مدخل نحو الحوسبة الكمية وتاريخ تطورها

3

تعود فكرة الحوسبة الكمية إلى الفيزيائي باول بينيوف Paul Benioff والذي كان يعمل في مختبر أرجون الوطني، وهو الذي تنسب إليه أول نظرية كمية تطبيقية للحواسب، وذلك في العام 1981م، حيث طرح باول أول نظرية عن إنشاء آلات تيورية كمية Quantum Turing Machine.

الفكرة أخذت سنوات طويلة من التطور، لكن زادت الحاجة إلى مثل هذه الأجهزة بعد قضية وثائق إدوارد سنودن، حيث تقوم وكالة الأمن القومي الأمريكي حاليًا بمحاولة بناء كمبيوتر كمي مشفر بحيث يكون أسرع بكثير جدًا من أي كمبيوتر عملاق معروف حاليًا للجنس البشري، وسوف يكون من المستحيل اختراقه، وذلك بفضل بعض قوانين فيزياء الكم.

محاولات تطوير الحوسبة الكمية لم تقتصر على وكالة الأمن القومي الأمريكي فحسب، ففي سبتمبر من عام 2014، تمكن فريق من الباحثين من جامعة جنيف من تنفيذ عملية نقل كمي لجسيمات الضوء عبر الألياف البصرية مما يعد خطوة كبيرة جدا نحو تطوير الحوسبة الكمية، كما أن شركة جوجل لها عدة محاولات في هذا المجال ولعل آخرها توظيف الفيزيائي جون مارتينيز وفريقه من جامعة كاليفورنيا، للعمل على إنتاج شريحة حوسبة بقوانين الفيزياء الكميّة.

وفي هذا العام قام بعض الباحثين في المعهد القومي الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا بالتوصل إلى عمل محاكي كمي للأغراض الخاصة لحل مشكلة معينة، ويقوم هذا المحاكي للحاسوب الكمي الذي يختص بحل مشكلة علمية واحدة على تركيب مجموعة من كريستالات أيونات مادة البريليوم مع بعضها البعض، بحيث يكون الإلكترون الخارجي في كل أيون عبارة عن البت الكمية وهي وحدة التخزين الأساسية للمعلومات في الحاسوب الكمي.

أصل فكرة الحوسبة الكمية

bombe-lady

تعود الفكرة إلى ثلاثينيات القرن الماضي علي يد ألان تورينج والذي نجح في تطوير الآلة الشهيرة (آلة تورينج)، والتي كانت إرهاصًا لجهاز الحاسوب فيما بعد.

قام تورينج بنشر بحثه عام 1936، وشرح فيه نظريا كيفية استخدام شريط مغناطيسي طويل يحوي عددًا من الرموز، وتشرح النظرية القراءة والكتابة عليها، كما يمكن الانتقال على طول الشريط لقراءة جزء معين.

تستخدم الحاسبات الحالية النظام الثنائي، حيث يقوم المترجم داخل الحاسب بتحويل البرنامج المكتوب إلى مجموعة من الأصفار والأحاد، وهو المبدأ نفسه الذي تعمل عليه الآلة التي بناها تورينج إذا عملت بدون شرائط.

في العقود التالية قام جون فون نيومان بالعمل علي فكرة حاسب لديه نفس الفكرة لآلة تورينج ولكن الاختلاف في أن الحاسب الجديد يستخدم ذاكرة وصول عشوائية بدل الشرائط المغناطيسية، وقد سمى هذه العملية MANIAC، وكان ذلك في العام 1952.

vnc01

في عام 2000 طور باحثون من شركة IBM حاسبًا كميًا كان الأكثر تطورًا في ذلك الوقت، كان الحاسب يعمل بخمسة كيوبيت (qubit-5)، وهو مصمم ليسمح لخمس ذرات من الفلورين بالتفاعل سوية بوصفها كيوبيتات، وقد برمجت بواسطة موجات كهرومغناطيسية ذات تردد راديوي، ويتم الكشف عنها وقراءة بياناتها بواسطة جهاز الرنين المغناطيسي النووي NMR.

وفي نفس العام أعلن العلماء في مختبر لوس الأموس الوطني LANL عن تطويرهم حاسب كمي بسبعة كيوبيت (qubit-7)، وقد تم استخدام جهاز NMR للتعامل مع الجسيمات في أنوية جزيئات حمض الكروتونك التحولي وهو مائع خفيف يتكون من جزيئات الهيدروجين والكربون.

كيف تعمل الحواسيب الكمية

0,,17338847_303,00

يعمل الحاسوب العادي عادة بالاعتماد على خانة من نظام ثنائي ليس لها إلا احتمالين فقط وهما “0” أو “1”، وهو ما يعرف بـ “البت”. أما الحاسوب الكمي فيعتمد على “الكيوبت” وهي اختصار لـ (كوانتوم بت) أي “البت الكمي”. تتكون الـ «كيوبت» من نواة الذرة والأيونات والفوتونات أو الإلكترونات والتي تعمل معًا كأنها ذاكرة ومعالج حاسوبي.

إمكانية التراكب هذه هي التي تعطي الحواسيب الكمية القدرة على الحساب المتوازي، فبينما يقوم الحاسوب المكتبي بعمل عملية حسابية واحدة، يمكن للحاسوب الكمي أن يعمل ملايين الحسابات في نفس الوقت. وإذا أمكن صناعة الحواسيب الكمية في وقتنا الحاضر، فهذا سيتيح آفاقًا واسعة للتطبيقات التي من أشهرها كسر خوارزميات التشفير المستخدمة حالياً، مما يعرض سرية المعلومات المشفرة للخطر، ولكن يمكن أن تستخدم أيضًا في عمليات مفيدة مثل تسريع عمليات البحث في قواعد البيانات وحسابات الأرصاد الجوية.

في الوقت الحاضر أكبر حاسب كمومي لا يتعدى 16 كيوبتات، أما في المستقبل فإن حاسب كمومي 30 كيوبت سيكون قادرًا علي إجراء 10 تريليون عملية في الثانية الواحدة، كما أن من المتوقع أن تحل الحواسب الكمية محل دوائر السيليكون في المستقبل، قد يكون ذلك بعيدًا خاصة أن معظم الأبحاث في مجال الحوسبة الكمية لا تزال نظرية، يضاف لذلك مشاكل تتعلق بصغر ودقة الوصول إلي السلم الكوانتي وصعوبة المجالات المرتبطة بتطويره مثل موصلية المواد الفائقة التوصيل وتكنولوجيا النانو والالكتونيك الكوانتي إلا أن الأبحاث والدراسات في هذا المجال تعرف تقدمًا كبيرًا من قبل العلماء والمهندسين وشركات مختصة في الميدان.


المصدر: الاختراعات العربية | العلوم الحقيقة | ويكيبيديا

3