القائمة الرئيسية

الصفحات

ما هو الكمبيوتر الكمي وكيف يعمل

إذا طلب منك أحدهم رسم جهاز كمبيوتر كمي ، فما الذي ستراه في ذهنك؟ ربما ترى جهاز كمبيوتر عاديًا - أكبر فقط ، مع وجود سحر فيزيائي غامض يحدث في الداخل. 
هل كنت سوف تتخيل انه يشبه النجفة ؟

 ننسى أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر المكتبية واللاب توب. 
انسَ خوادم الكمبيوتر فائقة السرعة .سنتطرق في هذا المقال الي ما هو الكمبيوتر الكمي او تعريف الكمبيوتر الكمومي والحوسبة الكمومية .

 يختلف الكمبيوتر الكمي اختلافًا جوهريًا في كل شئ ، والأهم من ذلك ، في الطريقة التي يعالج بها المعلومات.

كيف يعمل الكمبيوتر الكمي 


وصف الكمبيوتر الكمي Quantum computer 

الكمبيوتر الكمي هو نوع جديد من الحوسبة تعتمد على علم الفيزياء الكمية فهو تقنية مختلفة من اجهزة الكمبيوتر تختلف  تماماً عن اجهزة الكمبيوتر التقليدية  ستحدث ثوره كبيره في العديد من مجالات الحياة.

يوجد حاليًا عدة طرق لبناء كمبيوتر كمي quantum computer . لكن دعنا نبدأ بوصف أحد التصميمات الرائدة للمساعدة في شرح كيفية عمله.

تخيل شكل النجفة العملاقة التي تراها معلقة في المساجد ، لكنها تحتوي على أكثر المصابيح الكهربائية التي قد تكون رأيتها على الإطلاق تعقيدًا . بدلاً من لف مجموعة واحدة من الأسلاك ، قام بتنظيم أسراب فضية مضفرة بدقة حول قلب. وهي مرتبة في طبقات تضيق كلما تحركت لأسفل. تفصل الصفائح الذهبية الهيكل إلى أقسام.

يسمى الجزء الخارجي من هذا الوعاء بالثريا. إنها ثلاجة فائقة الشحن تستخدم مزيجًا خاصًا من الهيليوم السائل لتبريد الرقاقة الكمومية للكمبيوتر إلى ما يقرب من الصفر المطلق. هذه هي أبرد درجة حرارة ممكنة من الناحية النظرية.


الكمبيوتر الكمي  الذي صممته IBM

في مثل هذه درجات الحرارة المنخفضة ، تكتسب الدوائر الصغيرة فائقة التوصيل في الرقاقة خصائصها الكمومية. وهذه الخصائص ، كما سنرى ، يمكن تسخيرها لأداء مهام حسابية قد تكون مستحيلة عمليًا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي.

ما هي الحوسبة الكمية 

لقد سمعت مؤخرًا الكثير عن الحوسبة الكمومية. هناك قصص إخبارية حول كيفية "تغيير العالم" و "فتح أبعاد جديدة". تقوم الجامعات بتضخيم نماذجها الأولية من الرقائق الدقيقة ، وعروض لأفكار ميكانيكا الكم في السيليكون ، وغيرها من الأجهزة والنظريات. 
لن نتطرق في هذا المقال إلى شرح ميكانيكا الكم والتفاصيل الدقيقة والمعقدة ولمزيد من المعلومات  حول ميكانيكا الكم يمكنكم زيارة هذا الرابط  

الفرق بين الكمبيوتر التقليدي والكمبيوتر الكمي 

تعمل معالجات الكمبيوتر التقليدية في نظام ثنائي - فمليارات الترانزستورات التي تتعامل مع المعلومات الموجودة على الكمبيوتر المحمول أو الهاتف الذكي  بالنظام الثنائي اما تعمل ON(1) أو معطلة OFF (0). باستخدام سلسلة من الدوائر ، تسمى "البوابات" ، تقوم أجهزة الكمبيوتر بإجراء عمليات منطقية بناءً على حالة تلك المفاتيح.


تم تصميم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لتتبع قواعد محددة غير مرنة. هذا يجعلها موثوقة للغاية ، ولكنها أيضًا تجعلها غير مناسبة لحل أنواع معينة من المشاكل - على وجه الخصوص  , المشكلات التي تكون مثل من يحاول فيها العثور على إبرة في كومة قش.

