مقدمة
مرحبًا بك في الحدود الجديدة
على مرّ التاريخ، تنامى فهمنا العلمي للعالم بسرعة كلما أتيحت أدوات جديدة — أدوات مكّنتنا من طرح أسئلة جديدة، وإجراء تجارب أوسع نطاقًا، والتعمق في مجالات بحثية لم نستكشفها من قبل. من بين تلك الأدوات: التلسكوب، والمجهر، ومصادم الهادرونات الكبير. أتاح كل منها الوصول إلى اكتشافات علمية من نوع جديد. وفي ستينيات القرن الماضي، شهدنا أيضًا ظهور الحوسبة عالية الأداء (HPC)، التي غدت أداةً محوريةً لحل المسائل الحسابية المعقدة، بما فيها كثير من التحديات العلمية الكبرى.
أما اليوم، فبين أيدينا أداة أخرى مهمة للتقدم العلمي: الحواسيب الكمومية. وعلى الرغم من كونها تقنية ناشئة بعد، فإن الحواسيب الكمومية تمتلك القدرة على تغيير طبيعة المسائل الحسابية التي يمكننا حلها بكفاءة بشكل جوهري. تتمحور هذه الدورة حول فهم كيف يمكن لهاتين التقنيتين، حين تعملان معًا، أن توسّعا حدود ما هو ممكن حسابيًا.
مهمتنا واضحة وإن كانت طموحة: تزويدك بالمعرفة النظرية والعملية اللازمة لاستخدام هذه التقنيات في معالجة بعض أصعب مشكلات العالم.
يُقدّم هذا الفيديو أهداف الدورة والدوافع وراء دمج HPC والحوسبة الكمومية.
الحوسبة عالية الأداء (HPC)
ما هي الحوسبة عالية الأداء بالضبط؟ باتت الحوسبة عالية الأداء الأساس الذي تُبنى عليه حلول المسائل الحسابية الحديثة. لم نعد نعيش في زمن يمكن فيه حل المسائل المتقدمة بأدوات بسيطة كالمِعداد أو القلم والورقة؛ بل نعمل اليوم على أسئلة ومجموعات بيانات تستلزم قدرات حسابية هائلة.
يمتد تاريخ مجال الحوسبة عالية الأداء إلى تطوير أوائل الحواسيب العملاقة في ستينيات القرن الماضي. كانت تلك آلات مُصمَّمة تحديدًا لحل المسائل العلمية والهندسية الكبرى بشكل أسرع من الحواسيب التقليدية.
من أبرز الحواسيب العملاقة الأولى CDC 6600 (1964)، الذي بناه Seymour Cray، الملقَّب بأب الحوسبة العملاقة. كان CDC 6600 أسرع حاسوب في زمنه، واستخدم بنية معمارية مبتكرة تضمنت وحدات وظيفية متوازية وتسلسل العمليات — مفاهيم لا تزال مستخدمة في HPC حتى اليوم.
واصل Cray تطوير المجال بـCray-1 (1976)، الذي أدخل المعالجة المتجهة — أسلوب أسرع بكثير في إجراء العمليات على مصفوفات بيانات ضخمة، مما جعله مناسبًا جدًا للحوسبة العلمية.
حين بدأت سرعات المعالجات الفردية تتباطأ في تطورها، انتقلت HPC نحو الحوسبة المتوازية — استخدام معالجات عديدة تعمل معًا على أجزاء مختلفة من مسألة ما. في الثمانينيات والتسعينيات أصبحت البنى المتوازية شائعة في HPC. ومع مطلع الألفية الثالثة، توجهت HPC نحو مجموعات من الأجهزة الجاهزة، وهي خوادم عادية متصلة بشبكات عالية السرعة. أتاح هذا التحول الحوسبة العملاقة بتكلفة أقل وأوسع انتشارًا.
وعلى مدار هذا التطور، كانت IBM® في طليعة أبحاث HPC وتطبيقاتها. لعبت حواسيب IBM Blue Gene العملاقة دورًا بارزًا في عقدَي 2000 و2010. كان تلك حقبة نمو هائل لأنظمة التوازي الهائل، ومن أمثلتها Blue Gene/Q الذي وصل أحد أنظمته (Sequoia) إلى 100,000 عقدة. وكان IBM-built Oak Ridge Summit أول مورد HPC يحقق ExaOPS (1.88 دقة مختلطة) عام 2018.
اليوم نعيش في عصر إكساسكيل، حيث يمكن للحواسيب العملاقة إجراء عملية في الثانية (إكساFLOPS). وأول حاسوب عملاق حقق هذا الإنجاز كان Frontier، الموجود في Oak Ridge National Laboratory.
