أخبار التكنولوجيا

الاحصاء الكمية



الحوسبة الكمومية هي ثورة تكنولوجية معقدة وغامضة إلى حد ما، والتي تعد بتغيير جذري في طريقة معالجة المعلومات. على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية، التي تعتمد على المنطق الرقمي ثنائي الحالة الذي يتم تشغيله بواسطة البتات (والتي يمكن أن تكون إما 0 أو 1)، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية خصائص ميكانيكا الكم مثل التراكب والتشابك لإجراء العمليات الحسابية بالتوازي بسرعات لا يمكن تصورها.

مقدمة

واليوم، لا يمكن حل بعض المشاكل إلا في الأوقات العصيبة حتى باستخدام أقوى أجهزة الكمبيوتر، على سبيل المثال، نمذجة نماذج المناخ أو تحليل عدد كبير من الأعداد الأولية. العدد النسبي للمتغيرات كبير جدًا، وقد تستغرق الأنظمة التقليدية مليارات السنين للعثور على الحلول ذات الصلة.

تعد المعالجة الكمومية بإحداث ثورة في قطاعات مثل الرياضيات والطب والطاقة والتمويل وغيرها الكثير بفضل سرعات المعالجة الهائلة، والتي تجعل من الممكن تحديد حلول معقدة للغاية تعتبر مستحيلة حاليًا. تستخدم الحوسبة الكمومية أجهزة وخوارزميات خاصة تستخدم ميكانيكا الكم لحل المشكلات المعقدة، كما ذكرنا أعلاه.

تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية تمامًا عن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والتقليدية، كما أن تشغيلها أمر بالغ الأهمية. بالنسبة لأنواع معينة من المشكلات، لا تكفي حتى أجهزة الكمبيوتر العملاقة، وعلى الرغم من قدرتها على حل مليارات العمليات في الثانية بفضل استخدام الآلاف من وحدات المعالجة المركزية ووحدات معالجة الرسومات، إلا أنها غير قادرة على حل العمليات الحسابية الكبيرة في أوقات يمكن الوصول إليها “بشريًا”. تتميز المشكلات المعقدة بوجود عدة متغيرات تتفاعل مع بعضها البعض بمعايير متنوعة، وفي بعض الأحيان، لا يمكن التنبؤ بها. فيما يلي بعض الأمثلة التي يمكن حلها ببساطة نسبية عن طريق الحوسبة الكمومية:

  • تحليل الأعداد الكبيرة وشبه الأولية لأغراض التشفير. باستخدام الكمبيوتر الكمي، يمكن التشكيك في فعالية أنظمة RSA، ولكن بالتوازي، يمكن العثور على منهجيات جديدة وأكثر أمانًا لحماية البيانات.
  • محاكاة الأنظمة المعقدة: يمكن أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على محاكاة الأنظمة المعقدة بدقة كبيرة، مثل تفاعل الجزيئات لاكتشاف أدوية جديدة أو مواد جديدة لأي قطاع
  • البحث عن نماذج رياضية ذات عدد كبير من المتغيرات التابعة والمستقلة. والمثال الكلاسيكي هو معالجة أحداث الأرصاد الجوية، وهو مجال يتطور باستمرار بفضل تحسين النماذج الرياضية المتعلقة بالمناخ في جميع أنحاء العالم.
  • تحسين مشكلة التوجيه، والتي تتمثل في العثور على أفضل طريق (أقصر أو أسرع أو أرخص) لنقل البضائع أو الأشخاص بين أماكن مختلفة، مع الأخذ في الاعتبار وجود قيود مثل المسافات وأوقات السفر وحركة المرور والتكاليف والمزيد
  • إن إدارة الموارد ونوبات العمل في الشركات الكبيرة تنطوي على آلاف الشروط والقيود التي يصعب حلها بالطرق القياسية
  • إدارة العمليات المالية، والتي تتطلب تحليلات متعمقة للغاية وطويلة الأجل لتحسين المحافظ الاستثمارية وتطوير استراتيجيات تداول جديدة.
  • البحث باستخدام الخوارزميات الكمومية، التي ساهمت بشكل كبير في تسريع الحلول المتعلقة بالبيانات غير المنظمة، وإجراء التحليلات في خطوات أقل من أي خوارزمية كلاسيكية أخرى
  • توصيف المشكلات الفيزيائية مثل تلك المرتبطة بالبندول المزدوج والتي لا توجد لها حلول مرضية حاليًا حيث يتميز النظام بالحركة الفوضوية، أي أن تطوره حساس للغاية للظروف الأولية
  • إدارة خوارزميات التعلم الآلي الأسرع والأكثر كفاءة والقادرة على التعامل مع كميات كبيرة من البيانات وحل المشكلات المعقدة المتعلقة بالذكاء الاصطناعي.

