الحواسيب الكمية

ما هي الحوسبة الكمومية ولماذا يعتمد عليها مستقبل الأرض؟

تصل قوة الحوسبة إلى نقطة الأزمة. إذا واصلنا اتباع الاتجاه السائد منذ طرح أجهزة الكمبيوتر ، بحلول عام 2040 ، فلن نمتلك القدرة على تشغيل جميع أجهزة العالم ، ما لم نتمكن من اختراق الحوسبة الكمومية.

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بسرعات أعلى وأمان أقوى من نظيرتها التقليدية ، وقد سعى العلماء جاهدين لإنشاء كمبيوتر كمي لعقود.

ما هو الكم وكيف يساعدنا؟

تختلف الحوسبة الكمومية عن الحوسبة التقليدية في طريقة أساسية واحدة - طريقة تخزين المعلومات. تستفيد الحوسبة الكمومية إلى أقصى حد من خاصية غريبة لميكانيكا الكم تسمى التراكب. وهذا يعني أن "وحدة" واحدة يمكنها الاحتفاظ بمعلومات أكثر بكثير من تلك الموجودة في الحوسبة الكلاسيكية.

يتم تخزين المعلومات في "بت" في الحالة "1" أو "0" ، مثل مفتاح الضوء الذي يتم تشغيله أو إيقاف تشغيله. على النقيض من ذلك ، يمكن أن تتضمن الحوسبة الكمومية وحدة من المعلومات يمكن أن تكون "1" أو "0" أو تراكب للحالتين.

فكر في التراكب على أنه كرة. "1" مكتوب في القطب الشمالي ، و "0" مكتوب في الجنوب - بتان كلاسيكيان. ومع ذلك ، يمكن العثور على بت كمية (أو كيوبت) في أي مكان بين القطبين.

قال الدكتور Kuei-Lin Chiu لـ Alphr في عام 2017: "توفر وحدات البت الكمومية التي يمكن تشغيلها وإيقاف تشغيلها في نفس الوقت نموذجًا ثوريًا وعالي الأداء حيث يتم تخزين المعلومات ومعالجتها بكفاءة أكبر". لسلوك ميكانيكا الكم للمواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تعني القدرة على تخزين قدر أكبر بكثير من المعلومات في وحدة واحدة أن الحوسبة الكمية يمكن أن تكون أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم. فلماذا يصعب تحقيقه؟

صنع الكيوبتات

Qubits ، العمود الفقري للحاسوب الكمومي ، صعبة الصنع ، وبمجرد إنشائها ، يصبح التحكم فيها أكثر صعوبة. يجب على العلماء حثهم على التفاعل بطرق محددة من شأنها أن تعمل في الكمبيوتر الكمومي.

لقد حاول الباحثون استخدام مواد فائقة التوصيل ، وأيونات محفوظة في مصائد أيونية ، وذرات فردية متعادلة ، وجزيئات متفاوتة التعقيد لبناء هذه المواد. ومع ذلك ، فإن جعلهم يحتفظون بالمعلومات الكمومية لفترة طويلة أمر صعب.

في بحث حديث ، ابتكر العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نهجًا جديدًا ، باستخدام مجموعة من الجزيئات البسيطة المكونة من ذرتين فقط ككيوبتات.

قال البروفيسور مارتن زويرلاين ، المؤلف الرئيسي للورقة ، لـ Alphr في عام 2017: "نحن نستخدم جزيئات فائقة البرودة كـ" كيوبتات "." لطالما تم اقتراح الجزيئات كناقل للمعلومات الكمومية ، مع خصائص مفيدة جدًا على الأنظمة الأخرى مثل الذرات والأيونات ، كيوبتات فائقة التوصيل ، إلخ. "هنا ، نوضح لأول مرة ، أنه يمكنك تخزين مثل هذه المعلومات الكمومية لفترات طويلة في غاز من جزيئات فائقة البرودة. بالطبع ، سيتعين على الكمبيوتر الكمومي في نهاية المطاف إجراء حسابات ، على سبيل المثال ، جعل الكيوبت تتفاعل مع بعضها البعض لتحقيق ما يسمى بـ "البوابات". تابع Zwierlein ، "لكن أولاً ، عليك أن تثبت أنه يمكنك حتى التمسك بالمعلومات الكمية ، وهذا ما فعلناه."

