أساسيات الحوسبة الكمومية

أهداف التعلم

بنهاية هذه الوحدة، ينبغي أن تكون قادرًا على:

• التمييز بين الحوسبة الكمومية والحوسبة الكلاسيكية
• التمييز بين الكيوبتات والبتات
• شرح المفاهيم الأساسية للحوسبة الكمومية
• التمييز بين البوابات الكمومية والدوائر الكمومية والحواسيب الكمومية

ما هي الحوسبة الكمومية — وما ليست عليه

هل يمكن تنفيذ الحوسبة الكمومية على حواسيب كلاسيكية؟ هل الحوسبة الكمومية مجرد شكل آخر من أشكال الذكاء الاصطناعي؟ تدحض كيتي بيتزولاتو، نائب الرئيس لمنصة IBM Quantum® في IBM Quantum، عدة خرافات عن الحوسبة الكمومية في 60 ثانية.

طريقة جديدة لرؤية المشكلات

ثمة مفاهيم مميزة للحوسبة الكمومية ستساعدك على فهم تطبيقاتها المحتملة في مؤسستك أو صناعتك. تعتمد جميع أنظمة الحوسبة على قدرة جوهرية لتخزين المعلومات ومعالجتها. تخزّن الحواسيب التقليدية المعلومات في بتات (أصفار وآحاد)، وتستخدم الحواسيب الكمومية كيوبتات (ينطق: كيو-بت). تستغل الحواسيب الكمومية قوانين ميكانيكا الكم الموجودة في الطبيعة. وتمثل تغييرًا جوهريًا عن معالجة المعلومات التقليدية.

إليك استعارة لمساعدتك على فهم لماذا تختلف الحوسبة الكمومية اختلافًا جوهريًا عن الحوسبة التقليدية. فكّر في فن التصوير الفوتوغرافي وتقنيته قبل اختراع الفيلم الملوّن وبعده.

على سبيل المثال، تأمّل هذه الصورة بالأبيض والأسود لحقل من الزنابق وهذه الصورة الملونة لزنابق حمراء وزنبقة صفراء في حقل.

كانت ظاهرة اللون الفيزيائية موجودة في حين كان التصوير محدودًا بالتدرج الرمادي. لكن طرح سؤال "هل يمكنك تبديل الأحمر بالأصفر؟" كان سيكون عديم المعنى تمامًا، وكذلك أي محاولة للقيام بذلك.

حين اختُرع الفيلم الملوّن، انفجرت الخيارات الفنية والتقنية أمام المصورين، إذ باتوا يستطيعون التلاعب بفيزياء اللون.

تتوفر الحواسيب الكمومية الآن لأننا اكتشفنا مؤخرًا كيفية السيطرة على ما كان موجودًا في العالم طوال الوقت: الظواهر الكمومية من التراكب والتشابك والتداخل. تُوسّع هذه المكوّنات الجديدة في الحوسبة ما يمكن تصميمه في الخوارزميات. تمنحنا الحواسيب الكمومية طرقًا جديدة لرؤية المشكلات، يمكنها الكشف عن حلول لن تستطيع الحواسيب الكلاسيكية رؤيتها.

تمامًا كما أُعيدت تسمية التصوير قبل الفيلم الملوّن بـ"التصوير بالأبيض والأسود" بعد اختراع الفيلم الملوّن، احتاجت الحوسبة قبل الكم إلى اسم جديد. المصطلح الأكثر شيوعًا للحوسبة قبل الكمومية هو الحوسبة الكلاسيكية. جاءت كلمتا "كلاسيكي" و"كمومي" لتعديلا كلمة "حوسبة" لأن هذه هي الطريقة التي عدّل بها العلماء كلمة "فيزياء" بالفعل، كما في "الفيزياء الكلاسيكية" و"فيزياء الكم".

