مقدمة الدورة

قبل البدء، يُرجى إكمال هذا الاستطلاع القصير قبل الدورة، الذي يُعد مهماً للمساعدة في تحسين محتوياتنا وتجربة المستخدم.

انقر أدناه للاستماع إلى مقدمة الدورة من أوليفيا لينز، أو افتح الفيديو في نافذة مستقلة على YouTube.

عن هذه الدورة

مرحباً بك في الحوسبة الكمومية في التطبيق العملي — دورة تُركز على حواسيب الكم اليوم وكيفية الاستفادة منها بأقصى إمكاناتها. تتناول حالات استخدام واقعية ذات إمكانات واعدة للحوسبة الكمومية، فضلاً عن أفضل الممارسات لتشغيل المعالجات الكمومية والتجريب بها، وذلك بالمعالجات التي تضم 100 كيوبت أو أكثر.

الفائدة الكمومية

نعيش زمناً مثيراً في مجال الحوسبة الكمومية. بعد سنوات طويلة من البحث والتطوير النظري والتجريبي، تقترب الحواسيب الكمومية من نقطة يمكنها عندها أن تبدأ في منافسة الحواسيب الكلاسيكية وتُثبت فائدتها.

الفائدة ليست الشيء ذاته كـالأفضلية الكمومية التي تعني أن الحواسيب الكمومية تتفوق على الحواسيب الكلاسيكية في المهام ذات المعنى. الحواسيب الكلاسيكية تتمتع بقوة هائلة وقدرة على التكيّف، والحقيقة أن الحواسيب الكمومية لم تتمكن بعد من التفوق عليها. رأينا عقوداً من التطورات في الحوسبة الكلاسيكية — ليس في عتاد الحوسبة فحسب، بل في خوارزميات الحواسيب الكلاسيكية أيضاً — ونستطيع أن نشهد بوضوح أن تقنية الحوسبة الرقمية الإلكترونية قد غيّرت عالمنا تغييراً جذرياً.

الحوسبة الكمومية، من ناحية أخرى، في مرحلة مختلفة من تطورها. تفرض الحوسبة الكمومية متطلبات بالغة على قدرتنا في التحكم بالأنظمة الميكانيكية الكمومية وتدفع بحدود التقنية المتاحة — ولا يمكننا بشكل واقعي توقع إتقان هذه التقنية الجديدة والتفوق على الحوسبة الكلاسيكية من اليوم الأول. لكننا نرى علامات تشير إلى أن الحواسيب الكمومية بدأت تصبح قادرة على المنافسة مع أساليب الحوسبة الكلاسيكية في مهام محددة، وهي خطوة طبيعية في التطور التكنولوجي للحوسبة الكمومية يُعرف بـالفائدة الكمومية.

مع تقدم التقنية وتطوير أساليب جديدة للحوسبة الكمومية، يمكننا توقع أن تصبح مزاياها أكثر وضوحاً بشكل متزايد — لكن هذا يستغرق وقتاً. ومع حدوث ذلك، يُرجَّح أن نشهد تفاعلاً متبادلاً مع الحوسبة الكلاسيكية: ستُنفَّذ عروض توضيحية للحوسبة الكمومية وستستجيب الحوسبة الكلاسيكية، ثم تُقدِّم الحوسبة الكمومية خطوة أخرى، وتتكرر الدورة. ويوماً ما، حين لا يُمكن الحاسوب الكلاسيكي مجاراة أداء الحاسوب الكمومي، سنفترض أننا شاهدنا أفضلية كمومية — لكن حتى آنذاك لن نكون متأكدين تماماً! فإثبات نتائج الاستحالة للحواسيب الكلاسيكية في حد ذاته مسألة بالغة الصعوبة بحسب ما نعلم.