هذا هو المكان الذي تتألق فيه أجهزة الكمبيوتر الكمية.

إذا كنت تفكر في كمبيوتر يحل مشكلة ما مثل الفأر الذي يمر عبر متاهة ، فإن الكمبيوتر الكلاسيكي يجد طريقه من خلال تجربة كل مسار حتى يصل إلى النهاية وذلك عن طريق التجربة والخطأ لكل مسار على حده حتى يصل للمسار الصحيح.

ماذا لو ، بدلاً من حل المتاهة من خلال التجربة والخطأ ، يمكنك التفكير في جميع المسارات الممكنة في وقت واحد؟هذا ما يقوم به الكمبيوتر الكمي , يتم معالجة جميع الاحتمالات في وقت واحد وبسرعة فائقة .

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمية بذلك عن طريق استبدال الطريقة  الثنائية للحوسبة الكلاسيكية في الكمبيوتر التقليدي بشيء يسمى "الكيوبتات". تعمل Qubits وفقًا للقوانين الغامضة لميكانيكا الكم: النظرية القائلة بأن الفيزياء تعمل بشكل مختلف على المستوى الذري ودون الذري.

كيف يعمل الكمبيوتر الكمي 


"أجهزة الكمبيوتر الكمية غيرت جميع قواعد اجهزة الكمبيوتر المتعارف عليها 
على الرغم مما سمعته ولكن حتي الان يمكن القول إن الكمبيوتر الكمي مازال بدائي أو في مرحلة البدايات، حيث أنه في الوقت الحالي الحوسبة الكمية هي إلى حد ما  تعتبر مثل العصر الذي كانت فيه الحوسبة الكلاسيكية في الخمسينيات ، عندما كانت الهياكل بحجم الغرفة تعمل على أنابيب مفرغة.
 لكنها مع التطور والأبحاث والتجارب التي لا تتوقف يمكن أن تحدث ثورة في في مجال الكمبيوتر والحوسبة في المستقبل. 

اذن لتبسيط فكرة كيف يعمل الكمبيوتر الكمي أو الكمومي سنوضح ذلك في هذه المقارنة السريعة , أولا في الكمبيوتر المكتبي او التقليدي يتم التعامل مع البيانات وتخزينها ومعالجتها بالنظام الثنائي حيث يتم استخدام وحدة bit  اي ان جميع البيانات  تكون مجموعة bits وكل bit تحتوي على  رقم واحد  او رقم صفر وبذلك فان الصور والفيديوهات والملفات الموجودة امامنا ونتعامل معها على الكمبيوتر هي عبارة عن رقمين واحد او صفر .

اما في الكمبيوتر الكمي فلا يتم استخدام وحدة bit ولكن وحدة أخرى تسمى Qubits أو الكوانتم بيت (هذا الاسم والفكرة تم أخذها من نظريات ميكانيكا الكم ) حيث تتكون من جسيمات دون ذرية من الفوتونات والاكترونات وبذلك تتم معالجة البيانات  في نفس الوقت أو على التوازي فتكون المعادلات المعقدة والخورزميات التي قد يستغرق حلها عشرات السنوات في الكمبيوتر التقليدي يتم حلها في دقائق في الكمبيوتر الكمي .

قبل أن تتعلم ماهية الكمبيوتر الكمي وكيف يعمل الكمبيوتر الكمي ولماذا هو مهم ، دعنا نحلل النظرية الرياضية لميكانيكا الكم. قد يبدو الأمر مقصورًا على فئة معينة ، لكن قواعد ميكانيكا الكم تحكم طبيعة الجسيمات التي يتألف منها عالمنا ، بما في ذلك الأجهزة الإلكترونية والأدوات الخاصة بك.
عندما يكون الشيء واحد شيئين في نفس الوقت. 
في عالمنا ، تعودنا على أن يكون الشيء شيئًا واحدًا. العملة المعدنية ، على سبيل المثال ، يمكن أن تكون صورة، أو يمكن أن تكون كتابة. لكن في ميكانيكا الكم الأمر يختلف . 
إذا اتبعت العملة قواعد ميكانيكا الكم ، فإن العملة عند القاءها ستتقلب في الهواء. حتى تهبط وننظر إليها ، لا نعرف ما إذا كانت صورة أم كتابة. على نحو فعال ، فهي عبارة عن صور وكتابات في نفس الوقت. 
تسمي تلك العملية بالتراكب بحيث يتم تخزين الصفر والواحد  في الكيوبت في نفس الوقت .