كيف تختلف الحوسبة الكمومية عن الكلاسيكية

تُجري حواسيب اليوم الحسابات وتعالج المعلومات باستخدام نموذج الحوسبة الكلاسيكي، الذي يعود إلى عمل آلان تورينج وجون فون نيومان. في هذا النموذج، يمكن اختزال جميع المعلومات في بتات تأخذ قيمة 0 أو 1، ويمكن تنفيذ جميع العمليات عبر بوابات منطقية بسيطة (AND وOR وNOT وNAND) تعمل على بت واحد أو بتين في كل مرة. في أي لحظة من الحساب، تُحدَّد حالة الحاسوب الكلاسيكي كليًا بحالات جميع بتاته، بحيث يمكن للحاسوب بـ n بت أن يكون في إحدى $2^n$ حالة ممكنة، تتراوح من 00...0 (سلسلة أصفار بطول n) إلى 11...1 (سلسلة آحاد بطول n).

في المقابل، تكمن قوة نموذج الحوسبة الكمومية في مستودعه الأغنى بكثير من الحالات. يمتلك الحاسوب الكمومي أيضًا بتات، لكن بدلًا من 0 و1، يمكن لبتاته الكمومية — الكيوبتات — تمثيل 0 أو 1 أو تركيبة من كليهما، وهي خاصية تُعرف بالتراكب. هذا بحد ذاته ليس شيئًا مميزًا، إذ إن حاسوبًا يمكن لبتاته الوقوع بين 0 و1 هو مجرد حاسوب تناظري، أقوى قليلًا من الحاسوب الرقمي العادي. غير أن الحاسوب الكمومي يستغل نوعًا خاصًا من التراكب يتيح وجود حالات منطقية عديدة تفوق التعداد الأسي في آنٍ واحد. هذا إنجاز هائل لا يستطيع أي حاسوب كلاسيكي تحقيقه. الغالبية العظمى من هذه التراكبات الكمومية، والأكثر نفعًا في الحوسبة الكمومية، هي تراكبات متشابكة — أي حالات تخص الحاسوب بأكمله ولا تتوافق مع أي تخصيص من الحالات الرقمية أو التناظرية للكيوبتات المفردة.

قد يظن المرء أن صعوبة فهم الحوسبة الكمومية تكمن في الرياضيات الصعبة، لكن رياضيًا، تفوق مفاهيم الكم مفاهيم الجبر في المرحلة الثانوية بقليل فحسب. فيزياء الكم صعبة لأنها تستلزم استيعاب أفكار بسيطة لكنها مضادة للحدس.

للحصول على فهم محادثاتي أفضل للمفاهيم الأساسية للحوسبة الكمومية، شاهد هذا الفيديو لتاليا غيرشون، مديرة البنية التحتية السحابية الهجينة في IBM Research®. تشرح غيرشون الحوسبة الكمومية على خمسة مستويات — لطفل ومراهق وطالب جامعي وطالب دراسات عليا ومحترف — لمجلة WIRED. الرجاء المشاهدة حتى الدقيقة 06:17؛ غير أنك حر في مشاهدة الفيديو كاملًا.

تحقق من فهمك

اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.

صح أم خطأ: فقط أصحاب الشهادات العليا في الرياضيات والفيزياء يمكنهم فهم مفاهيم الحوسبة الكمومية.

خطأ. بكونها أكثر تعقيدًا بقليل من جبر المرحلة الثانوية فحسب، فإن مفاهيم الكم أكثر يسرًا مما قد يعتقد المرء. صعوبتها تكمن في طبيعتها المضادة للحدس.

مبادئ المعلومات الكمومية

الكيوبتات

في الفيديو التالي، يقارن داريو جيل، مدير الأبحاث في IBM، بين الوحدة الرئيسية للمعلومات الكلاسيكية (البت) والوحدة الرئيسية للمعلومات الكمومية (الكيوبت). يرشدك إلى تصوير المبادئ الثلاثة الأساسية للحوسبة الكمومية: التراكب والتشابك والتداخل. بهذه الخصائص، يمكن تطوير خوارزميات كمومية تحل مشكلات تجارية قد تكون خارج متناول حتى أضخم الحواسيب العملاقة في العالم.

