مقدمة في الحوسبة الكمومية
أهداف التعلم
بنهاية هذه الوحدة، ستمتلك فهمًا أفضل لـ:
- الحجة التجارية للحوسبة الكمومية
- المعالم والاختراقات في الحوسبة الكمومية عبر الزمن
طريقة جديدة للتعامل مع المشكلات المعقدة
الحواسيب الكمومية، رغم أنها كانت تجارب مختبرية ضخمة في وقت ما، باتت الآن موارد حوسبة سحابية تجارية قادرة على إجراء حسابات يتعذر محاكاتها بدقة على الحواسيب الكلاسيكية. تتزايد المؤسسات في بحثها عن كيفية تأثير الحوسبة الكمومية على صناعاتها. سيُعرِّفك هذا التدريب بالحوسبة الكمومية وقيمتها التجارية المحتملة. فضلًا عن ذلك، سيُهيّئك للإجابة عن الأسئلة حين تبدأ رحلتك في الحوسبة الكمومية. تقدّم IBM Quantum® موارد عديدة لتبدأ التعلم عن الحوسبة الكمومية بصرف النظر عن دورك في مؤسستك.
ما المشكلات التي يمكن للحوسبة الكمومية حلها؟
تستغل الحوسبة الكمومية قوانين ميكانيكا الكم لحل المشكلات الرياضية المعقدة. حين يواجه العلماء والمهندسون مشكلات عصية، يلجأون عادةً إلى الحواسيب العملاقة — الحواسيب الكلاسيكية الكبيرة المزودة بآلاف وحدات المعالجة المركزية (CPUs) ووحدات معالجة الرسومات (GPUs). غير أنه بينما تتفوق الحواسيب العملاقة الكلاسيكية في حل أنواع معينة من المشكلات، تكافح في حل المشكلات التي تتضمن متغيرات كثيرة تتفاعل بطرق معقدة. يمكن للتقنية الكمومية مساعدتنا في تجاوز هذه الحواجز من التعقيد لمعالجة مشكلات مهمة عبر الصناعات حول العالم.
لنبدأ بمشاهدة هذا الفيديو عن أنواع المشكلات التي قد تحلها الحواسيب الكمومية، مقدَّم من كيتي بيتزولاتو، مديرة نظرية IBM Quantum وعلوم الحوسبة في IBM Quantum.
بعض المجالات التي تُعدّ واعدة بشكل خاص لتطبيقات الحوسبة الكمومية تشمل:
- المحاكاة - محاكاة الأنظمة الفيزيائية أو الكيميائية ذات الطبيعة الكمومية بالفعل.
- التحسين - إيجاد الحلول المثلى للمشكلات المعقدة، التي تُصاغ عادةً كمشكلات تصغير.
- البيانات ذات البنية المعقدة - استخدام الحوسبة الكمومية لاستكشاف نماذج جديدة في تعلم الآلة وعلم البيانات.
الحجة التجارية للحوسبة الكمومية
رغم أن الحوسبة الكمو مية لن تحل محل الحواسيب التقليدية، فإنها تمثّل نموذج حوسبة جديدًا. تستعرض تقرير حديث من معهد IBM® لقيمة الأعمال، العقد الكمومي، أهم المحركات لهذا الجيل القادم من الحوسبة. راعِ هذه الجوانب عند تقييم الكم لعملك:
الأولويات العالمية – مع مواجهة صناعات بأكملها مزيدًا من عدم اليقين، باتت نماذج الأعمال أكثر حساسيةً واعتمادًا على التقنيات الجديدة.
مستقبل الحوسبة – سيقود دمج الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة الكلاسيكية في سير عمل سحابية هجينة متعددة أهم ثورة حوسبة في 60 عامًا.
المؤسسة المدفوعة بالاكتشاف – ستتطور المؤسسات من تحليل البيانات إلى اكتشاف طرق جديدة لحل المشكلات.
الضغط المتزايد لحل المشكلات الأسية – أمثلة تشمل اكتشاف مواد جديدة وتطوير أدوية لمواجهة الأمراض الناشئة وإعادة هندسة سلاسل التوريد لتعزيز مرونتها.
تقنية الكم عند نقطة تحوّل – مع التوسع السريع في الأجهزة والكيوبتات، لم يكن من الأهمية بمكان في أي وقت مضى أن يشارك خبراء المجال في اكتشاف الخوارزميات. ستزداد جودة الدوائر وطاقتها وتنوعها مع ظهور خوارزميات جديدة.