تستغل أجهزة الكمبيوتر الكمومية سلوك فيزياء الكم وخاصة الظواهر مثل التراكب والتشابك والتداخل الكمي وتطبقها على العمليات الحسابية. يختلف أسلوب الحساب مقارنة بأجهزة الكمبيوتر التقليدية اختلافًا كبيرًا. يبدو الأمر كما لو أنه يمكن تشغيل وإيقاف مفتاح الضوء في نفس الوقت، بدلاً من افتراض حالتين مختلفتين.

القوة الغاشمة، طريقة مونت كارلو، والحوسبة الكمومية

إحدى طرق تحديد نتائج المشكلات المعقدة المكونة من العديد من المتغيرات هي طريقة القوة الغاشمة (انظر الشكل 1). يتم استخدام هذا الأسلوب في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ويتكون من تجربة جميع الحلول الممكنة لمشكلة ما بشكل منهجي حتى يتم العثور على الحل الصحيح. يمكن للكمبيوتر العملاق التقليدي أن يحاول حل المشكلات المعقدة للغاية باستخدام القوة الغاشمة، وذلك باستخدام جميع معالجاته لفحص وتحليل كل مجموعة على حدة، ولكن تحقيق النتيجة سيتطلب قدرًا لا يمكن تصوره من الوقت والذاكرة العاملة.

هناك استراتيجية أخرى قابلة للتطبيق وهي طريقة مونت كارلو، وهي تقنية حسابية تستخدم أخذ العينات العشوائية للحصول على حلول عددية للمشكلات الرياضية والإحصائية. يتيح تنفيذه للمستخدمين محاكاة عدد كبير من السيناريوهات المحتملة لتقدير النتيجة الاحتمالية. هذه الأساليب، خاصة فيما يتعلق بالمشكلات الأكثر تعقيدًا، يمكن أن تكون بطيئة وغير فعالة، خاصة بالنسبة لتلك التي تتطلب مساحات واسعة من الحلول. في المقابل، تستغل الحوسبة الكمومية مبدأ التراكب، مما يخلق مساحات حسابية متعددة الأبعاد، مما يسمح للبتات الكمومية بتمثيل الحالات اللانهائية في نفس الوقت. وهذا يسمح باستكشاف عدد أكبر بشكل كبير من الحلول بالتوازي، مما يؤدي إلى تسريع عملية البحث عن الحل الأمثل بشكل كبير.

الشكل 1: خوارزمية القوة الغاشمة ومونت كارلو.
الشكل 1: خوارزمية القوة الغاشمة ومونت كارلو

الكيوبتات والتراكب والبوابات الكمومية

في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية يتم تحويل كافة المعلومات إلى سلسلة من البتات (0 و 1)؛ ومع ذلك، في أجهزة الكمبيوتر الكمومية هناك كيوبتات. الكيوبت هي وحدة أساسية للمعلومات في الحوسبة الكمومية. تلعب الكيوبتات دورًا مشابهًا للبتات في الحوسبة الكلاسيكية، لكنها تتصرف بشكل مختلف تمامًا. البتات الكلاسيكية ثنائية ويمكن أن تحتوي فقط على الحالات 0 أو 1، في حين يمكن للبتات الكمومية أن تأخذ تراكبًا لجميع الحالات الممكنة. بمعنى آخر، يمكن أن تكون في الحالة 0، أو الحالة 1، أو حالة وسيطة أخرى تسمى “التراكب”، حيث يكون الكيوبت 0 و1 في نفس الوقت بنسب مختلفة. عند قراءة الكيوبت، فإنه ينهار من حالته الكمومية ويعود بـ 0 أو 1.