التراكب

التراكب هو مجموع أو فارق موزون لحالتين أو أكثر. كثيرًا ما يصعب على الناس تصور هذا الخليط من الحالات (كعملة معدنية مقلوبة في حالة مزيج من الوجه والظهر في آنٍ واحد). لكن ثمة حالات أسهل للتخيل — على سبيل المثال، حين تُعزف مجموعة نغمات موسيقية على الغيتار. اهتزاز الهواء لا يتوافق مع نغمة واحدة بل مع جميعها. الهواء يهتز بمزيج من الترددات المقابلة لجميع النغمات في الوتر الموسيقي. "المجموع أو الفارق الموزون" يعني أن بعض أجزاء التراكب ممثَّلة بشكل أبرز أو أخفت، كما حين تُعزف الكمان بصوت أعلى من الآلات الأخرى في رباعي وتري. التراكبات العادية أو الكلاسيكية تحدث بشكل شائع في الظواهر الكلية المتضمنة موجات. لذا قد يكون التراكب مفهومًا مألوفًا فعلًا.

ما هو غريب وخاص بالعالم الكمومي هو أنه عند قياس نظام في تراكب من الحالات، ينهار النظام إلى حالة نقية واحدة فحسب. المقابل الموسيقي سيكون عزف وتر من عدة نغمات، وإيصاله عبر الهواء إلى أذنك، لكن سماع (قياس) نغمة واحدة فقط من بين النغمات المعزوفة. لا شيء كهذا موجود في العالم الكلي.

كيف يجعل التراكب الحواسيب الكمومية مختلفة عن الكلاسيكية؟

يمكن قياس نظام من n كيوبت ليكون في إحدى $2^n$ حالة ممكنة. هذا صحيح أيضًا لبتات الحاسوب الكلاسيكي، أو لأي مجموعة من n نتيجة ثنائية. لتوضيح ذلك، لنتأمل جميع النتائج المحتملة لقلب n عملة معدنية متمايزة، كل منها ذات وجهين نسميهما "وجه" (H) و"ظهر" (T).

إذا قلبنا عملة واحدة، هناك حالتان ممكنتان: H أو T.

إذا قلبنا عملتين، هناك أربع حالات ممكنة: HH وHT وTH وTT.

لثلاث عملات، نجد ثماني حالات: HHH وHHT وHTH وHTT وTHH وTHT وTTH وTTT.

يستمر هذا النمط هكذا. في كل مرة نضيف عملة أخرى، يتضاعف عدد النتائج المحتملة. وبالتالي عدد النتائج لنظام من n متغير ثنائي هو $2^n$.

إذا كان هذا صحيحًا لكلٍّ من الحواسيب الكلاسيكية والكمومية، فما الذي يجعل الحواسيب الكمومية مميزة؟ الإجابة هي التراكب. كلٌّ من الحواسيب الكلاسيكية والكمومية يمكنه الوصول إلى فضاء من $2^n$ حالة ممكنة. لكن الحاسوب الكلاسيكي لا يمكنه إلا أن يكون في إحدى هذه الحالات في الوقت الواحد، بينما يمكن للحاسوب الكمومي أن يكون في تراكب من جميع هذه الحالات في آنٍ واحد.

لمزيد من الوضوح، افترض أنك تبحث عن الحد الأدنى للتكلفة C المرتبطة بعملية صناعية ما. تعتمد هذه العملية على متغيرات مدخلة كثيرة نرمز لها بـ $x_i$. سنفترض الآن أن هذه المتغيرات ثنائية، رغم إمكانية التعميم. على حاسوب كلاسيكي، ستحتاج إلى حساب التكلفة $C(x_i)$ لكل اختيار ممكن من $x_i$. أي ستضطر إلى إدخال 0000...00 و000...01 و000...10 وهكذا، لتشمل جميع المدخلات الممكنة. يمكن للحاسوب الكمومي أن يكون في تراكب كل هذه الحالات، بحيث يمكن تنفيذ العمليات على جميع حالات المدخلات الممكنة في آنٍ واحد.