توسع النظام البيئي الكمومي – الابتكار المفتوح يعزز التعلم التعاوني. يجب تدريب الممارسين والعلماء على تطبيق الحوسبة الكمومية على المشكلات الواقعية، بينما يمكن للفيزيائيين والمهندسين إنشاء أجهزة وبرمجيات مستنيرة بالخبرة المتخصصة في المجال.
تحقق من فهمك
اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.
صح أم خطأ: ستحل الحواسيب الكمومية محل الحواسيب الكلاسيكية في المستقبل.
خطأ. قد تتفوق الحواسيب الكمومية والكلاسيكية معًا قريبًا على استخدام الحواسيب الكلاسيكية وحدها في مهمة ذات معنى. سيقود دمج الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة الكلاسيكية في سير عمل سحابية هجينة متعددة أهم ثورة حوسبة. نسمي هذه الرؤية للربط بين الكمومي والكلاسيكي بالحوسبة العملاقة الكمومية المركزية.
صورة لنموذج IBM Quantum System One، كما هو مثبت في Shin-Kawasaki لجامعة طوكيو. (تصوير: ساتوشي كاواسي لـ IBM)
فئات المشكلات المحتملة للحوسبة الكمومية
لمزيد من التفاصيل عن فئات التعقيد الحسابي التي قدّمتها فيكتوريا في الفيديو أعلاه، اطلع على هذا المقال. ستتعلم فيه المزيد عن قائمة نظرية بالمشكلات التي يمكن للحاسوب الكمومي حلها بسهولة تُسمى BQP — الوقت الكمومي الحدّي للأخطاء.
المسار من العلم إلى الأنظمة
ما يجعل الحوسبة الكمومية غير عادية هو قدرتها على حل مشكلات اليوم التي لا يمكن حلها، مما يُقدّم في نهاية المطاف قيمة تجارية. يمكن للحوسبة الكمومية استكشاف هذه المشكلات لأنها مبنية على ميكانيكا الكم، وهي أعمق تفسير متاح للواقع. تستغل الحوسبة الكمومية ظواهر ميكانيكا الكم لمعالجة المعلومات.
رغم أن بعضهم قد يعتبر الحوسبة الكمومية مجالًا مبتكرًا في بداية دورة حياته، الواقع أن النظرية الكامنة وراء الحوسبة الكمومية تتطور منذ سبعينيات القرن الماضي على الأقل. من المهم التعرف على بعض المعالم والاختراقات الرئيسية عبر الزمن، إذ إن ما كان يُقاس سابقًا بالبوصات من التقدم قد تطور بسرعة من العلم إلى الأنظمة.
| 1970 | ربما كان تشارلز ه. بينيت أول شخص يكتب عبارة "نظرية المعلومات الكمومية" في 24 فبراير 1970، وهو يعمل عالمَ أبحاث في IBM. كانت ملاحظته بشيرًا بالعمل الهائل لكثيرين آخرين الذي سيتبعه، قائدًا العالم نحو مسار التفوق الكمومي. |
| 1981 | رصد ريتشارد فاينمان، الفيزيائي النظري الشهير، إمكانات الحواسيب الكمومية في عام 1981. في أول مؤتمر حول فيزياء الحوسبة، نظّمته IBM ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، أغلق خطابه الرئيسي بعبارة اشتهرت: "[...] الطبيعة ليست كلاسيكية، يا إلهي، وإذا أردت محاكاة الطبيعة فعليك جعلها ميكانيكا كم، وباللعنة إنها مشكلة رائعة، لأنها لا تبدو سهلة." [1] |
| 1994 | في عام 1994، أثبت بيتر شور، عالم الرياضيات الذي كان حينها في مختبرات AT&T Bell في نيوجيرسي، أن حاسوبًا كموميًا متكاملًا يمكنه فعل شيء را ئع: تكسير تشفير RSA، الأسلوب الشائع لتأمين الاتصالات الخاصة. أظهر أن خوارزميته الكمومية يمكنها إنجاز في دقائق ما قد يستغرقه حاسوب عادي طوال عمر الكون لحله. 2 |
| 1996 | بعد عام واحد، توصّل لوف غروفر، عالم Bell Labs أيضًا، إلى خوارزمية كمومية تتيح للناس البحث بسرعة في قواعد بيانات غير منظمة. تدفّق العلماء إلى الميدان، وتبعت التطورات في الأجهزة الاختراقات في البرمجة. [2] |
| 1998 | تحقق أول إثبات تجريبي لخوارزمية كمومية عام 1998. استُخدم حاسوب كمومي للرنين المغناطيسي النووي (NMR) ذو كيوبتَين يعمل فعليًا لحل مشكلة دويتش بواسطة جوناثان أ. جونز وميشيل موسكا في جامعة أكسفورد، وبعدهما بفترة وجيزة من قِبل إيزاك ل. تشوانج في مركز IBM Almaden للبحوث ومارك كوبينيك وجامعة كاليفورنيا في بيركلي، مع زملاء من جامعة ستانفورد ومعهد MIT. [3] |
