسم ازدواجية الموجة والجسيم مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، الذي يقول أن القياس ينهار الجسيم دون الذري إلى إحدى حالتين الكامنتين ؛ ومبدأ المطابقة ، الذي طوره الفيزيائي نيلز بور ، الذي افترض أن أي نظرية جديدة يجب أن تنطبق أيضًا الظواهر التقليدية في الفيزياء القديمة أيضًا ، لا تصف فقط سلوك الجسيمات والموجات على المستوى الذري الجديد النظريات.

في الحوسبة القياسية ، تعمل أجهزة الكمبيوتر عن طريق معالجة أجزاء من المعلومات رقميًا بإحدى القيمتين: صفر وواحد ، والتي تمثل إما حالة تشغيل أو إيقاف تشغيل. في حين زادت سرعات الكمبيوتر بشكل كبير منذ الأيام الأولى لأجهزة الكمبيوتر الشخصية في أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينيات ، فإن هذه وحتى لا تزال الحواسيب العملاقة التي يستخدمها الجيش ومختبرات البحث والكليات لها حدود فيما يتعلق بمدى السرعة التي تكمل بها العمليات الحسابية المعقدة المعادلات. تستغرق بعض المعادلات سنوات حتى تعمل الحواسيب الفائقة بسبب طول المدة التي تستغرقها بعض المعادلات الرياضية.

ليس الأمر كذلك مع الكمبيوتر الكمومي ، المبني على فكرة البتات الكمومية ، والمعروفة باسم الكيوبتات ، حيث يمكن أن توجد هذه البيانات في حالات 0 و 1 متعددة في نفس الوقت. كلما زاد عدد الكيوبتات في الكمبيوتر الكمومي ، زادت الحالات المحتملة التي يسمح بها - ويمكن أن تحدث حسابات البيانات بشكل أسرع. بسبب التشابك الكمومي ، ما أسماه أينشتاين "الفعل المخيف عن بعد" ، يمكن للكيوبتات أن تعمل بمسافات كبيرة بينها دون الحاجة إلى أسلاك. وبسبب هذا ، فإن ما يحدث لأحد الجسيمات ، يحدث للآخر في وقت واحد.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بسرعة كبيرة ، ويمكنها كسر معظم طرق التشفير المستخدمة اليوم ، بما في ذلك المعاملات المصرفية وغيرها من طرق الأمن السيبراني. في أيدي الأشخاص ذوي النوايا الخبيثة ، من الممكن أن يتسبب الكمبيوتر الكمومي في الكثير من الضرر ويمكن أن يركع العالم على ركبتيه التكنولوجية.

ولكن في أيدي الأشخاص ذوي النوايا الصحيحة ، ستعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية على تطوير قدرات الذكاء الاصطناعي على عكس أي شيء نشهده حتى الآن. على سبيل المثال ، يمكنك تحميل الجدول الدوري وقوانين ميكانيكا الكم في الكمبيوتر لتصميم خلايا شمسية أكثر كفاءة. يمكن أن تؤدي أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى عمليات تصنيع مُحسَّنة ومثالية ، وتحسين بطاريات السيارات الكهربائية ، وحساب الخوارزميات بسرعة أكبر لحلها الاختناقات المرورية على الطرق السريعة ، واكتشف أفضل طرق الشحن وطرق السفر ، وقم بمعالجة البيانات بشكل أساسي بسرعات هائلة لم يسمع بها حتى في الأسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

لا تقدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية فقط نوعًا أكثر تقدمًا من التكنولوجيا ؛ إنها الأساس لشكل جديد تمامًا من الحوسبة كليًا استنادًا إلى القوانين التي تدعم ميكانيكا الكم. مقارنة بجهاز كمبيوتر قياسي مزود بأساليب الحوسبة الكلاسيكية ، فإن الكمبيوتر الكمومي يجعل الكمبيوتر العادي يشبه دراجة ثلاثية العجلات مقارنة بسيارة السباق فائقة السرعة.

تشمل التطورات في معالجات كيوبت عبر السنين ما يلي:

• 1998 كشفت جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة عن معالج 2 كيوبت.
• 1998 قامت كل من IBM و UC Berkeley و Stanford University و MIT بتطوير معالج 2-qubit.
• 2000 قامت جامعة ميونيخ التقنية بألمانيا بإنشاء معالج 5 كيوبت.
• 2000 كشف مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة عن معالج 7 كيوبت.
• 2006 معهد الحوسبة الكمومية ومعهد بيرميتر للفيزياء النظرية ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قاموا بإنشاء معالج 12 كيوبت.
• 2017 تشارك IBM أخبار معالجها ذو 17 كيوبايت.
• 2017 آي بي إم تكشف عن معالج 50 ك بت.
• 2018 تشارك Google أخبار معالجها 72 كيوبت.

بينما تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بسرعة ، ليس لديها الآن طريقة لتخزين البيانات لأنه بموجب قواعد ميكانيكا الكم الحالية ، لا يمكنك عمل نسخة مكررة أو نسخة أو حفظ البيانات في النظام الكمومي. يبحث المهندسون والعلماء عن طرق متعددة لتخزين البيانات الكمية ؛ حتى أن البعض يفكر في تخزين البيانات على خيوط الحمض النووي.

طور العلماء طريقة في عام 2017 تخزن حوالي 215 مليون غيغابايت من المعلومات في غرام واحد من الحمض النووي. تقوم محركات الأقراص الثابتة التقليدية بتخزين البيانات في بعدين ، بينما يوفر الحمض النووي ثلاثي الأبعاد وتخزينًا أكبر للبيانات. إذا تبين أن طريقة استخدام الحمض النووي قابلة للتطبيق ، فإن كل المعارف العالمية المخزنة على الحمض النووي ستملأ غرفة واحدة أو الجزء الخلفي من شاحنتين عاديتين.

يتدافع الباحثون واللاعبون الكبار في جميع أنحاء العالم لبناء أكبر معالج تالٍ. وضعت شركة IBM الحوسبة الكمومية في السحابة الخاصة بها ، مما جعلها متاحة لمعظم الأشخاص الذين يسجلون للمشاركة في تجاربها.

Microsoft بصدد دمج الحوسبة الكمية في نظامها الأساسي Visual Studio ، ولكن بخلاف الإعلان في سبتمبر 2017 عن خططها لبناء خططها على جسيم ماجورانا فيرميون - جسيم موجود كجسيم مضاد خاص به وتم اكتشافه في عام 2012 - تظل مايكروسوفت صامتة نسبيًا بشأن الحوسبة الكمومية الخطط.

لدى Google خطط للسيطرة على مجال الكمبيوتر الكمومي وتأمل في تحقيق "التفوق الكمي" من خلال بناء شريحة يمكنها التفوق على أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم بحساباتها الكمية.

بغض النظر عن التطورات التي حدثت في الحوسبة الكمومية ، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لن تجعلها في متناول الجمهور في أي وقت قريب. سوف تجد أجهزة الكمبيوتر الكمومية العاملة طريقها إلى المختبرات ومراكز الفكر ومراكز البحث أولاً للمساعدة في حل المعادلات التي قد تستغرق سنوات حتى تعمل أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

على الرغم من أن العديد من الباحثين يتوقعون تسويق أجهزة الكمبيوتر الكمومية خلال الأربعة إلى الخمسة التالية سنوات ، قد تمر بضع سنوات بعد ذلك وأكثر قبل أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي القاعدة بالنسبة لـ عام.