محاكاة الطبيعة

المحاكيات الكلاسيكية — أي البرامج الحاسوبية التي تعمل على الحواسيب الكلاسيكية لمحاكاة الأنظمة الفيزيائية — يمكنها إجراء تنبؤات حول الأنظمة الميكانيكية الكمومية. لكن المحاكيات الكلاسيكية ليست كمومية ولا تستطيع محاكاة الأنظمة الكمومية مباشرةً. بدلاً من ذلك تستخدم الحسابات الرياضية للتقريب من السلوك الكمومي. ومع نمو أحجام الأنظمة المُحاكاة، تتضاعف التكاليف اللازمة لذلك بشكل كبير، مما يضع حدوداً على الأنظمة الكمومية التي يمكن محاكاتها كلاسيكياً، ومدة استغراق المحاكاة، ودقة النتائج.

الحواسيب الكمومية، من ناحية أخرى، تستطيع محاكاة الأنظمة الكمومية بشكل أكثر مباشرةً — ونتيجةً لذلك تتسع التكاليف التي تتطلبها بشكل أفضل بكثير مع نمو حجم النظام. وكانت هذه في الواقع فكرة ريتشارد فاينمان في الثمانينيات التي دفعت أولاً إلى التحقيق في إمكانات الحواسيب الكمومية. سيكون لدينا المزيد لنقوله عن هذا لاحقاً!

نشر باحثو IBM® ورقة بحثية في عام 2023 أظهرت، للمرة الأولى، أن الحاسوب الكمومي يمكنه التنافس مع التقنيات الكلاسيكية المتطورة في محاكاة نموذج فيزيائي بعينه. لا تزال نتائجه قابلةً للمجاراة باستخدام تقنيات متقدمة على الحواسيب الكلاسيكية — لكنه تفوّق على الخوارزميات العمياء، كما يوفر نقطة بيانات جديدة يمكن مقارنة أساليب المحاكاة المختلفة بها (والتي لا تكون دقيقة تماماً ولا تتفق جميعها في تنبؤاتها).

التركيز على المعالجات الكمومية الأكبر

لعل المستخدمين السابقين لعتاد IBM الكمومي لاحظوا أن المعالجات الأصغر التي أتحناها للعموم سابقاً قد أُوقفت عن العمل، مما مهّد الطريق لمعالجات أكبر (بأكثر من 100 كيوبت). كانت تلك المعالجات الأصغر يسهل محاكاتها كلاسيكياً. لذا، رغم تمثيلها لخطوات متاحة للعموم في تقنية متقدمة، كان من المستحيل أن تُظهر فائدة كمومية: فكل ما كان يمكن تنفيذه بها يمكن تنفيذه بالمحاكاة الكلاسيكية بسهولة.

عند حدود المئة كيوبت، الأمر لم يعد كذلك؛ إذ لا يمكن بعد الآن محاكاة المعالجات الكمومية بهذا الحجم كلاسيكياً. يمثل هذا تحولاً من نوع ما، إلى حقبة جديدة من تكنولوجيا الحوسبة الكمومية حيث تتوفر إمكانية التفوق على الحوسبة الكلاسيكية. هنا اختارت IBM التركيز — للبحث عن قوة الحوسبة الكمومية والسعي نحو أفضلية كمومية محتملة.

نحن نشجع مستخدمينا على استخدام هذه الأجهزة الجديدة بأقصى إمكاناتها، والتجريب بها ودفع حدودها، ونقل الدروس المستفادة إلى الجيل القادم من المعالجات الكمومية الذي يُطوَّر حالياً. الغرض من هذه الدورة تمكينك من القيام بهذا!

الجمهور المستهدف وأهداف الدورة

هذه الدورة لكل من يسعى إلى تطوير تطبيقات جديدة للحواسيب الكمومية، أو يريد توسيع نطاق عمله الحالي في الحوسبة الكمومية، أو يريد تعلم كيفية استخدام المعالجات الكمومية ضمن سير عمله. وهذا يشمل ليس فقط الفيزيائيين وعلماء الحاسوب، بل أيضاً المهندسين والكيميائيين وعلماء المواد وأي شخص مهتم بإتقان عتاد الحوسبة الكمومية.