فنحن نعرف شيئًا واحدًا عن هذه العملة. هناك احتمال أن تكون العملة المتحركة إما صورة أو كتابة. - على سبيل المثال - احتمال 50٪ صورة و 50٪ كتابة. من الناحية العلمية ،اما في ميكانيكا الكم فهي صورة وكتابة ايضاً فأذا حاولت ان تلعب لعبة العملة المعدنية مع كمبيوتر كمي فأنت خاسر لا محالة لان احتمال ان تكون العملة التي تقوم بإلقاءها صوره بنسبة 100% وكتابة ايضاً بنسبة 100% وبالتالي سوف تجد بعد كشف العمله ان اجابته النهائية صحيحة بنسبة 100% حتى لو حاولت الاف المرات .

الجزء الأكثر إثارة للدهشة في ميكانيكا الكم هو أنه لسبب ما ، تبدو الجسيمات مثل الإلكترونات وكأنها موجات ، وموجات الضوء مثل الجسيمات. الجسيمات لها طول موجي. التجربة الأساسية التي توضح هذه الحقيقة هي تجربة الشق المزدوج:

إذا وضعت زوجًا من الشقوق المتوازية في فاصل بين حزمة من الجسيمات والجدار ، ووضعت مصدر ضوئي على الحائط لترى ما سيحدث ، يظهر نمط غريب من الخطوط. يطلق عليه نمط التداخل.

يمكن أن تبدو هذه المعادلات معقدة نوعًا ما ، لن نتطرق لتفاصيل ميكانيكا الكم في هذا المقال كما وضحنا .

المشكلات التي تواجه الكمبيوتر الكمي 

حتى الآن ، لا يزال الخبراء يحاولون جعل أجهزة الكمبيوتر الكمية تعمل بشكل جيد ولكن هناك العديد من المعوقات .

  • لا يزال الوصول لكمبيوتر كمي يؤدي الغرض المطلوب يمثل تحديًا كبيرًا ، ويرجع ذلك في الغالب إلى أن الحالات الكمية هشة. فالاجهزة الموجودة الان ليست متقدمة حيث ان بعض الخوارزميات تحتاج لحلها إلى مليون كيوبت ولكن مثلا الكمبيوتر الكمي الذي صنعته شركة IBM يحتوى فقط على 65 كيوبت , أما الكمبيوتر الكمي الذي صنعته google يحتوى على 53 كيوبت فقط .
 
  • من الصعب إيقاف الكيوبتات تمامًا عن التفاعل مع بيئتها الخارجية ، حتى مع الليزر الدقيق في الغرف فائقة التبريد أو الفراغ.

  • أي ضوضاء في النظام تؤدي إلى حالة تسمى "فك الترابط" ، حيث ينهار التراكب ويفقد الكمبيوتر المعلومات.

  • يعتبر وجود قدر ضئيل من الخطأ أمرًا طبيعيًا في الحوسبة الكمية ، لأننا نتعامل مع الاحتمالات بدلاً من القواعد الصارمة للنظام الثنائي في الكمبيوتر التقليدي . لكن غالبًا ما يؤدي فك الترابط إلى الكثير من الضوضاء التي تحجب النتيجة.

  • عندما ينتقل أحد الكيوبتات إلى حالة فك الترابط ، فإن التشابك الذي يمكّن النظام بأكمله من الانهيار.

  • جوجل تتجه لتقديم اقوى كمبيوتر كمي علي وجه الارض بحلول 2029 وتقول google ان هذا العملاق سيكون قادرفقط في ثلاث دقائق على اجراء عملية حسابية كانت قد تستغرق على اقوى كمبيوتر تقليدي عشرة الاف عام او اكثر 
. عارضت شركة IBM هذا الادعاء.

الخلاصة 

في النهاية وبعد أن عرفنا كيف يعمل الكمبيوتر الكمي فأنه على الأقل في الوقت الحالي ، تعد أجهزة الكمبيوتر الكمية بعيدة المنال. ولكن مع استثمارات بمليارات الدولارات من الحكومات وأكبر الشركات في العالم ، فإن السباق على قدرات الحوسبة الكمية يجري على قدم وساق. السؤال الحقيقي هو: كيف ستغير الحوسبة الكمومية ما يعنيه "الكمبيوتر" بالنسبة لنا. وكيف سيغيرعالمنا ؟