الحواسيب الكمية تنافس على التفوق
الحواسيب الكمية تنافس على التفوق

تقنيّتان مـــن الممكن أن تكونا على وشك أن تتفوّقا على أقوى الحواسيب الرقميّة فـــي غضون عامٍ أو ما يقارب ذلك، ولكن التحدّيات الرئيسيّة تبقى قيد الحلّ – بقلم نيل سافاج فـــي 5 تمّوز 2017م-.

لطالما حلم العلماء بتطوير آلاتٍ تعتمد على القوانين الركنيّة للفيزياء – حواسيب كمّيّة -؛ لتقوم بمهامٍ لا تقوى عليها إمكانيّات الحواسيب العملاقة الحاليّة.

ونظريًّا، آلةٌ كهذه تستطيع خلق نماذج معقّدة للغاية بالنسبة للحواسيب النمطيّة، ممّا يوسّع نطاق ودقّة النّشرات الجوّيّة، وتوقّعات الأسواق الماليّة، بالإضافة إلى بعض الأمور الأخرى، وبإمكان هذه الحواسيب محاكاة العمليّات الفيزيائيّة، مثل: عمليّة التمثيل الضوئي، الأمر الذي يفتح آفاقًا جديدةً فـــي مجال الطاقة الخضراء، ويمكن للحوسبة الكمّيّة أيضًا أن تدفع الذكاء الاصطناعي إلى مستوى متطوّرٍ وأعلى بكثير، وإذا كـــان بإمكان حاسوب واتسون لشركة IBM أن يفوز بلعبة Jeopardy!، ويقوم ببعض التشخيصات الطبّيّة، فتخيّل ماذا يمكن أن تقوم به نسخةٌ أذكى بكثير.

ولتحقيق هذه الرؤى، على العلماء أن يكتشفوا أوّلًا كيفيّة بناء حاسوبٍ كمّي، يقوم بإنجاز عمليّاتٍ أكثر مـــن العمليّات البسيطة، وقد أصبحوا الآن أقرب مـــن أيّ وقـــتٍ مضى، ومع إعلان شركة IBM فـــي شهر أيّار أكثر حاسوبٍ رقميٍ تعقيدًا حتّى يومنا هذا، ومع قول شركة غوغل إنّها تقترب مـــن كشف النقاب عن معالجٍ بقدراتٍ تدعى بـ (التفوّق الكمّي)، لا يستطيع أيّ حاسوبٍ تقليدي مجاراتها.

إن الأنظمة الصغيرة موجودة، ولكن الخطوات التالية فـــي السباق فـــي جعلهم أكبر، هي التي ستحدّد ما إذا كانت الحواسيب الكمّيّة ستتمكن مـــن تحقيق قدراتها، وقد ركّز العلماء، والصناعيّون بشكلٍ كبيرٍ على إحدى المقاربتين، فتمّ تبريد حلقةٍ مـــن الأسلاك لما يقارب الـ (273.15) درجةً مئويّةً، أو الصفر المطلق، مما يجعلها ناقلًا فائقًا، بحيث يتدفّق التيّار نظريًّا بلا مقاومة، وتعتمد المقاربة الأخرى على الأيونات المحصورة – ذرّاتٌ مشحونةٌ مـــن العنصر الأرضي النادر (الايتربيوم) الذي يتمّ وضعه فـــي حجرة خاويةٍ عبر حزم ليزر، والتحكّم به عبر لايزرات أخرى-، وتتصرّف الشحنات المتذبذبة فـــي كلٍّ مـــن الأسلاك والأيونات المحصورة، كبت كمّي، أو ما يسمّى بالـ (كيوبت)، التي يمكن استخدامها لتنفيذ عمليّات الحاسوب.

الوثبات الكمّيّة

تكمن الخدعة فـــي كلتا المقاربتين بتبيّن كيفيّة الانتقال مـــن اللأنظمة التي تمّ توضيحها مسبقًا- التي تحتوي بضع الكيوبات- إلى تلك التي تستطيع أن تعالج المئات، والآلاف مـــن الكيوبات المطلوبة للحمولة الثقيلة التي تعد بها التقنيّة الكمّيّة، وقد صنّعت شركة IBM معالجًا كمّيًا بخمس كيوبات متوفّرٍ للمطوّرين.

كي يقوم الباحثون والمبرمجون ببعض التجارب عبر بوّابته السحابيّة، ولقد حقّقت الشركة تقدّمًا ملحوظًا مذهلًا، وكشفت فـــي شهر أيّار، عن أنّها قد طوّرت حاسوبها الكمّي السحابيّ إلى معالج بـ (16 ) كيوبت، وأنتجت معالجًا بـ (17) كيوبت محكم هندسيًّا بشكلٍ أكبر، ويمكن لـــه أن يصبح أساسًا للنظم التجاريّة، ويعتمد كلا المعالجان على دارات مـــن حلقات أسلاك الناقل الفائق، كمعالج غوغل الذي بـ (20) كيوبت، الذي أعلنت عنه الشركة فـــي مؤتمرٍ، أُقيم فـــي ميونخ فـــي ألمانيا فـــي 22 حزيران، وأخبر (آلان هو)- المهندس فـــي مختبر غوغل للذكاء الإصطناعي الكمّي- الحاضرين فـــي المؤتمر، إنّ شركته تتوقّع تحصيل تفوّقٍ كمّي عبر رقاقة بـ (49) كيوبت فـــي نهاية هذه السنة.

