الماضي والحاضر والمستقبل لأجهزة الكمبيوتر الكمومية

الكمبيوتر الكمي موجود ويعمل بالفعل. ومع ذلك، تستمر تكنولوجيا الحوسبة في التحسن. ما هي المهام التي يعمل عليها المطورون الآن، وما هي الصعوبات التي يواجهونها على طول الطريق، وما هي التقنيات الكمومية التي تنتظرنا في المستقبل القريب؟

أخبر أحد المبدعين موقع Science عن هذا أقوى كمبيوتر كمي في روسيا الكسندر بوريسينكو — مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، باحث رئيسي في مجموعة “القياسات الكمية الدقيقة” بمركز الكم الروسي وباحث في مختبر “بصريات الأنظمة الكمية المعقدة” بالمعهد الفيزيائي الذي سمي باسمه. ب.ن. ليبيديف راس.

الماضي الكمي: لماذا لم ينتشر الكمبيوتر الكمومي بعد؟

إن بناء حاسوب كمي هو عملية مستمرة. يريد المطورون دائمًا أكثر مما لديهم الآن. نحن نعمل على تحسين التكنولوجيا عاما بعد عام. لقد حدث الكثير خلال السنوات الخمس الماضية. يزداد عدد البتات الكمومية تدريجيًا (الكيوبت هو وحدة المعلومات الأساسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية، وقد تحدثنا أكثر عن بنية الكمبيوتر الكمي والمفاهيم الأساسية لفيزياء الكم في مقال “ما هو الكمبيوتر الكمي وكيف يعمل؟” – إد. ملحوظة.).

لا يقاتل المطورون فقط من أجل عدد الكيوبتات، ولكن أيضًا من أجل جودتها: إن ما يسمى بالحجم الكمي مهم بالنسبة لنا. ومن حيث الجودة، فإن التقدم ملحوظ أيضًا – كانت هناك زيادة في موثوقية الحسابات.

ماذا حدث أيضًا؟ أظهرت الميزة الكمومية. في بعض المسائل التركيبية، تبين أن الكمبيوتر الكمي يتمتع بقدرة أكبر، أي أنه يمكنه حل بعض المشكلات بشكل أسرع من الكمبيوتر الكلاسيكي. وهذه خطوة كبيرة تم اتخاذها.

في عام 2019، توصلت شركة Google إلى مشكلة اصطناعية يمكن حلها على أجهزة الكمبيوتر الخاصة بها في بضع دقائق، لكن الكمبيوتر الكلاسيكي يستغرق آلاف السنين. صحيح أنه بعد فترة خرج لاعبون آخرون وقالوا: “لقد توصلنا إلى خوارزمية تحل هذه المشكلة بشكل أسرع باستخدام جهاز كمبيوتر كلاسيكي”. يمكن أن يقال ذلك هناك نوع من الصراع الدائر بين مبرمجي الحواسيب الكمية والكلاسيكية. يقدم المطورون المهام التي يتم حلها بشكل أكثر فعالية لنظام معين.

هذه المسابقات تحدث في كل وقت. وإذا تبين في بعض السنوات أنه تم حل المشكلة بشكل أسرع على جهاز كمبيوتر كمي، فهذا لا يعني أنه في غضون عامين لن يتم اختراع خوارزمية كلاسيكية ستحل نفس المشكلة بسرعة. وهذا يعني أن التفوق الكمي قد يتبين أنه مؤقت.

يناقش المجتمع العلمي بنشاط مفاهيم الميزة الكمية والتفوق الكمي المفيد. في حين تم بالفعل إثبات الأول بنجاح، لم يتم إثبات الثاني بعد: من الضروري أن يتمكن الكمبيوتر الكمي من حل المشكلات المهمة عمليًا بشكل أسرع من الأنظمة الكلاسيكية.

ملحوظة:

تتمثل الميزة الكمومية في حل مشكلة مفيدة عمليًا باستخدام جهاز كمبيوتر كمي بشكل أسرع من استخدام جهاز كمبيوتر كلاسيكي فقط.

التفوق الكمي هو الموقف الذي يتم فيه تنفيذ مهمة حسابية باستخدام كمبيوتر كمي بشكل أسرع بكثير من استخدام كمبيوتر كلاسيكي. قد تكون المهمة متخصصة للغاية وليست مفيدة بالضرورة في الممارسة العملية.

الإنجاز الرئيسي في السنوات الأخيرة هو أنه تم إثبات الكيوبتات المنطقية على الموصلات الفائقة والأيونات والذرات المحايدة. هذا هو الكيوبت المثالي، المحمي من التأثيرات الخارجية باستخدام خوارزميات التصحيح. يعد الانتقال من الكيوبتات المادية إلى الكيوبتات المنطقية إنجازًا كبيرًا جدًا للحوسبة الكمومية.