| 2001 | شهد عام 2001 أول تنفيذ لخوارزمية شور في مركز IBM Almaden للبحوث وجامعة ستانفورد. جرى تحليل العدد 15 باستخدام 1018 جزيء متطابق، يحتوي كل منها على سبعة أنوية نشطة. [4] |
| 2005 | بحلول منتصف العقد الأول من الألفية الثالثة، طوّر مجال البحث عدة أنواع من الكيوبتات فائقة التوصيل، كل منها بمزاياه وعيوبه. في عام 2007، وجد فريق في جامعة ييل طريقة للجمع بين بعض هذه النهج للتغلب على قيودها الفردية، مسمّيًا التصميم الجديد "كيوبت ترانسمون". سيكون كيوبت الترانسمون في صميم جهود شركات عديدة لتطوير الحواسيب الكمومية، بما فيها IBM Quantum وGoogle AI وRigetti Computing. جاي غامبيتا، أحد أعضاء فريق ييل، أصبح لاحقًا نائب رئيس الحوسبة الكمومية في IBM Research. |
تخطيط الحاسوب الكمومي فائق التوصيل من IBM بأربعة كيوبتات المُعلَن عنه عام 2015. (تصوير: IBM Research)
| 2016 | في مايو 2016، كانت IBM أول شركة تُطلق خدمة حوسبة كمومية سحابية تشمل حواسيب كمومية حقيقية، سُمّيت IBM Quantum Experience. [5] |
IBM Quantum Composer على جهاز لوحي في IBM Research (تصوير: كوني تشو لـ IBM)
| 2017 | في مارس 2017، أصدرت IBM Qiskit، إطار برمجة كمومي مفتوح المصدر. [6] في ديسمبر 2017، أُطلقت شبكة IBM Quantum Network لتأسيس نظام بيئي تجاري للحوسبة الكمومية. |
| 2019 | افتتحت IBM مركز الحوسبة الكمومية في نيويورك، لتجلب أكبر أسطول حواسيب كمومية في العالم إلى الإنترنت. |
مركز بيانات IBM الكمومي في Poughkeepsie، نيويورك. (تصوير: جيمس أوكونور، IBM)
| 2020 | في سبتمبر 2020، أصدرت IBM خارطة طريق للتطوير للانتقال من الحواسيب الكمومية الصغيرة الحجم والصاخبة آنذاك إلى الحواسيب الكمومية المستقبلية بملايين الكيوبتات وما فوق. ترسم خارطة الطريق المسار للوصول إلى معلم حاسوب كمومي بـ 1121 كيوبت في عام 2023، وأكثر من 1386 كيوبت في 2024، وما فوق 4000 كيوبت في 2025. |
| 2021 | في ربيع 2021، أعلنت IBM عن إصدار Qiskit Runtime، بيئة تنفيذ معبّأة في حاويات للبرامج الكمومية-الكلاسيكية أزالت بعض أكبر عوائق أداء أعباء العمل. [7] في نوفمبر 2021، حققت IBM معلمًا رئيسيًا في الحوسبة الكمومية حين تجاوزت حاجز المعالج بـ 100 كيوبت مع Eagle، معالج كمومي بـ 127 كيوبتًا. [9] |
| 2022 | في أبريل 2022، أطلقت IBM بدائيات Qiskit Runtime، مُبسِّطةً تجربة المطور ومُمكِّنةً المستخدمين من الحصول على نتائج أكثر معنىً من الحواسيب الكمومية. [10] في مايو 2022، أصدرت IBM خارطة طريق محدَّثة تتوقع عصرًا قادمًا من الحوسبة العملاقة الكمومية المركزية حيث ستزيد النمطية وتقنيات الاتصال المتنوعة القدرة الحسابية. [11] في نوفمبر 2022، قدّمت IBM معالج IBM Quantum Osprey بـ 433 كيوبتًا — الأكبر حتى ذلك الحين باستخدام الكيوبتات فائقة التوصيل. [12] في الشهر ذاته، أطلقت IBM أيضًا الدوائر الديناميكية — دوائر حسابية تستخدم الموارد الكمومية والكلاسيكية لتمكين القياسات الداخلية وعمليات التغذية الأمامية [13] — وأعلنت عن خيارات مستوى مرونة جديدة لبدائيات Qiskit Runtime تتيح للمستخدمين التجريب بأدوات إخماد الأخطاء والتخفيف منها. [14] تتخذ IBM خطوات نحو تحقيق الحوسبة العملاقة الكمومية المركزية بإصدار برمجيات وسيطة متقدمة بما فيها صندوق أدوات Circuit Knitting، في عام 2025. |
الكشف عن معالج IBM Quantum Osprey في قمة IBM Quantum عام 2022 يتباهى بـ 433 كيوبتًا. (تصوير: كوني تشو لـ IBM)