إذا بدا هذا أفضل من أن يكون حقيقيًا، فثمة تعقيد: تذكّر أنه عند قياس النظام الكمومي، يمكننا الحصول على نتيجة واحدة فقط لا جميع النتائج من الفضاء الكامل. لذا تصبح المهمة كتابة خوارزميات تجعل الحل الأمثل (مثل أقل تكلفة وأسرع استجابة) هو الذي يُقاس في النهاية. بمعنى آخر، الحواسيب الكمومية لا تُعيد جميع الحلول الممكنة؛ بل تستكشف فضاءً من حلول كثيرة في آنٍ واحد وتُعيد (إذا نجحت الخوارزمية) الحل الأمثل باحتمالية عالية. للمشكلات ذات فضاءات الحلول الواسعة جدًا أو الخطوات الحسابية البالغة التكلفة، قد يغيّر هذا الفارق قواعد اللعبة.

الاحتمالية الكلاسيكية مقابل الكمومية؟

أي حالة كمومية تُقاس في نهاية الحساب هي احتمالية. الأوزان الموصوفة أعلاه تتوافق مع احتمالات قياس حالات مختلفة. ملاحظة تقنية: بينما يجب أن تكون الاحتمالات موجبة (أو صفرًا)، يمكن لأوزان التراكب أن تكون موجبة أو سالبة أو حتى أعدادًا مركبة. الاحتمالية هي القيمة المطلقة للوزن مربّعة: $P_i = |w_i|^2$. من المهم الإشارة إلى أن كلمة احتمالية تُستخدم أحيانًا للتعبير عن أشياء مختلفة في السياقات الكلاسيكية والكمومية. فمثلًا، إذا قلبت مجموعة من n عملة دون النظر إلى النتيجة، فكل عملة بالنسبة لك قد تكون وجهًا أو ظهرًا. قد تسمي هذا خليطًا احتماليًا من $2^n$ حالة. لكن مجموعة العملات هي في الواقع في إحدى الحالات الممكنة فقط — نحن فقط لا نعرف أيها. هذا ليس الحال في الحواسيب الكمومية. يمكن للحواسيب الكمومية تخزين بيانات تتوافق مع تراكبات من $2^n$ حالة منطقية متمايزة، في آنٍ واحد. لهذا السبب، التراكب الكمومي أقوى من الاحتمالية الكلاسيكية. الحواسيب الكمومية القادرة على تخزين بياناتها في حالة تراكب يمكنها حل بعض المشكلات بشكل أسرع أضعافًا مضاعفة من أي خوارزمية كلاسيكية معروفة.

لمعرفة المزيد، شاهد هذا الفيديو من IBM Research على يوتيوب عن العشوائية الكلاسيكية والكمومية.

التشابك

تخيّل صديقَين يحملان وشاحَين رفيعَين شفافَين يكاد يُنظر من خلالهما. أحد الوشاحين أحمر والآخر أزرق. حين يضع الصديقان الوشاحين فوق بعضهما، يبدوان معًا بلون بنفسجي. إذا أمسك الصديقان هذين الوشاحين بينهما ممتدَّين، فإن حالة الصديقين اللذَين يحملان شيئًا بنفسجيًا هي حالة محددة، رغم أنه لو انفصلا، لن يُعرف أيهما يحمل الوشاح الأزرق وأيهما الأحمر. التشابك الكمومي مماثل لهذا. حالة النظام بأكمله لها خصائص معروفة (كاللون المشترك للوشاحين)، لكن الأجزاء الفردية ليس لها خصائص محددة بوضوح (كل صديق، لا أيٌّ منهما يحمل وشاحًا بلون محدد بوضوح). هذا التشبيه غير مثالي إذ يمكن لكل صديق تحديد الأمر مسبقًا بالإمساك بوشاح بإحكام أكبر أو الإفراج عن أحدهما حين يتباعدان. في النظام الكمومي، خصائص الأجزاء غير محددة حقًا حتى يُجرى القياس.

