الفهرس
في صور الحواسيب الكمية تظهر أسلاك دقيقة وطبقات معدنية معلقة، بعيدة عن شكل الحاسوب الذي نستخدمه يوميًا. ما الذي يحدث داخل هذه الأجهزة؟ ولماذا يراهن الباحثون على طريقة مختلفة للحساب بدل الاكتفاء بصناعة معالجات أسرع؟
ما هي الحوسبة الكمية؟
يوجد اختلاف بين الحاسوب الكمي والحاسوب العادي أو الحاسوب العملاق. فالحاسوب العملاق يستخدم عددًا هائلًا من وحدات المعالجة، مع ذاكرة وأنظمة اتصال مصممة لتبادل البيانات وتنفيذ مهام كثيرة بالتوازي. أما الحاسوب الكمي فيستخدم ميكانيكا الكم في تصميمه وطريقة معالجة المعلومات.
ولا يعني ذلك أن كل حاسوب كمي يُبنى «ذرة بعد ذرة». تختلف طرق التنفيذ: منها دوائر فائقة التوصيل، وأيونات محاصرة، وذرات متعادلة، وفوتونات. ما يجمعها هو التحكم في حالات كمّية واستخدامها لإجراء حسابات محددة.
طريقة عمل الحوسبة الكمية: من البت إلى الكيوبت
يعمل الحاسوب العادي بالاعتماد على النظام الثنائي، حيث تكون قيمة وحدة المعلومات «البت» (Bit) إما 0 أو 1. أما الحاسوب الكمي فيعتمد على «الكيوبت» (Qubit)، وهي اختصار لعبارة Quantum Bit، أي «البت الكمي».
الكيوبت وحدة معلومات تُجسَّد في نظام فيزيائي يمكن التحكم في حالتين منه. فقد يستخدم الجهاز حالتين لأيون، أو خاصية لفوتون، أو مستويين للطاقة في دائرة فائقة التوصيل. هذه أمثلة لطرق مختلفة لبناء الكيوبت، وليست مكونات يجب جمعها كلها في وحدة واحدة.
ما المقصود بالتراكب والقياس؟
يمكن أن يكون الكيوبت في حالة تراكب بين 0 و1. ترتبط بهذه الحالة سعات احتمالية تحدد احتمالات نتائج القياس وكيف تتداخل أثناء الحساب. وعند قياسه في الأساس الذي نسمي حالتيه 0 و1 نحصل على إحدى القيمتين، لا على قائمة بكل الاحتمالات.
فإذا حضّرنا كيوبت بحيث يتساوى احتمال النتيجتين، ثم كررنا التحضير والقياس مرات كثيرة، تظهر 0 في نحو نصف التجارب و1 في النصف الآخر. هذا مثال تعليمي لحالة محددة؛ ليست جميع حالات التراكب متساوية الاحتمالات.
التشابك والتداخل: أين تأتي الفائدة؟
التشابك علاقة كمّية بين أجزاء النظام تجعل وصف حالته المشتركة غير قابل للاختزال إلى حالات مستقلة لكل جزء. قد ترتبط نتائج قياس الكيوبتات المتشابكة، لكن ذلك لا يتيح إرسال رسالة أسرع من الضوء.
أما التداخل فيسمح للخوارزمية بتقوية سعات بعض النتائج وإضعاف غيرها. تصمم العمليات، أو «البوابات الكمية»، لتحقيق نمط مفيد قبل القياس. ولهذا لا تكفي عبارة «الحاسوب يجرب كل الإجابات في وقت واحد» لشرح عمله: وجود احتمالات كثيرة لا يتيح قراءتها كلها دفعة واحدة. يوضح شرح IBM للحوسبة الكمية دور هذه العمليات في الوصول إلى النتيجة.
نشأة الحوسبة الكمية: محطات أساسية
تعود إحدى البدايات النظرية إلى الفيزيائي بول بينيوف (Paul Benioff)، الذي عمل في مختبر أرجون الوطني. نشر عام 1980 نموذجًا يصف الحاسوب، ممثلًا بآلة تورنغ، بوصفه نظامًا فيزيائيًا تحكمه ميكانيكا الكم. وتلت هذا البحث أعمال أخرى له عام 1981.