قد لا تبدو هذه الأرقام مثيرةً للاهتمام، ولكن تفوق قوّة الكيوبت قوّة البت الذي يستخدم كأصغر وحدة للبيانات فـــي الكومبيوتر العادي، فتلك البتات تعتمد على تدفّق التيّار الكهربائي، وتشكّل اللغة الرقميّة التي تعمل على أساسها كلّ الحواسيب، فغلق الإشارة تعني (0)، وفتحها يعني (1)، وتضمّ هاتين الحالتين كل عمليّات الحاسوب، غير أنّ الكيوبات لا تعتمد على إشارات كهربائيّة ترمز إلى: (نعم/ لا) – بل على حالة الجزيئة الكمّيّة، كاتّجاه غزل الإلكترون، وفي العالم الكمّي، يمكن للجزيئة أن تتواجد فـــي الوقت نفسه فـــي عدّة حالات أشدّ تعقيدًا مـــن مجرّد ( إِفْتَتَحَ الإشارة/ غلق الإشارة)- وتسمى هذه الظاهرة بالتركيب، ويمكنك الحصول على طرّة (نقشة)، وأيضًا الحصول على أيّ تركيب موزون، ويقول الفيزيائي كريستوفر مونرو فـــي جامعة ماريلاند، كليّة بارك، والمؤسّس لـ (LONQ)، الذي يحاول بدء العمل على بناء حاسوب كمّي بأيونات محصورة: إنه “يمكنك الحصول على 70- 30 طرّة – نقشة”.

يقول الفيزيائي النظري فـــي معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (CalTech)- (جون برسكيل): تسمح قدرة الكيوبات على التواجد فـــي حالاتٍ متعدّدةٍ أكثر مـــن ثنائيّةٍ بالقيام بعدّة عمليّات حسابيّة فـــي الوقت ذاته، ممّا يوسّع ذلك بشكلٍ كبيرٍ قدراتهم الحسابيّة، وتنمو هذه القدرة باطرادٍ مع زيادة عدد الكيوبات؛ لذلك فـــي مرحلةٍ ما، عند (49)، أو (50) كيبت، تصل الحواسيب الكمّيّة إلى قدرةٍ توازي ما يقارب الـ (10) كوادريليون بت، وتصبح قادرةً على إجراء حساباتٍ لا يستطيع أي حاسوب كلاسيكي مجاراتها، ويتابع: “إذا كانت الحواسيب ستقوم بأمور نافعة، سيشكّل هذا سؤال مختلف”.

ويقول (جيري تشاو)، مدير الحوسبة الكمّيّة التجريبيّة فـــي مركز أبحاث ت.ج واتسون فـــي شركة IBM فـــي يوركتاون هايتس فـــي نيويورك: “لدى كلّ مـــن دارات الناقل الفائق، والأيونات المحصورة فرصة جيّدة فـــي الوصول إلى عتبة الـ 50 كيوبت”، وسيوحي التفكير التقليدي أنّه كلّما زادت الكيوبات، زادت القوّة، ويشير تشاو إلى أنّ الأمر لا يتعلّق فقط بعدد الكيوبات، وأنّه مهتمّ بعدد ونوعيّة العمليّات الحسابيّة التي يمكن للآلة إجرائها، وبقياس يطلق عليه اسم: (الحجم الكمّي)، وهذا يتضمّن عوامل إضافيّة، كسرعة الكيوبات فـــي إجراء العمليّات الحسابيّة، ومدى قدرتها على تجنّب أو تصحيح الأخطاء التي قد تنسلّ، وقد تعمل بعض هذه العوامل ضدّ بعضها البعض؛ لذا فإنّ إضافة الكيوبات، قد تزيد نسبة انتقال الأخطاء مـــن كيوبت إلى آخر.

ويقول تشاو: “علينا كوننا مـــن المجتمع أن نركّز – سواء أكنّا نعمل على كيوبات الناقل الفائق، أو على الأيونات المحصورة أو غيره – على دفع هذا الحجم الكمّي أكثر وأكثر؛ لنتمكّن حقيقةً مـــن صنع معالج كمّي أقوى وأقوى، ونقوم بإنجاز أشياء لم نفكّر بإنجازها قطّ.”