لماذا نحتاج إلى موارد حسابية بهذه الضخامة؟ ثمة مسائل حيوية لرفاهية البشرية تستلزم هذه الإمكانات الهائلة لنمذجتها أو حلها. ومن الأمثلة على ذلك: نماذج المناخ، ودراسة بنية وحركة عباءة الأرض، ومحاكاة ديناميكيات الموائع.
تناول باحثو IBM والشركاء المتعاونون كثيرًا من هذه المسائل عاملين على أنظمة IBM. وقد حظيت هذه القيادة المتواصلة باعتراف واسع؛ إذ فاز باحثو IBM بجائزة Gordon Bell ست مرات.[1]
تُعدّ HPC مجالًا نشطًا جدًا تُكسر فيه الحواجز باستمرار. للاطلاع على نظرة عامة على ا لإمكانات الحديثة، راجع هذه القائمة لأفضل 500 حاسوب عملاق.
الحوسبة الكمومية
الحوسبة الكمومية نموذج حوسبة جديد لا يسير ببساطة على خطى التطور التدريجي للحواسيب الكلاسيكية. تهدف إلى الاستفادة من الخصائص الكمومية للتراكب والتشابك والتداخل الكمومي لحل مسائل تكون عصيّة على الحواسيب الكلاسيكية منفردةً. لن نتعمق في تفاصيل خصوصية الحوسبة الكمومية في هذه الدورة — راجع أساسيات المعلومات الكمومية لمزيد من التفاصيل — بل سنناقش كيف يمكن لدمج هاتين البنيتين التحتيتين أن يُفضي إلى اختراقات في العلوم التطبيقية.
نهج هجين
الأهم التشديد عليه هو أن هذين النموذجين الحسابيين ليسا متنافسين. نحن في عصر تتطلب فيه سير العمل المُحسَّنة من النموذجين التكاملَ والتعاونَ ووضعَ كل مهمة في المكان الأنسب لها. لن تحلّ الحواسيب الكمومية محل الأنظمة الكلاسيكية؛ بل سيعتمد مستقبل العلوم الحسابية بصورة متزايدة على سير عمل هجينة تُوفر فيها HPC المعالجة الكلاسيكية عالية الأداء، وتُسهم الحوسبة الكمومية بإمكانات فريدة. بوصفك ممارسًا أو باحثًا أو تقنيًا، سيجعلك فهم كيفية دمج هذه الأدوات قائدًا في الحقبة العلمية والتقنية القادمة.
سنستعرض كيف يتهيأ كل من الحوسبة الكمومية وHPC لتمكين اختراقات في طيف واسع من الصناعات، يشمل:
-
الكيمياء: تسريع اكتشاف أدوية ومواد جديدة.
-
الطاقة: تصميم محفّزات أفضل وبطاريات وحلول طاقة نظيفة.
-
المالية: نمذجة المخاطر وتحسين المحافظ الاستثمارية وتطوير أدوات مالية جديدة.
-
الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة: تعزيز تدريب النماذج والتحسين وتحليل البيانات.
لماذا نتجاوز الحوسبة الكلاسيكية
حقق البشر نجاحات ملموسة في مجالات التطبيق المذكورة أعلاه باستخدام HPC. غير أن أسرع الحواسيب العملاقة في العالم تواجه صعوبات حين تتوسع المسائل تكافليًا أو أسيًا مع حجمها. مثلًا، حصر كل ترتيب م مكن لـ50 جسيمًا داخل جزيء معقد يُفضي إلى تشكيلات تنمو بسرعة تكافلية على الأقل، تستلزم ذاكرة تفوق ما يمكن لجميع مراكز البيانات على وجه الأرض مجتمعةً توفيره.
مثال آخر: التخطيط لمسار توصيل لـ10,000 مدينة؛ يصبح عدد المسارات المحتملة ضخمًا للغاية لدرجة أنه حتى لو اختبر كل حاسوب بُني على الإطلاق مسارًا واحدًا في كل ميكروثانية، لاستغرقت الحسابة وقتًا أطول بمراتب من العمر الحالي لشمسنا. هذه الأرقام ليست ضخمة فحسب؛ بل تنمو بصورة أسية، مما يعني أن كل جسيم أو مدينة إضافية تُضاعف العبء الحسابي بما يتجاوز بكثير التوسع البسيط.
يمكننا الاستمرار في إضافة وحدات معالجة الرسومات (GPU)، لكن التعامل مع هذه الكميات الضخمة من البيانات يستهلك بالفعل ميغاواتات من الطاقة ويتطلب منشآت بحجم المستودعات. عند نقطة معينة، لا يمكن للأجهزة الكلاسيكية التوسع بصورة عملية أو بتكلفة معقولة. لهذا يلجأ الباحثون إلى المعالجات الكمومية، التي تُخزّن المعلومات في تراكبات ويمكنها أحيانًا معالجة مشكلات النمو الأسي هذه مباشرةً، وحل حالات بعينها لا تستطيع الآلات الكلاسيكية إكمالها في أي إطار زمني معقول.