من الناحية الجوهرية، لفهم كيفية عمل الكيوبت، يمكن للمرء أن يفكر في صندوق مغلق يحتوي على كائن، والذي يمكن أن يأخذ في البداية اللون الأحمر أو اللون الأصفر (انظر المثال في الشكل 2). أثناء إغلاق الصندوق، يمكن للكائن استخدام بعض الخصائص الكمومية لتغيير لونه إلى اللون البرتقالي، وهو مزيج وسيط بين اللون الأحمر والأصفر. وتسمى هذه الحالة “التراكب”. عندما يتم فتح الصندوق، يتوقع المرء العثور على الكائن البرتقالي، ولكن لسوء الحظ، فإنه يعيد أحد الألوان الأصلية، أي الأحمر أو الأصفر. ستكون هذه مشكلة كبيرة، ولكن هناك بعض “البوابات الكمومية” التي يمكن استخدامها أثناء حالة التراكب والتي تسمح بقراءة حالة الأشياء أو تعديلها دون تدميرها. فيما يلي بعض أهم خصائص الكيوبت:

  • التراكب: بهذه الخاصية، تكون الجسيمات الكمومية نتيجة لدمج جميع الحالات الممكنة. وتبقى سليمة حتى يتم ملاحظتها وقياسها
  • التشابك: تشكل الكيوبتات نظامًا واحدًا وتؤثر على بعضها البعض. من خلال إجراء الملاحظات على كيوبت واحد، من الممكن حساب ظروف الكيوبتات الأخرى.

يحتوي الكيوبت على حالات محتملة لا حصر لها. يمكن أن يأخذ أي تداخل محتمل بين الآحاد والأصفار بأي نسبة مئوية كاحتمال أن يؤدي إلى 1 أو 0 عند قياسه. ومع ذلك، عند قياسه، يمكن أن يعطي الكيوبت النتيجة 1 أو صفر، مثل البت الكلاسيكي. يمكن ملاحظة قوة البتات الكمومية قبل قياسها، أي خلال مرحلة التراكب، والتي يمكن أن تحدث فيها مجموعات حالات لا حصر لها.

يمكن دمج عدة كيوبتات باستخدام البوابات المنطقية الكمومية (X، Y، H، إلخ). عند قياس القيم النهائية للكيوبتات، يتم الحصول على قيم الاحتمالية، ولهذا السبب، من المناسب دائمًا تكرار نفس الخوارزمية عدة مرات للحصول على نتيجة أكثر موثوقية، على الرغم من أن وقت المعالجة أقصر من الخوارزمية الكلاسيكية.

الشكل 2: مقارنة مبسطة بين البتات والكيوبتات.
الشكل 2: مقارنة مبسطة بين البتات والكيوبتات

مثال على خوارزمية الكم

تسمح العديد من محاكيات الخوارزمية الكمومية المتوفرة على الويب للمستخدمين بتجربة وفهم كيفية عمل هذه التقنية. تم تصميم بعض هذه المحاكيات لتكون بسيطة وبديهية، ومثالية لأولئك الذين يتخذون خطواتهم الأولى في هذا المجال، بينما يقدم البعض الآخر ميزات متقدمة ويستهدف المستخدمين الأكثر خبرة.

على أية حال، ما يجب أن يفهمه المستخدمون جيدًا هو المفهوم الدقيق للخوارزمية الكمومية، والذي يختلف بشكل كبير عن النظرية التقليدية. توفر هذه الأدوات واسع النطاق: العديد منها مجاني ومفتوح المصدر بينما البعض الآخر مدفوع الأجر ويقدم ميزات إضافية أو دعمًا أكثر شمولاً. يتم تقديم واحد منهم من قبل شركة IBM. المثال بسيط للغاية ويتعلق بتبادل قيمة اثنين من الكيوبتات.