ستكون الدورة عملية التطبيق وتتمحور حول الاستخدام الفعلي للحواسيب الكمومية. من بين الموضوعات والمهارات التي تتناولها:

• تشغيل المهام على نطاق الفائدة على المعالجات الكمومية عبر Qiskit Runtime
• استخدام تقنيات التخفيف من الأخطاء لتحسين نتائج العتاد
• مجالات التطبيق المحتملة للحواسيب الكمومية قريبة الأمد

لا تتناول هذه الدورة النظرية التمهيدية للحوسبة الكمومية، وتفترض إلماماً أساسياً بالكيوبتات والدوائر الكمومية. تتناول دورة أساسيات المعلومات الكمومية على هذه المنصة هذه المادة، وهي موصى بها كخطوة أولى لمن هم جدد في الحوسبة الكمومية.

قصة الحوسبة

الحوسبة الكمومية تقنية جديدة مثيرة في مرحلة مبكرة من تطورها — لكنها مجرد فصل واحد في قصة تمتد آلاف السنين. إنها قصة الحوسبة وارتباطاتها المتعددة الأوجه بـالعالم المادي.

أجهزة الحوسبة منذ العصور القديمة

منذ فجر التاريخ، احتجنا كبشر إلى إجراء حسابات — أو بعبارة أخرى معالجة المعلومات وفق قواعد وقيود معينة — لتمكين التواصل والبناء والتجارة والعلم وجوانب أخرى من حياتنا. استعنّا بالعالم المادي للمساعدة، ومن خلال اكتشافات بارعة صنعنا أجهزة تُعيننا على الحساب.

منذ أمد بعيد، خزّنت أجهزة مصنوعة من الخشب والعظام والحبال المعقودة المعلوماتِ وسهّلت الحسابات. وتقدّمت الأجهزة الميكانيكية المبنية من الرافعات والتروس وآليات أخرى من الساعات الفلكية المبكرة، إلى الآلات الحاسبة، إلى أجهزة الحوسبة المتطورة كالمحللات التفاضلية التي حلّت المعادلات باستخدام العجلات والأقراص الدوّارة. بل لعبت تقنية الكتابة دوراً مهماً في هذه القصة بتمكين البشر من إجراء حسابات ما كانوا ليتمكنوا منها لولاها.

حين نفكر في الحواسيب اليوم، نميل إلى التفكير في الحواسيب الرقمية الإلكترونية. لكن هذه في الواقع تقنية حديثة نسبياً: بُنيت الحواسيب الرقمية الإلكترونية لأول مرة في أربعينيات القرن الماضي. (في المقابل، يُعتقد أن المعداد السومري اخترع في مكان ما بين عامَي 2700 و2300 قبل الميلاد.) تقدمت التقنية تقدماً هائلاً منذ ذلك الحين وأصبحت الحواسيب في كل مكان. نجدها في المنازل وأماكن العمل والمركبات التي تنقلنا بينها، ويحمل كثير منا حواسيب معه أينما ذهب.

لدينا أيضاً الحواسيب العملاقة، وهي مجموعات كبيرة من المعالجات الكلاسيكية القوية المتصلة بشكل متوازٍ. إنها من بين أفضل الأدوات التي بناها الإنسان على الإطلاق لحل المشكلات الصعبة، وتتواصل قوتها وموثوقيتها في التطور. لكن لا تزال هناك مسائل حسابية مهمة حتى هذه العمالقة لن تتمكن أبداً من حلها، بسبب الصعوبة الحسابية الجوهرية لهذه المسائل.

الروابط بالعالم المادي

للحواسيب استخدامات كثيرة. أحد الاستخدامات المهمة هو التعلم عن العالم المادي وفهم أنماطه بشكل أفضل. من الاستخدامات التاريخية في هذا السياق: التنبؤ بالكسوف والمد والجزر، وفهم حركة الأجرام السماوية، و(في أوقات أكثر حداثة) محاكاة الانفجارات. واليوم لا تكاد توجد مختبر فيزياء في العالم بلا حاسوب.

بشكل أعم، ارتبطت الفيزياء والحوسبة دائماً ببعض. لا يمكن للحوسبة أن توجد في فراغ: تحتاج المعلومات إلى وسيط، وللحساب نحتاج إلى تسخير العالم المادي بطريقة ما. أدرك رولف لانداور، عالم الحاسوب (والعامل في IBM)، منذ عقود أن المعلومات مادية، إذ توجد فقط من خلال تمثيل فيزيائي. مبدأ لانداور يُرسّخ صلة بين المعلومات وقوانين الديناميكا الحرارية، لكن في الواقع ثمة صلات كثيرة.

فهم العالم المادي هو هدف الفيزياء كتخصص، لكنه في الحقيقة علاقة ذات اتجاهين. من خلال فهمنا للعالم المادي، نستطيع تسخير تقنيات جديدة لمساعدتنا على الحساب، ومن خلالها نواصل التعلم عن العالم المادي — رافعين الفيزياء والتقنية الحسابية بأنفسهما في حلقة متصاعدة.

قانون مور

قانون مور ملاحظة مفادها أن الحد الأقصى لعدد الترانزستورات في الدائرة المتكاملة يتضاعف كل عامَين تقريباً. على مدار الخمسة عقود الماضية تقريباً، لم نقتصر على رصد هذا الاتجاه بل جنينا ثماره أيضاً. بوجود مزيد من الترانزستورات على الشريحة يمكننا إجراء حسابات أكثر تعقيداً وأسرع. هذا هو السبب في ازدياد قوة الحواسيب بمرور الوقت.

غير أن "قانون" مور يقترب بالضرورة من نهايته. يختلف الخبراء على موعد ذلك، ويرى بعضهم أن ذلك قد حدث بالفعل. لكننا على يقين من أنه لا بد أن ينتهي لأن ثمة حداً نظرياً لتصغير مكونات الحوسبة. لا يمكننا صنع ترانزستور أصغر من ذرة! وقد يبدو هذا مبالغاً فيه، لكن هذا هو الجدار الذي نقترب منه.

الحل ليس الاستسلام والقول "حسناً، هذا أقصى ما يمكن بلوغه". هذا يتناقض مع الطبيعة البشرية. بدلاً من ذلك علينا البحث في العالم المادي عن أدوات حسابية جديدة، وهنا يأتي دور الحوسبة الكمومية.

الحوسبة الكمومية

ميكانيكا الكم والحوسبة

اكتُشفت ميكانيكا الكم في مطلع القرن العشرين، وقد أدّت بالفعل دوراً مهماً في الحوسبة. وقد أسهم فهمنا لميكانيكا الكم جزئياً في إتاحة الحواسيب الحديثة. فبدون ميكانيكا الكم، يصعب تصور أن محرك الأقراص الصلبة الحالة ما كان ليُخترع.

الحوسبة الكمومية نظرياً

حين اقترح ريتشارد فاينمان فكرة الحاسوب الكمومي في عام 1982، كان تركيزه على محاكاة الأنظمة الميكانيكية الكمومية. بدت الحسابات اللازمة لذلك أعسر من أن تتحملها الحواسيب العادية — لكن ربما بحاسوب يعمل وفق وصف كمومي للعالم، يمكن محاكاة هذه الأنظمة مباشرةً.

هذا اليوم أحد أكثر المسارات الواعدة للحوسبة الكمومية. بحسب أفضل فهمنا، الطبيعة ليست كلاسيكية — بل هي كمومية. وهكذا، قد تكون الحواسيب الكمومية أدوات قيّمة لفهمها. الحواسيب الكلاسيكية، من ناحية أخرى، تستطيع فقط تقريب ما يجري فعلاً في الطبيعة، وفي بعض الأحيان تكون تلك التقريبات محدودة للغاية.

إحدى طرق التفكير في هذا من خلال قياس نفق الرياح. ديناميكيات الموائع من المسائل الشهيرة بصعوبة محاكاتها والتنبؤ بها رياضياً. فمثلاً، تكلفة محاكاة سيارة تسير في الرياح باهظة وغير عملية، لذا يبني صانعو السيارات فعلياً أنفاقاً بالرياح ويقودون السيارات عبرها لاختبار أدائها. أي أنهم يصنعون الريح بدلاً من محاكاتها. بناء حاسوب كمومي لدراسة العالم المادي يشبه بناء نفق رياح لدراسة تأثير الرياح على السيارات. يمكن للحواسيب الكمومية محاكاة قوانين الطبيعة مباشرةً على المستوى الجزيئي لأنها تعمل وفقاً لتلك القوانين، أي أنها تحاكي الطبيعة بدلاً من محاكاتها عبر المعادلات والحسابات.

تبنّى آخرون أفكار فاينمان وربطوها بنظرية المعلومات الكمومية التي كانت قيد التطوير آنذاك. وُلد مجال المعلومات والحوسبة الكمومية. وتطوّر منذ ذلك الحين ليصبح مجالاً دراسياً ثرياً متعدد التخصصات، وتم تحديد مزايا عديدة للكم على الكلاسيك في المعلومات والحوسبة في مجموعة واسعة من السياقات النظرية التي تتعلق بالاتصالات والحوسبة والتشفير.

الحوسبة الكمومية في التطبيق العملي

من الناحية العملية، يلزم شيئان لنقل هذا النوع من المزايا النظرية إلى مزايا حقيقية في العالم الواقعي: الأجهزة نفسها والمنهجيات اللازمة لاستطلاع إمكاناتها.

على خلاف الحواسيب الكلاسيكية، لا أحد يضع حاسوباً كمومياً في جيبه. حتى وقت قريب جداً، إذا أردت التجريب بحاسوب كمومي، كان عليك بناؤه والحفاظ عليه بنفسك (عادةً في مختبر جامعي أو مرفق بحثي محزن في قبو)، ولم تكن لديك سوى كيوبتات قليلة جداً ومليئة بالضوضاء في أحسن الأحوال. لم يعد هذا صحيحاً بعد الآن. في عام 2016، وضعت IBM Quantum® أول معالج كمومي على الحوسبة السحابية. كان يحتوي على 5 كيوبتات فقط ومعدلات خطأ مرتفعة نسبياً، لكننا قطعنا شوطاً طويلاً منذ ذلك الحين. سنلخص الوضع الراهن للتقنية في قسم لاحق.

إلى جانب بناء الحواسيب الكمومية، نحتاج أيضاً إلى تطوير منهجيات لاستخدامها بفاعلية. بينما تُلمح التطورات النظرية في خوارزميات الكم والبروتوكولات إلى إمكانات قوية، لا تزال تحديات إيجاد استخدامات عملية للحوسبة الكمومية أمامنا. لا تستطيع حواسيب الكم اليوم تنفيذ الحسابات المقاومة للأخطاء اللازمة لنقل المزايا النظرية المعروفة إلى مزايا عملية. لكنها تتجاوز ما تستطيع محاكاته الحواسيب الكلاسيكية، وقد نسعى للاستفادة من هذه الحقيقة في القدرة الحسابية.

مع هذه التطورات نجد أنفسنا بأداة جديدة للحوسبة، وعلينا أن نكتشف ما يمكن فعله بها.

التطبيقات المحتملة

لا يُتوقع أن تكون الحوسبة الكمومية مفيدة لدراسة أداء السيارات في الرياح. لكن ثمة عمليات فيزيائية أخرى — كتلك المتعلقة بتصميم البطاريات أو التفاعلات الكيميائية المعينة — حيث قد تُفضي قدرة الحاسوب الكمومي على محاكاة الطبيعة إلى أفضلية كمومية. بشكل أعم، هناك مسائل كثيرة شديدة الصعوبة أو التكلفة حتى على أحدث الحواسيب العملاقة، بما في ذلك مسائل ذات صلة وثيقة بمجتمعنا. الحوسبة الكمومية لن تقدم حلولاً لجميعها، لكنها قد تقدم حلولاً للبعض.

تمثل المجالات الثلاثة للتطبيقات التالية أهدافاً في مجال الحوسبة الكمومية الصاخبة، قبل تطبيق تصحيح الأخطاء الكمومية والتسامح مع الأخطاء:

• التحسين
• محاكاة الطبيعة
• إيجاد البنية في البيانات (بما في ذلك تعلم الآلة)

سنناقش هذه الموضوعات بمزيد من التفصيل لاحقاً في الدورة.