هل هذا صحيح، لا يزال هناك عدد قليل جدًا من هذه البتات الكمومية المثالية: وحدات القطع للنظام بأكمله. يمكن تشكيل كيوبت منطقي واحد من عشرات أو حتى مئات من الكيوبتات الفيزيائية العادية. ولحل المسائل المفيدة، ستحتاج إلى حوالي ألف أو عشرات الآلاف من الكيوبتات المنطقية.

الحاضر: ما الذي يجري العمل عليه في مختبرات الكم؟

في الوقت الحالي، يواجه المطورون وتتمثل المهمة في زيادة عدد الكيوبتات وتقليل كمية الضوضاء في النظام. ومن الضروري أن تكون الكيوبتات بلا ضوضاء، أي ألا يكون هناك أي إزعاج خارجي يفسد جودتها.

سامي سجلات الكيوبت مصغرة للغاية ومعقدة وهشة. فمن ناحية، يجب عزلها عن التفاعل الخارجي حتى لا تكون هناك اضطرابات من العوامل الخارجية: الأشعة الكونية، وتقلبات المجال المغناطيسي، والمجال الكهربائي. ومن ناحية أخرى، يجب أن تكون قادرًا على التفاعل معهم. اتضح، نحن نواجه مهمتين متناقضتين: نحن بحاجة إلى عزلهم وفي نفس الوقت القدرة على التفاعل معهم بطريقة هادفة ودقيقة.. ولذلك، فإن هذه الأنظمة تتطلب دراسة مفصلة.

وبالطبع، يريد المبرمجون الحصول على العديد من الكيوبتات المنطقية الحقيقية المحمية من الضوضاء. إذا كان هناك ما لا يقل عن ألف منهم، ثم سيكون من الممكن أخيرًا البدء في حل المشكلات العملية المفيدة باستخدام الخوارزميات الحالية.

والخبر السار هو أنه لا توجد قيود أساسية تنص على أنه من المستحيل إنشاء مثل هذه الآلات القوية التي من شأنها أن تحل المشاكل العملية. بالضبط ولهذا السبب يستثمر الجميع بنشاط في هذه التطورات. ويبدو أننا سنبني مثل هذه الأنظمة خلال فترة قصيرة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك مكافآت مرتبطة: هناك حافز جيد لتطوير المجالات ذات الصلة. على سبيل المثال، أثناء البحث في الحوسبة الكمومية، تتطور المجالات المتعلقة بالتشفير الكمي بسرعة كبيرة. عندما كان هناك حديث عن أنه في غضون خمس سنوات سيكون لدينا كمبيوتر كمي يمكنه كسر أنظمة التشفير الكلاسيكية، بدأ الجميع في الاستثمار وتطوير التشفير أيضًا. إما أن التشفير الكمي أو التشفير ما بعد الكمي قيد الاستخدام بالفعلوالتي لا يمكن اختراقها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تم إنشاؤها.

مستقبلنا الكمي: كيف سيكون؟

الكمبيوتر الكمي للمستقبل هو مسألة السنوات الخمس إلى العشر القادمة.

يبدو أنه سيكون كذلك الأنظمة السحابية عبر الإنترنت: يتم إرسال جزء من الحسابات إلى الخادم، وعلى الخادم يتم توزيع المهمة جزئيًا على النظام الكلاسيكي، وجزئيًا على النظام الكمي. لا يتم تنفيذ المهمة بشكل كامل على الحاسوب الكمي، لأن كل نظام من هذه الأنظمة – الكلاسيكية والكمية – له نقاط قوة ونقاط ضعف خاصة به، ومن المنطقي تقسيم المهام إلى مهام فرعية.

وعلى الأغلب ستشارك مراكز حوسبة كبيرة في عملية الحوسبة، حيث توجد الأنظمة التقليدية والكمية، ويتم توزيع المهام فيما بينها وإجراء حسابات متوازية على كلا النظامين. وثم يتم دمج النتائج وإرسالها إلى المستخدم على جهاز كمبيوتر كلاسيكي أو، على سبيل المثال، على الهاتف.

في الواقع، تمتلك روسيا بالفعل منصة سحابية متصلة بالعديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. عليهم، تؤدي المجموعات العلمية مهامهم التي تهمهم. لكن هذا لن يكون ممكنا إلا عندما يكون لدينا، نحن العلماء، الوقت الكافي لتخصيص مكان حاسوبي للباحثين من معاهد أخرى.

ولجعل هذه المنصة مستخدمة على نطاق أوسع، يجب تصنيع العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية. سيسمح لك هذا بتعديل بعض الأنظمة ودراستها في الوقت نفسه، وإجراء العمليات الحسابية على أنظمة أخرى على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. وهذا ما نسعى جاهدين من أجله.

كما ذكرت سابقًا، فإن الكيوبتات المنطقية المحمية من الضوضاء لها أهمية خاصة. هدفنا هو إنشاء حوالي ألف من هذه البتات الكمومية للتعامل مع المهام المهمة عمليًا. عندما نحقق هذا الهدف، سنكون قادرين على حل المشكلات المفيدة حقًا باستخدام هذه التقنيات. كل هذا لم يأت بعد.