يوضح الشكل 3 شاشة جهاز محاكاة IBM Quantum Composer، وهي بيئة رسومية ونصية في نفس الوقت. في البداية، الكيوبتتان q[0] و ف[1] تم ضبطها على القيمة 0. ثم qubit q[0] تم قلبه وتعيينه على 1. تتبع ثلاثة أوامر “cx”، والتي تمثل بوابة منطقية كمومية CNOT (لا يتم التحكم فيها). أنه يحتوي على معلمتين، عادة اثنين من الكيوبتات. تتحكم قيمة qbit0 في قيمة qbit1. إذا كانت قيمة qbit0 تساوي 0، فإن المشغل يترك qubit1 دون تغيير، ولكن إذا كانت qbit0 تساوي 1، يقوم المشغل بعكس قيمة qubit1.

هذا المنطق صالح للحالات الأساسية 0 أو 1 وليس للحالات المتراكبة، والتي تكون معالجتها أكثر تعقيدًا. قائمة مصدر المحاكاة مكتوبة بلغة OPENQASM 2.0 وهي مقترحة أدناه:

أوبنقاسم 2.0؛
تشمل “qelib1.inc”؛
قرج ف[2];
كريج ج[2];
إعادة تعيين س[0];
إعادة تعيين س[1];
xq[0];
س س س[0]، س[1];
س س س[1]، س[0]؛ س س ف[0]، س[1];

باختصار، إليك وصف الأوامر الفردية:

  • OPENQASM 2.0: الإعلان عن نسخة لغة OpenQASM المستخدمة
  • تضمين “qelib1.inc”: يتضمن هذا السطر ملف مكتبة قياسي (qelib1.inc) يحتوي على تعريفات للعمليات الكمية
  • قرج ف[2]: يشير هذا الخط إلى سجل كمي يسمى “q” يحتوي على اثنين من الكيوبتات، q[0] و ف[1]
  • كريج ج[2]: يشير هذا الخط إلى سجل كلاسيكي يسمى “c” يحتوي على بتتين كلاسيكيتين c[0] و ج[1]. تُستخدم السجلات الكلاسيكية لتخزين نتائج قياسات الكيوبت
  • إعادة تعيين س[0] وإعادة تعيين س[1]: تقوم هذه الأسطر بإعادة تعيين كلا البتتين الكميتين إلى الحالة |0>
  • xq[0]: يطبق هذا الخط البوابة X (الكمية NOT) على الكيوبت الأول q[0]. تعكس البوابة X حالة الكيوبت، لذا إذا كان الكيوبت في |0>، فسيتم تعيينه على |1>
  • س س س[0]، س[1]: كما هو مذكور أعلاه، يطبق هذا الخط بوابة CNOT (التحكم-NOT) مع q[0] مثل qubit التحكم و q[1] باعتباره الكيوبت المستهدف. بوابة CNOT تقلب حالة q[1] فقط إذا س[0] موجود في الحالة |1>
  • س س س[1]، س[0]: يطبق هذا الخط بوابة CNOT أخرى، ولكن هذه المرة مع q[1] كتحكم و ف[0] كهدف
  • س س س[0]، س[1]: أخيرًا، تم تطبيق بوابة CNOT ثالثة، والعودة إلى التكوين الأصلي باستخدام q[0] كتحكم.
الشكل 3: مثال كمي يتضمن تبادل القيمة بين اثنين من الكيوبتات.
الشكل 3: مثال كمي يتضمن تبادل القيمة بين اثنين من الكيوبتات

خاتمة

الحوسبة الكمومية هي ثورة تكنولوجية حقيقية قادرة على إحداث تحول جذري في قطاعات متعددة. من المؤكد أن الحوسبة الكمومية ستسمح للتكنولوجيا بتحقيق القفزة الكبيرة التالية إلى الأمام. وعلى الرغم من أن هذا التخصص لا يزال في مراحله الأولى، إلا أن إمكاناته هائلة، مما يمهد الطريق لحلول مبتكرة لمشاكل معقدة وغير قابلة للحل حتى الآن. ومن الاكتشافات العلمية إلى التحسين الصناعي، ومن الطب إلى التمويل، يَعِد تأثير الحوسبة الكمومية بأن يكون بعيد المدى وسيشكل مستقبل التكنولوجيا والمجتمع. ومع ذلك، فإن الوقت لم يحن بعد لتسويق المنتجات الاستهلاكية الأولى، وسوف يستغرق الأمر بضعة عقود قبل أن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من الوصول إلى منازلنا.

التدوينة الحوسبة الكمومية ظهرت للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *