كيف تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بإجراء عمليات حسابية بناءً على احتمالية حالة الجسم قبل قياسه مما يعني أن لديها القدرة على معالجة المزيد من البيانات بشكل كبير مقارنة بأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تنفذ أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية عمليات منطقية باستخدام موضع محدد للحالة المادية. أي أن عملياتها تستند إلى واحد من موضعين. تسمى الحالة المفردة «مثل تشغيل أو إيقاف تشغيل، أو أعلى أو أسفل ، أو 1 أو 0» بت Bit.

في الحوسبة الكمومية، تستخدم العمليات بدلًا من ذلك الحالة الكمومية لجسم ما لإنتاج ما يعرف ب«الكيوبت qubit». هذه الحالات هي الخصائص غير المحددة لجسم ما قبل اكتشافها، مثل دوران الإلكترون أو استقطاب الفوتون.

بدلًا من وجود حالة واحدة واضحة في نظام الحوسبة الكلاسيكية، تحدث في نظام الحوسبة الكمومي «التراكب superposition» والذي يمكن للأجسام فيه أن تكون في حالتين في آنٍ واحد، على سبيل المثال، مفتاحٌ في حالة عمل On وإطفاء Off معًا، قطة حية وميتة في نفس الوقت.

تخيل لو أن مُعالج حاسوبٍ قادر على استخدام خاصية التراكب، ولحساب النتيجة لعددٍ كبيرٍ من التبديلات الاعتباطية لمشكلةٍ معقدةٍ في آنٍ واحد. تخيل كيف يمكن لخاصية التراكب أن تُستخدم لتسمح للأنظمة في أرجاء مختلفة من العالم أن تصبح مرتبطةً وأن تجتمع جهودها، على الرغم من الفصل الفيزيائي بينهما.

يمكن أن تتشابك هذه التراكبات مع تلك الخاصة بأشياء أخرى، مما يعني أن نتائجها النهائية ستكون مرتبطة رياضيًا حتى لو لم نكن نعرف ماهيتها بعد.

يمكن توصيل الرياضيات المعقدة وراء الحالات غير المستقرة في خوارزميات خاصة لعمل حل قصير للمشكلات التي قد تستغرق وقتًا طويلًا من الكمبيوتر الكلاسيكي لحلها… إذا كان بإمكانهم حسابها على الإطلاق.

قد تكون هذه الخوارزميات مفيدة في حل المشكلات الرياضية المعقدة، أو إنتاج رموز أمنية يصعب كسرها، أو في توقع تفاعلات متعددة للجسيمات في التفاعلات الكيميائية.

صِنف الحواسيب الكمومية

يتطلب بناء جهاز كمبيوتر كمي وظيفي الاحتفاظ بجسم ما في حالة تراكب لفترة كافية لتنفيذ عمليات مختلفة عليه.

لسوء الحظ، بمجرد أن يلتقي التراكب مع المواد التي تشكل جزءًا من نظام مُقاس، فإنه يفقد حالته البينية فيما يُعرف باسم «فك الترابط decoherence» ويصبح بتًا كلاسيكيًا قديمًا ومملًا.

يجب أن تكون الأجهزة قادرة على حماية الحالات الكمية من فك الترابط، مع الاستمرار في جعلها سهلة القراءة.

تعالج العمليات المختلفة هذا التحدي من زوايا مختلفة، سواء كان ذلك لاستخدام عمليات كمومية أكثر قوة أو لإيجاد طرق أفضل للتحقق من الأخطاء.

تفوق الحوسبة الكمومية

في الوقت الحالي، يمكن للتكنولوجيا الكلاسيكية إدارة أي مهمة تقع على عاتق جهاز كمبيوتر كمي. يصف التفوق الكمي قدرة الكمبيوتر الكمومي على التفوق في الأداء على نظرائهم الكلاسيكيين.

تدعي بعض الشركات، مثل IBM وGoogle، أننا قد نكون قريبين، إذ تستمر في حشر المزيد من الكيوبتات معًا وبناء أجهزة أكثر دقة.

ليس الجميع مقتنعًا بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تستحق العناء. يعتقد بعض علماء الرياضيات أن هناك عقبات من المستحيل عمليًا التغلب عليها، مما يجعل الحوسبة الكمومية بعيدة المنال إلى الأبد.

الوقت سيخبرنا من هو على حق.

مفاهيم:

الكيوبت qubit: هو نظام كمي ثنائي الحالة مثل استقطاب الفوتون: هنا الحالتين هما استقطاب عمودي واستقطاب أفقي. في الأنظمة الكلاسيكية، لا يمكن للبت أن يأخذ إلا حالة واحدة فقط من بين حالتين. في حين تسمح ميكانيكا الكم للكيوبت أن يأخذ حالة تراكب لكلا الحالتين في نفس اللحظة وهذه هي الخاصية الأساسية في الحوسبة الكمومية.