احتفظت الكيوبتات التي تم إنشاؤها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالمعلومات الكمومية لفترة أطول من المحاولات السابقة ، ولكن لا تزال لمدة ثانية واحدة فقط. قد يبدو هذا الإطار الزمني قصيرًا ، لكنه "في الواقع يزيد ألف مرة عن تجربة مماثلة تم إجراؤها" ، أوضح زويرلاين.

في الآونة الأخيرة ، حقق باحثون من جامعة نيو ساوث ويلز تقدمًا كبيرًا في الدفع نحو الحوسبة الكمومية. لقد اخترعوا نوعًا جديدًا من الكيوبت يسمى flip-flop qubit ، والذي يستخدم الإلكترون ونواة ذرة الفوسفور. يتم التحكم فيها عن طريق إشارة كهربائية بدلاً من إشارة مغناطيسية ، مما يسهل توزيعها. يعمل الكيوبت "flip-flop" عن طريق سحب الإلكترون بعيدًا عن النواة باستخدام مجال كهربائي ، مما ينتج عنه ثنائي القطب الكهربائي.

ما وراء الكيوبتات

ومع ذلك ، لا يحتاج العلماء إلى اكتشاف الكيوبتات فقط. يحتاجون أيضًا إلى تحديد المواد اللازمة لصنع رقائق الحوسبة الكمومية بنجاح.

وجدت ورقة Chiu ، التي نُشرت في وقت سابق في عام 2017 ، طبقات رقيقة جدًا من المواد التي يمكن أن تشكل الأساس لشريحة الحوسبة الكمومية. قال تشيو لـ Alphr ، "الشيء المثير للاهتمام في هذا البحث هو كيف نختار المادة المناسبة ، ونكتشف خصائصها الفريدة ، ونستخدم ميزتها لبناء كيوبت مناسب."

قال تشيو لـ Alphr: "قانون مور يتنبأ بأن كثافة الترانزستورات على رقائق السيليكون تتضاعف كل 18 شهرًا تقريبًا". "ومع ذلك ، فإن هذه الترانزستورات المتقلصة تدريجيًا ستصل في النهاية إلى نطاق صغير حيث تلعب ميكانيكا الكم دورًا مهمًا."

قانون مور ، الذي أشار إليه تشيو ، هو مصطلح حسابي تم تطويره من قبل المؤسس المشارك لشركة إنتل جوردون مور في عام 1970. وينص على أن قوة المعالجة الإجمالية لأجهزة الكمبيوتر تتضاعف كل عامين تقريبًا. وكما يقول تشيو ، فإن كثافة الرقائق تتناقص — وهي مشكلة يمكن لرقائق الحوسبة الكمومية الإجابة عنها.

هل الحوسبة الكمومية هي البرامج البخارية النهائية؟

ما هو فابووير؟

في حال لم تسمع مطلقًا بمصطلح فابووير ، فهو في الأساس منتج مرتبط بالبرمجيات يتم الإعلان عنه ولكنه غير متاح بعد أو من المحتمل ألا يكون متاحًا أبدًا. مثال على ذلك منتج برمجي تم تسويقه بكثافة ولكنه لم ير النور مطلقًا.

على الرغم من قيام الناس بتنبؤات متفائلة لعقود من الزمن حول تأثير أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، والتطورات المختلفة في بيئات الأعمال والبحث ، ما مدى قربنا من تحقيق حلم الحوسبة الكمومية؟ هل هذا الموقف هو توقع للبرامج البخارية المستقبلية ، أم أنها ستصبح شيئًا مفيدًا؟

نتعمق في حقيقة الحوسبة الكمومية في مقال آخر. باختصار ، من المرجح أن يقوم الكمبيوتر الكمومي بحساب غير واقعي للغاية أسرع من الكمبيوتر التقليدي في العام أو العامين المقبلين. ومع ذلك ، لن تكون عملية مباشرة ، ولن تكون رخيصة أو مفيدة للمستهلكين.