| 2023 | أدلة على فائدة الحوسبة الكمومية قبل التسامح مع الأخطاء هي ورقة بحثية ظهرت على غلاف مجلة Nature في يونيو 2023، وهي تعاون بين IBM وجامعة كاليفورنيا في بيركلي. أجرى علماء IBM Quantum محاكاة فيزيائية معقدة على معالج IBM Quantum Eagle بـ 127 كيوبتًا. شُغِّلت المحاكاة في الوقت ذاته باستخدام أحدث أساليب التقريب الكلاسيكية على الحواسيب العملاقة الموجودة في المختبر الوطني لورنس بيركلي وجامعة بوردو. أجاب Eagle بإجابات أكثر دقة من أساليب التقريب الكلاسيكية، حتى في النظام الذي يتجاوز قدرات الأساليب القسرية. |
قصة غلاف مجلة Nature عن المنفعة الكمومية نُشرت في 14 يونيو 2023
| 2023 | في عام 2023 أعلنت IBM عن رقاقة Heron، ذات الاسم الرمزي montecarlo. بدأت بـ 133 كيوبتًا وحُدِّثت إلى 156 كيوبتًا في عام 2024، وتدمج Heron بنية مقرن قابل للضبط جديدة. تُظهر Heron تحسينات جوهرية على أف ضل معالجات Eagle، إذ تبلغ نصف معدل خطأ البوابة ولا تكاد تُسجّل أي تداخل بين القنوات (crosstalk)، وتوقيت بوابات محسّن بشكل ملحوظ. تستفيد Heron من ابتكارات جوهرية في توصيل الإشارات كانت قد نُشرت سابقًا في Osprey. تُوصَّل الإشارات اللازمة لتمكين التحكم السريع والعالي الدقة ثنائي وأحادي الكيوبت عبر كبلات مرنة عالية الكثافة. |
الكشف عن معالج IBM Quantum Heron في قمة IBM Quantum عام 2023 يُظهر تحسينات جوهرية على معالجات Eagle.
ليس من السهل التنبؤ بالوقت الدقيق الذي ستستطيع فيه الحوسبة الكمومية التفوق على الأساليب المستخدمة اليوم. ومع ذلك، وللريادة في العصر الكمومي المقبل بسرعة ومعالجة المشكلات المعقدة، تحتاج الشركات ومنظمات البحث إلى البدء في الاستعداد الآن. نظرًا لمنحنى التعلم الحاد، يمكن لبداية مبكرة في التعلم والتجريب أن تُمثّل ميزة تنافسية. جاهزية الحوسبة الكمومية حالة تتطور باستمرار تعتمد على نهج المؤسسة واستثمارها في الابتكار، فضلًا عن المواهب والمهارات الجديدة والنضج الرقمي الإجمالي. تشمل الجاهزية اعتماد تقنيات تمكينية كالأتمتة والذكاء الاصطناعي والسحابة الهجينة المتعددة؛ والاستعداد للتحليل والتجريب والتكرار مع القدرات الحوسبية المتوسعة؛ وتطور سير العمل؛ والمهارات التنظيمية.
تحقق من فهمك
اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.
صح أم خطأ: تصوُّر الحوسبة الكمومية ظهر أول مرة في تسعينيات القرن الماضي.
خطأ. رغم أن أول حاسوب كمومي تجريبي أُنشئ عام 1998، فقد رصد ريتشارد فاينمان إمكانات الحوسبة الكمومية في عام 1981.
الخلاصة
يمكنك استحضار هذه النقاط الرئيسية:
- تمثّل الحوسبة الكمومية نموذج حوسبة جديدًا يمكنه العمل بالتوازي مع الحواسيب التقليدية.
- ستُمكّننا من فهم عالمنا بصورة مختلفة وحل بعض المشكلات التي كانت عصية سابقًا.
- رغم أن الحوسبة الكمومية لا تستطيع بعد التفوق على الأساليب المستخدمة اليوم، يمكن للمؤسسات اتخاذ خطوات اليوم للاستعداد لهذا التغيير الجوهري في الحوسبة.
المصادر
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, May 21, 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, GitHub repository.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, September 15, 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, May 11, 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, April 6, 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, November 16, 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, April 12, 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, May 10, 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, November 9, 2022.