التداخل

التداخل هو خاصية في الأنظمة الكمومية تتيح للحالات ذات الأطوار المتعارضة أن تتضخم أو تتلاشى. أحد الطرق لتخيّل التداخل هو التفكير في كيفية عمل العدسات المستقطبة في النظارات الشمسية. إذا وضعت عدستَين مستقطبتَين فوق بعضهما وبدأت بتدوير إحداهما، ستلاحظ تداخلًا بنّاءً وهدّامًا حسب كمية الضوء المحجوبة.

لمزيد من الحدس حول كيفية عمل التداخل، شاهد هذا الفيديو من الدقيقة 7:40 إلى 8:24.

تحقق من فهمك

اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.

تحتوي فيزياء الكم على بعض الأفكار المضادة للحدس، مثل: (أ) نظام فيزيائي في حالة محددة يمكنه مع ذلك أن يتصرف بشكل عشوائي. (ب) نظامان متباعدان لدرجة أنهما لا يستطيعان التأثير في بعضهما يكونان مترابطَين بشكل قوي بطريقة ما. (ج) يمكن أن توجد حالة في نظام كمومي لا يمكن وصفها كحاصل ضرب المكوّنات المستقلة للكيوبتات التي تشكّل الحالة. (د) جميع ما سبق

الإجابة الصحيحة هي "جميع ما سبق". الفكرة الأولى تتعلق بالطابع الاحتمالي للكيوبتات. الفكرتان الثانية والثالثة تنشآن في الأنظمة المتشابكة.

الدوائر الكمومية

القيمة التجارية للدوائر الكمومية

تمثّل الدوائر الكمومية مجموعة من التعليمات التي تتيح لنا التعامل مع الكيوبتات للاستفادة من التراكب والتشابك والتداخل في حل المشكلات المعقدة. شاهد الفيديو التالي لترى كيف تقارن الدوائر الكلاسيكية والكمومية وكيف يمكن للدوائر الكمومية إضافة قيمة لعملك.

تحقق من فهمك

اقرأ السؤال التالي، فكّر في إجابتك، ثم انقر على المثلث لكشف الحل.

صح أم خطأ: الدوائر الكمومية ليست أجهزة فيزيائية.

صح. الدائرة الكمومية هي تمثيل مجرد لمجموعة من التعليمات التي تُشكّل خوارزمية كمومية. يمكننا استخدام أداة بصرية مثل Composer من IBM أو لغة برمجة مثل Qiskit لبناء الدوائر الكمومية.

برمجة دائرة كمومية

ما الذي تحتاجه لبرمجة حاسوب كمومي؟ الإجابة هي Qiskit! تعلم كيفية نطق هذه الكلمة والمزيد في الفيديو التالي.

الخلاصة

يمكنك استحضار هذه النقاط الرئيسية:

• لا تزال هناك مشكلات حسابية عصية لا تستطيع الحواسيب الكلاسيكية حلها.
• توسّع الحواسيب الكمومية ما يمكن تصميمه في الخوارزميات.
• الكيوبت هو الوحدة الكمومية الأساسية للمعلومات.
• يمكن للتراكب الكمومي أن يضم حالات أكثر أضعافًا مضاعفة من التراكب الكلاسيكي.
• التراكب الكمومي أقوى من الاحتمالية الكلاسيكية لكنه أضعف من التوازي الأسي.
• في الحالة المتشابكة، النظام بأكمله في حالة محددة رغم عدم تحديد الأجزاء.