حالة التقنية

بناء الحواسيب الكمومية تحدٍّ تكنولوجي صعب، ولم تمضِ سوى 8 سنوات منذ إتاحة حواسيب كمومية صغيرة للعموم. في تلك السنوات الثماني، أحرزنا تقدماً على جبهات عديدة.

تُتاح الآن معالجات IBM الكمومية العديدة عبر السحابة الإلكترونية، وجميعها تحتوي على أكثر من 100 كيوبت. لكن ليس حجم المعالجات وحده هو المهم — فهذا مجرد مقياس واحد نهتم به. تحسّنت جودة البوابات بشكل كبير أيضاً، كما أدخلنا أساليب للحد من الأخطاء الجوهرية للأنظمة الكمومية وتخفيفها، حتى بينما ندفع قُدُماً نحو إنشاء أنظمة مقاومة للأخطاء. ثلاثة مقاييس أساسية — الحجم والجودة والسرعة — حيوية لتتبع تحسّن الأداء.

• الحجم. المزيد من الكيوبتات أفضل بالطبع، ولكن فقط إذا لم يؤدِّ زيادة العدد إلى تدهور الأداء (وقد يكون الأمر كذلك). في الواقع، نريد مزيداً من الكيوبتات عالية الجودة التي لا تتداخل مع بعضها عبر التحدث المتقاطع حين لا نريد ذلك. الطريقة التي يتصل بها الكيوبتات بعضها ببعض مهمة أيضاً، وتحديد أفضل طريقة للقيام بذلك يمثل تحدياً لدوائر الكيوبتات فوق الموصلة.

• الجودة. مقياس مهم آخر نرصده لتتبع تحسّن الأداء بمرور الوقت هو دقة بوابات 2 كيوبت. البوابات التي تعمل على كيوبت واحد ليست عرضة للأخطاء بقدر بوابات 2 كيوبت، وهي لذلك المصدر الأكبر للقلق. (بوابات 2 كيوبت ضرورية أيضاً لأنها مسؤولة عن إنشاء التشابك بين الكيوبتات، وهو ما يُفترض أنه أحد ظاهرات الفيزياء التي تمنح الحوسبة الكمومية قوتها.)

• السرعة. أخيراً السرعة والكفاءة. باختصار، ينبغي أن يكون الوقت المستغرق في تشغيل برنامج (بما يشمل الأجزاء الكمومية والكلاسيكية) قصيراً قدر الإمكان.

الخلاصة

هذا بحق وقت مثير للعمل في مجال الحوسبة الكمومية: لأول مرة في التاريخ يمكننا بدء استكشاف منطقة في الحوسبة تتجاوز الحوسبة الكلاسيكية.

تنبّأ ت. جي. واتسون ذات يوم بصورة مثيرة للدهشة بسوق عالمي لا يتسع سوى لعدد قليل من الحواسيب. قد نضحك الآن على مدى ابتعاده عن الصواب — لكن علينا إذ نفعل ذلك أن ندرك أننا نتمتع بميزة الرؤية بعد الوقوع. وينبغي أن ندرك أيضاً أننا كبشر نميل عموماً إلى الاستهانة بشكل فادح بإمكانات التقنيات المستقبلية. الآن وقد حان دورنا ونتولى أدوار الرواد الأوائل في الحوسبة الكمومية، ينبغي أن نتذكر هذا.

كثيراً ما تُقارن الحوسبة الكمومية بالحوسبة الكلاسيكية باعتبارها شيئاً مختلفاً تماماً عنها وفي تنافس معها. لكن من منظور أشمل يمكننا رؤية الحوسبة الكمومية كمجرد فصل آخر في قصة طويلة. طبيعتنا كبشر أن نسعى إلى إيجاد طرق جديدة للحوسبة والاستفادة من القوة التي يمنحنا إياها العالم الطبيعي للقيام بذلك. وقد ظللنا نفعل هذا لقرون. تمنحنا الحوسبة الكمومية أداةً جديدة في هذا المسعى وعلينا أن نكتشف كيف نستثمر القوة التي تتيحها لنا.