في عام 1982 نشر ريتشارد فاينمان بحثًا علميًا عن محاكاة الفيزياء بالحواسيب، بعد عرض الفكرة في محاضرة عام 1981. كان السؤال كيف يمكن محاكاة الأنظمة الكمّية بكفاءة باستخدام نظام كمي آخر، وليس وعدًا بأن أي جهاز كمي سيتفوق على كل حاسوب تقليدي مهما كانت المهمة.
عام 1985 قدّم ديفيد دويتش (David Deutsch) إطارًا للحاسوب الكمي الشامل، وأسهم في تطوير الأساس النظري للخوارزميات الكمية. منذ تلك المرحلة، استمرت الأبحاث في تطوير الآليات والخوارزميات الخاصة بهذه الأجهزة.
وفي عام 1994 طرح بيتر شور (Peter Shor) خوارزمية لتحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية وحساب اللوغاريتمات المتقطعة بكفاءة على حاسوب كمي مناسب. لا تعني النتيجة أن تحليل أي عدد كبير يستغرق أجزاءً من الثانية؛ الزمن الفعلي يعتمد على حجم العدد وموارد الجهاز والأخطاء وطريقة تصحيحها.
تجارب الأيونات والفوتونات
في عام 2012 أعلن المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) محاكيًا كميًا يستخدم بلورة مسطحة من مئات أيونات البريليوم. استُخدمت حالة الإلكترون الخارجي في كل أيون لتمثيل كيوبت. وكان الهدف دراسة سلوك أنظمة كمّية محددة، لا تقديم حاسوب عام يؤدي أي برنامج.
عام 2014، نفذ باحثون من جامعة جنيف تجربة نقل آني كمي لحالة فوتون إلى ذاكرة كمّية، ضمن ترتيب تجريبي بلغت فيه المسافات المقطوعة عبر الألياف البصرية 25 كيلومترًا. المنقول هنا هو الحالة الكمّية، لا جسم مادي يختفي من مكان ويظهر في آخر. وهذه أبحاث مهمة للاتصالات والشبكات الكمّية، ولا تثبت وحدها قدرة حاسوب على حل مسألة حسابية.
وفي سبتمبر 2014 أعلنت جوجل انضمام جون مارتينيس وفريقه من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا إلى مبادرتها لتطوير معالجات كمّية فائقة التوصيل. هذه محطة تاريخية في المشروع، وليست وصفًا لأحدث تحركات الشركة اليوم.
هل ما زال أكبر حاسوب كمي يضم 16 كيوبت؟
تجاوزت الأجهزة هذا العدد منذ سنوات. ومن الأمثلة المؤرخة إعلان IBM في ديسمبر 2023 عن معالج Condor ذي 1121 كيوبت فائق التوصيل. يرد العدد في إعلان الشركة عن Condor، وهو مثال على تطور العتاد وليس ادعاءً بأنه أكبر جهاز متاح اليوم.
كذلك لا توجد قاعدة تقول إن 30 كيوبت تساوي 10 تريليونات عملية في الثانية. عدد الكيوبتات يصف جزءًا من موارد الجهاز، ولا يتحول مباشرة إلى مقياس السرعة المستخدم في الحواسيب التقليدية. يلزم معرفة الخوارزمية ودقة البوابات والاتصالات بين الكيوبتات وعدد الخطوات التي يمكن تنفيذها قبل أن تفسد الأخطاء النتيجة.
لماذا يصعب بناء حاسوب كمي موثوق؟
تتأثر الحالات الكمّية بالبيئة المحيطة، وتحدث أخطاء أثناء التحكم والقياس. تحتاج الدوائر فائقة التوصيل إلى تبريد شديد، بينما تعتمد تقنيات أخرى على تجهيزات مختلفة للحبس والعزل والتحكم. لا يصح تعميم متطلبات منصة واحدة على كل الحواسيب الكمية.
من هنا يأتي تصحيح الأخطاء الكمية: تُشفَّر المعلومات في مجموعة من الكيوبتات الفيزيائية، وتُجرى قياسات تكشف علامات الخطأ دون قراءة المعلومة المنطقية المحمية نفسها مباشرة. يسمى تمثيل المعلومة المحمية «كيوبتًا منطقيًا». وتختلف الموارد اللازمة لحمايته باختلاف الشفرة والعتاد ومعدل الأخطاء.
لذلك يجب التمييز بين عدد الكيوبتات الفيزيائية وعدد الكيوبتات المنطقية، وبين كشف الخطأ وتصحيحه. وحتى وجود تجربة ناجحة على دائرة محددة لا يثبت إمكان تشغيل كل البرامج الطويلة بالدقة نفسها.
