منذ ستينات القرن الماضي، اصبحت الحواسيب أصغر وأقوى في الوقت ذاته. ولكن هذه العملية مقبلة على حدودها الفيزيائية أجزاء الحاسب الآلي تكاد تصبح بحجم الذرة و لذلك ظهرت الحواسيب الكمية وهي حواسيب فائقة السرعة قادرةً على منافسة الحواسيب التقليدية وإجراء وتحليل كافة العمليات المعقدة التي قد تتطلب سنوات في ساعات قليلة.
مكونات الحاسب الآلي العادي
الحاسب الآلي مبني من أجزاء بسيطة جدًا تقوم بأشياء بسيطة جدًا، تمثيل البيانات، إمكانية معالجتها ، وآليات التحكم. شرائح الحاسبات تحتوي على وحدات (basic modules) والتي بدورها تحتوي على بوابات(logic gates) ، وتحتوي تلك البوابات على “مقاحل” المقحل (transistor) هو أبسط أشكال معالجات البيانات في الكمبيوترات، بشكل مختصر هو مفتاح كهربائي. الكهرباء هي إلكترونات تتحرك من مكان لآخر، فالمفتاح هو ممر قادر على منع الإلكترونات من التحرك إلا في اتجاه واحد أي يفتح أو يغلق الطريق على المعلومات المارة. هذه المعلومات مكونة من وحدات تدعى Bits والتي يمكن أن تكون أحد القيميتين صفر أو واحد سلسلة من هذه الوحدات (Bits) تستخدم لتمثيل معلومات أكثر تعقيدًا. المقاحل تعمل سوية لتمثل بوابات منطقية، والتي تقوم بأشياء بسيطة جدًا. مثلًا، مخرجات البوابة المنطقية “وَ” (“AND”) تكون 1 في حالة جميع كانت المدخلات 1 في أي حالة أخرى يكون 0 ، مجموعات البوابات المنطقية تشكل الوحدات النافعة مثلًا لإضافة عددين متى ما استطعت الجمع، ستتمكن من الضرب، ومتى ما تمكنت من الضرب، ستتمكن من فعل أي شيء.
وبما أن الأجزاء أصبحت أصغر وأصغر، الفيزياء الكمية جعلت الأشياء أكثر تعقيدًا. اليوم، الحجم المعتاد لمقحل ما هو 14 نانومتر، أي أقل ب 500 مرة من قطر خلية دم حمراء. بينما تصغر المقاحل لتصبح بحجم عدد قليل من الذرات، قد تقوم الإلكترونات بتحريك نفسها إلى الجزء المغلق من الممر عن طريق عملية تدعى “النفق الكمي”. في العالم الكمي، الفيزياء تعمل بشكل مختلف تمامًا عن الشكل القابل للتوقع الذي اعتدنا عليه فلذلك الكمبيوترات التقليدية لا تصبح منطقية هنا.
ماهي الحواسيب الكمية
في الكمبيوترات العادية، ال Bits هي أصغر الوحدات لتمثيل المعلومات. الكمبيوترات الكمية تستخدم الـ Qubits والتي يمكن أن تحمل واحدة من قيمتين ال Qubit يمكن أن يكون أي نظام كمي ثنائي المستوى. الصفر والواحد هما الحالتين الممكنة لهذا النظام، كالاستقطاب العمودي أو الأفقي للفوتون. في العالم الكمي، لا يجب على ال Qubit أن يكون في حالة واحدة فقط من هاتين الحالتين: بل يمكن أي يكون في كلا الحالتين بنسب متفاوتة. ويسمى هذا المفهوم بـ “مبدأ التراكب” ولكن متى ما قمت بالتحقق من القيمة، مثلًا عن طريق إرسال الفوتون من خلال فلتر، فيجب عليه أن يقرر ما إذا كان استقطابه عموديًا أو أفقيًا. إذن، وطالما أنه لم يتم التحقق منه، فإن ال Qubit سيكون خاضعًا لمبدأ التراكب فيما يتعلق بالصفر والواحد فلا يمكن التنبؤ بما ستكون الحالة عليه. ولكن متى ما قمت بالتحقق منه، فسيتحول تلقائيًا لإحدى الحالات. أربعة Bits تقليدية يمكن أن تكون في واحدة من 2 قوة 4 تراتيب مختلفة في أي وقت معطى أي 16 ترتيب محتمل يمكنك أن تختار واحد منها فقط. ولكن، أربعة Qubits في مبدأ التراكب، قادرة على أن تكون في جميع الترايب ال 16 في نفس الوقت ويتزايد الرقم بشكل تضاعفي مع كل Qubit إضافي. كما أن هناك خاصية غريبة وغير بديهية لل Qubits هي “التشابك”، وهي رابط قوي يجعل كل Qubit يتفاعل مع التغير في حالة ال Qubit الآخر بشكل لحظي، مهما بلغت المسافة بينهما. ذلك يعني أنه بالتحقق من حالة Qubit متشابك واحد، يمكن حساب خصائص ال Qubit المتشابكة معه بشكل مباشر دون الحاجة للتحقق منها. البوابة المنطقية العادية، تستقبل مجموعة بسيطة من المدخلات وتُنتج مُخرجًا محددًا واحدًا. البوابات الكمية، تستقبل مدخلات متراكبة، ثم تقوم بتدوير الاحتمالات، وتنتج مخرج متراكب. إذن، الكمبيوتر الكمي يقوم بإنشاء Qubits، ثم يقوم بتمريرها عبر البوابات الكمية لتتشابك وللحصول على الاحتمالات، ليقوم أخيرًا بالتحقق من المخرج، معيدًا المتراكبات إلى سلسلة من الأصفار والواحدات. وذلك يعني أنك تحصل على جميع الحسابات الممكنة بناء على مدخلاتك دفعة واحدة بنفس الوقت.
متى سنرى حواسيب كميَّة فعَّالة تعمل على حل مشكلات واقعية؟
تتسابق العديد من الشركات والمؤسسات إما لبناء حواسيبها الكميّة، أو لتقديم الخدمات والبرمجيات المتعلقة بمجالات الحوسبة الكمية نظرًا لكونه مجالًا واعدًا يحمل الكثير من الفرص في المستقبل القريب. أيضًا تسعى العديد من الشركات الناشئة إلى المنافسة في هذا المجال من خلال ابتكار تقنيات وبرمجيات تُسهم في زيادة سرعة الحوسبة الكمية وكفاءتها. هذه أبرز الشركات التي تسهم في سوق الحوسبة الكمية: D-Wave , Google , intel , IBM .
ورغم المحاولات الجادة في هذا المجال إلا أنه لا تزال هناك العديد من التحديات أمام تصنيع حاسوب كمي متكامل ذي قدرة فائقة، إلا أن الخطوات التي نشهدها يومًا بعد يوم تُنبئ بأنه خلال السنوات القليلة القادمة، ربما سيشهد العالم ثورة معلوماتية تكون تذكرتنا نحو المستقبل .
المصدر :
sciencedaily.com
scientificamerican.com
ترجمة و تحرير : سهيل سعيدان
مراجعة و تعديل: سهى غابري