أفضل، لا أكبر

أجرى مونرو حديثًا، مقارنة أوضح نظامه الـ (5) كيوبت الذي يعتمد على الأيونات المحصورة، وبين معالج شركة IBM الـ (5) كيوبت، عبر تشغيل الخوارزميّة البسيطة ذاتها على كلّ منهما، ووجد أنّ أداء الاثنين متقارب، ويقول: إنّ الفارق الأكبر، هو أنّ الأيونات المحصورة، متّصلة ببعضها البعض عبر قوى كهرومغناطيسيّة، فذبذب أيّ أيونٍ فـــي سلسلةٍ مـــن (30) أيونًا، وسيتفاعل كلّ واحدٍ مـــن هذه الأيونات، ممّا يجعل انتقال المعلومات بينها بشكلٍ سريعٍ ودقيقٍ، عمليّةً سهلةً، وفي دارة حلقة أسلاك الناقل الفائق، فقط بضع الكيوبات متّصلة، ممّا يبطّئ انتقال المعلومات، ويقود إلى الأخطاء.

إن أحد ميزات دارات النقل الفائق، أنّها سهلة البناء كعمليّة بناء رقاقات الحاسوب، وتقوم بإجراء عمليّات البوّابات المنطقيّة للحاسوب، أي: الجمع، والطرح، أو غير ذلك مـــن التلاعب بالبتات، فـــي غضون جزءٍ مـــن المليار مـــن الثانية، ومن جهة أخرى، تحافظ الكيوبات مـــن هذا النوع على حالتها الكمّيّة لبضع الميلّي ثانية -جزءٌ مـــن ألف مـــن الثانية-؛ لذلك على أيّ عمليّة أن يتمّ إنجازها خلال ذلك الوقت.

وعلى عكس ذلك، تحافظ الأيونات المحصورة على حالاتها الكمّيّة لعدّة ثوانٍ – فـــي بعض الأحيان حتّى لدقائق أو لساعات- وتعمل البوّابات المنطقيّة فـــي هذا النظام أبطأ بما يقارب الـ (1000) مرّة، مـــن الحوسبة الكمّيّة المعتمدة على الناقل الفائق، ولا يشكّل تخفيض السرعة فارقًا فـــي العمليّات البسيطة التي تتطلّب بضع الكيوبات، – كما يقول مونرو-، ويمكن لهذا الأمر أن يصبح مشكلةً، عندما نريد الحصول على جواب بوقت معقول، عندما يزداد عدد الكيوبات، ورفع الأعداد بالنسبة لكيوبات الناقل الفائق، قد يعني المزيد مـــن الكفاح لوصلها ببعضها.

إنّ زيادة عدد الكيوبات، بصرف النظر عن التقنيّة المستخدمة، يصعّب توصيلها ببعضها والتلاعب بها؛ لأنّ هذا يجب أن يحصل عند إبقاء هذه الكيوبات منفصلةً عن باقي العالم؛ كي تحافظ على حالاتها الكمّيّة، وكلّما زادت الذرّات أو الإلكترونات المجموعة سويًّا بأعداد كبيرة، كلّما انطلقت قوانين الفيزياء الكلاسيكيّة، وكلّما قلّت أهمّيّة الخصائص الكمّيّة للذرّات المنفردة بالنسبة لتصرّف المنظومة ككلّ، يقول مونرو: “عندما تجعل مـــن الحاسوب الكمّي كبيرًا، سيصبح أقلّ كمّية.”

ويظنّ تشاو أنّ الحواسيب الكمّيّة ستصبح قويّة؛ لتستطيع أن تقوم بأمرٍ يفوق قدرة الحاسوب الكلاسيكي -لربّما محاكاة فـــي الكيمياء الكمّيّة- فـــي غضون 5 أيّام.

ويقول مونرو: “إنّه لمن المنطقي أن نتوقّع خلال عقدٍ مـــن الزمن أو ما يقاربه، وجود أنظمةٍ تحتوي بضع الآلاف مـــن الكيوبات لحدٍّ ما”، ويضيف: “إنّ الباحثين لن يستطيعوا أن يدركوا ما يمكنهم القيام به بهكذا أنظمة، حتّى يتبيّنوا كيفيّة بنائها”، ويقول برسكيل البالغ مـــن العمر 64 سنة، إنّه يظنّ أنّه سيتمكّن مـــن العيش مطوّلًا؛ ليتمكن مـــن رؤية أنّ الحواسيب الكمّيّة، قد تركت أثرًا على المجتمع بالطريقة نفسها، التي ترك بها الإنترنت والهواتف النقّالة أثرًا – مع أنّه لا يستطيع تحديد أيّ أثرٍ هذا

ويتابع: “هذه الأنظمة الكمّيّة تتكلّم بلغةٍ لا تفهمها الأنظمة الرقميّة، ونحن نعلم على إثر التاريخ أنّنا لانستطيع أن نتخيّل أين ستؤدّي بنا تقنيّات المعلومات الجديدة هذه”.

  • ترجمة: منال جابر
  • تدقيق: رجاء العطاونة
  • تحرير: أحمد عزب

المصدر

المصدر : انا اصدق العلم