تصل HPC في نهاية المطاف إلى حدود أساسية تفرضها التوافقيات والديناميكا الحرارية. لا تُلغي الحوسبة الكمومية تلك الحدود، لكنها تستطيع أحيانًا تجاوز ها في سيناريوهات محددة جدًا.
لماذا لا نكتفي بالحوسبة الكمومية؟
إذا كانت الحوسبة الكمومية قادرة على تجاوز بعض قيود الحوسبة الكلاسيكية، فلماذا لا نعتمد كليًا على الحواسيب الكمومية؟ السبب الأول والأوضح هو أن الحواسيب الكمومية لا تزال تحتاج إلى الآلات الكلاسيكية لكي تعمل. مهام مثل تجميع الدوائر وإيصالها إلى المعالج الكمومي، وتخزين نتائج القياسات، وإجراء المعالجة اللاحقة الأساسية — كلها تُنجزها الأنظمة الحسابية الكلاسيكية.
فلماذا نحتاج إضافةً إلى ذلك الحوسبةَ عالية الأداء؟ ثمة أسباب عدة. تتناول كثير من تطبيقات الحوسبة الكمومية الحالية والمتوقعة مسائل ذات فضاءات بحث بالغة الاتساع. كثيرًا ما تستطيع الخوارزميات الكمومية تقليص حجم هذا الفضاء بشكل ملحوظ، لكن في الواقع قد تظل المسألة المتبقية كبيرة بما يكفي للاستفادة من موارد HPC. علاوة على ذلك، ثمة خوارزميات توازن بين نقاط قوة HPC والحوسبة الكمومية، تُحيل قدرًا كافيًا من العمل إلى HPC لجعل الخوارزمية الكلية أكثر صمودًا في مواجهة تأثيرات الضوضاء الكمومية.
مثال مل موس هو خوارزمية التقطير الكمومي بالعينات (SQD). هذه الخوارزمية، التي سنستكشفها في الدرس 4، توضح كيف يمكن لـHPC والحوسبة الكمومية أن يتكاملا عمليًا. للاطلاع على خلفية إضافية، راجع دورة خوارزميات التقطير الكمومي على IBM Quantum Learning.
التحضير الموصى به
صُمِّمت هذه الدورة للمختصين والطلاب الذين يعملون — أو يخططون للعمل — عن كثب مع البنية التحتية لـHPC و/أو الحوسبة الكمومية. مع التقدم السريع في تقنيات الكم، نتوقع مستقبلًا قريبًا تُدمج فيه المعالجات الكمومية جنبًا إلى جنب مع موارد HPC التقليدية لتحقيق نتائج أدق وفتح آفاق جديدة لحل المسائل. هذه الدورة موجهة للمتعلمين الراغبين في فهم كيفية بناء سير عمل هجينة كهذه وتشغيلها.
نظرًا لتنوع خلفيات المشاركين، نتوقع فئتين رئيسيتين: من يمتلكون خبرة في HPC لكنهم جدد على الحوسبة الكمومية، ومن هم على دراية بالحوسبة الكمومية لكنهم جدد على HPC. لمساعدة الجميع على الاستفادة القصوى من هذه الدورة، نقدم فيما يلي توصيات تحضيرية لكلتا الفئتين.
لمن هم جدد على HPC
تفترض هذه الدورة إلمامًا بمفاهيم HPC الأساسية مثل البرمجة بالذاكرة الموزعة، وتمرير الرسائل، ونماذج البرمجة المتوازية، وإدارة الموارد. سنستخدم أيضًا أدوات مثل مدير أعباء العمل Slurm. وإن كانت كثيرًا من هذه المفاهيم ستُقدَّم بإيجاز عند الحاجة، فإن التعرض المسبق لها سيجعل المادة أكثر سهولة. المراجع المفيدة تشمل:
- HPC Wiki: صفحة تضم تعريفات وأساليب في الحوسبة عالية الأداء.
- صفحة ويكيبيديا لـSlurm: توفر خلفية موجزة وملاحظات حول الانتشار الواسع.
- صفحة البدء السريع لـSlurm: بعض الخلفية وملاحظات على البدء وقائمة أوامر Slurm الأساسية.
- درس MPI: Hello World أساسي باستخدام MPI.
موارد إضافية متاحة أيضًا في مستودع GitHub هذا.