مثال عملي: لماذا كان اختبار Willow مهمًا؟
في تقرير فريق Google Quantum AI المنشور في 9 ديسمبر 2024، عرض الباحثون اختبارًا على معالج Willow: كلما كبر حجم الشفرة التي تحمي الكيوبت المنطقي، انخفض معدل الخطأ بدل أن يرتفع. أهمية النتيجة أن إضافة كيوبتات فيزيائية تفتح أيضًا فرصًا جديدة للأخطاء؛ فلا تصبح الزيادة مفيدة إلا عندما تكون جودة العمليات كافية ليتغلب تصحيح الأخطاء على هذا العبء.
هذه هي فكرة العمل «تحت عتبة الخطأ». تتعلق النتيجة بحماية معلومات كمية في تجربة محددة، ولا تعني أن المعالج صار قادرًا على تشغيل أي خوارزمية طويلة دون أخطاء. وأوضح الفريق في التقرير نفسه أن بناء حاسوب كبير يتحمل الأخطاء ما زال يحتاج إلى عمل هندسي واسع، بما فيه سرعة تفسير قياسات الأخطاء. لهذا يُقرأ الاختبار كتقدم في موثوقية الحساب، لا كإعلان عن الاستغناء عن الحواسيب التقليدية أو كسر التشفير المستخدم يوميًا.
ماذا يمكن أن تفعل الحوسبة الكمية؟
من مجالاتها البحثية محاكاة الجزيئات والمواد، لأن وصف حالاتها الكمّية قد يتطلب موارد كبيرة على الحواسيب التقليدية. وهناك خوارزميات لمهام رياضية محددة، وأبحاث في مسائل التحسين. لكن الفائدة العملية تحتاج مقارنة عادلة بأفضل الطرق التقليدية للمسألة نفسها، مع احتساب وقت إعداد البيانات وتشغيل الجهاز وتحليل النتائج.
الحوسبة الكمية تختلف أيضًا عن الذكاء الاصطناعي. فالأولى تتعلق بطريقة تنفيذ الحساب، والثاني مجال لبناء أنظمة تؤدي مهام مثل التعلم والتنبؤ. تعمل الشبكات العصبية الاصطناعية المستخدمة على نطاق واسع على عتاد تقليدي، ولا يحتاج تطبيق الذكاء الاصطناعي تلقائيًا إلى حاسوب كمي.
هل تستطيع كسر التشفير الآن؟
توضح خوارزمية شور خطرًا على أنظمة مفاتيح عامة مثل RSA وبعض الأنظمة القائمة على المنحنيات الإهليلجية، إذا توافر حاسوب كمي مناسب وكبير بما يكفي. وجود الخوارزمية أو الإعلان عن عدد مرتفع من الكيوبتات لا يثبت أن جهازًا قادرًا على كسر مفاتيح الاستخدام الفعلي أصبح متاحًا.
الاستعداد لهذا الخطر بدأ بالفعل: أصدر NIST في أغسطس 2024 أول ثلاثة معايير نهائية للتشفير المقاوم للهجمات الكمية. تعمل هذه الخوارزميات على الحواسيب التقليدية. ولا تعني عبارة «ما بعد الكم» أن جميع أنواع التشفير انهارت أو أن المستخدم يحتاج إلى شراء جهاز كمي لحماية بياناته.
هل ستحل الحواسيب الكمية محل حواسيبنا؟
بعد فهم طريقة الحساب وحدود القياس والأخطاء، يتضح أن الحوسبة الكمية تفتح طرقًا لحل فئات معينة من المسائل، وليست مقياسًا عامًا لسرعة أعلى في كل شيء. ومن المتوقع أن تعمل إلى جانب الحواسيب التقليدية التي تتولى التحكم وإعداد البيانات ومهام كثيرة أخرى؛ وهذا ما يوضحه عرض NIST للحوسبة الكمية.
لن نحكم على فائدتها من عدد الكيوبتات وحده أو من صورة الجهاز. السؤال الأدق هو: أي مسألة حلّها، وبأي دقة، وبأي موارد مقارنة بالبدائل؟ بهذه الأسئلة يمكن متابعة تطورها دون إنكار التقدم أو تحويله إلى وعود تتجاوز ما أُثبت.