لمن هم جدد على الكم
ستستخدم هذه الدورة أدوات ومفاهيم أساسية من الحوسبة الكمومية مع مراجعة تمهيدية محدودة. نوصي المشاركين بامتلاك إلمام عملي بـQiskit على الأقل، ومعرفة بالبوابات والدوائر الكمومية، وبعض التعرض على الخوارزميات القائمة على أخذ العينات. الموارد المذكورة أدناه ينبغي أن تُوفر تحضيرًا مفيدًا.
- دليل IBM Quantum® Composer: شرح تفصيلي لـComposer، وهو أداة برمجة كمومية رسومية تتيح سحب العمليات وإفلاتها لبناء دوائر كمومية وتشغيلها على أجهزة كمومية.
- مقدمة إلى Qiskit: مجموعة من الأدلة لمساعدتك على تثبيت Qiskit وإعداده.
- مرحبًا بالعالم: درس قصير على Qiskit تُعدّ فيه أول برنامج كمومي لك وتشغّله.
- خوارزميات التقطير الكمومي: دورة تغطي عدة أنواع من الخوارزميات الكمومية، بما فيها SQD التي ستُستخدم في هذه الدورة.
موارد إضافية متاحة أيضًا في مستودع GitHub هذا.
يجد المتعلمون من كلتا الخلفيتين هذا الدليل مفيدًا؛ فهو يغطي مكوّن SPANK الإضافي لإدارة موارد الكم وكلمات موجزة حول Slurm.
ثمة بعض الجوانب التي تجعل خصوصية الحوسبة الكمومية تختلف إجرائيًا عن موارد الحوسبة الكلاسيكية بطرق مهمة لهذه الدورة. مثلًا، لا يوجد نظير كمومي جيد للذاكرة العشوائية (RAM)؛ تُخزَّن المعلومات وتُعالَج في حالات الكيوبتات نفسها. وبينما قد تُتيح القياسات تسجيل بعض خصائص الكيوبتات كلاسيكيًا، فإن هذه القياسات تُدمّر كثيرًا من ثراء الحالة الكمومية بما في ذلك التراكب والتشابك. فضلًا عن ذلك، لا تُستضاف موارد الحوسبة الكمومية حاليًا على العقدة ذاتها مع موارد HPC الأخرى، وكثيرًا ما لا يتمتع مستخدمو الموارد الكمومية بنفس مستوى التحكم في الجدولة الذي قد يمتلكونه على موارد HPC الكلاسيكية. ستتكرر هذه الحقائق في الدروس المناسبة. لكن الخلاصة هنا هي أن الحواسيب الكمومية ستغير العالم ولا بد من دمجها مع HPC، لكنها ليست "مجرد" مورد HPC إضافي يمكن التحكم فيه واستخدامه بالطريقة نفسها التي نتعامل بها مع المعالجات المركزية (CPU) أو وحدات معالجة الرسومات (GPU). الحواسيب الكمومية تغيّر طريقة تناولنا لكثير من المسائل الحسابية.
عن هذه الدورة
بنهاية هذه الدورة، ستكون قادرًا على أكثر من مجرد ترديد المصطلحات التقنية — ستفهم كيفية إدارة سير عمل هجينة حديثة تُسنَد فيها مهام فرعية بعينها إلى معالج كمومي بينما تتولى المعالجات المركزية ووحدات معالجة الرسومات بقية العمل. ستتعلم كيف تكتب نصوصًا لوظائف تنتقل بسلاسة بين العقد الكلاسيكية ووحدات المعالجة الكمومية (QPU)، وتفسّر النتائج بدقة، وتتعرف أين يمكن للتسريع الكمومي أن يُحسّن الحسابات فعلًا (وأين لا يستطيع). بالقدر ذاته من الأهمية، ستتدرب على الحفاظ على عقلية النمو: في مجال جديد ومتطور بسرعة، لا أحد يتعلم كل شيء دفعة واحدة، والتقدم الحقيقي يأتي من التكرار والتجريب وطرح الأسئلة. تنقسم هذه الدورة إلى 5 فصول تغطي المواضيع التالية:
مخطط الدورة
- الدرس 1 - تناول هذا الدرس الخلفية والدوافع
- الدرس 2 - موارد الحوسبة وإدارتها
- الدرس 3 - نماذج البرمجة التي تتضمن بيئات حوسبة غير متجانسة
- الدرس 4 - الخوارزميات الكمومية لسير العمل الهجينة، وتحديدًا SQD
- الدرس 5 - النظرة المستقبلية والاتجاه
فكّر في هذه الدورة باعتبارها منصة انطلاقك — المكان الذي تبني فيه منظومتك الذهنية والثقة بالنفس اللازمتين لاستكشاف حدود الكم-الكلاسيك طويلًا بعد إكمال الدرس الأخير.