الحوسبة
QNodeOS: أول نظام تشغيل يثوّر الشبكات الكمومية
الارتفاع المفاجئ للحوسبة الكمومية
حققت الحوسبة الكمومية تقدمًا ملحوظًا في الأشهر الأخيرة.
بدأ ذلك بـ Willow من Google في ديسمبر 2024، ربما أول شريحة كمومية قابلة للتوسع على الإطلاق. ثم تلا ذلك خبر أول حوسبة كمومية موزَّعة عبر رابط شبكة بصرية، مما فتح الطريق لربط الحواسيب الكمومية كما تُربط الحواسيب العادية في الخوادم المخصصة.
ثم جاء دور دور مايكروسوفت، مع شريحة Majorana 1 التي تستخدم حالة مادة جديدة كليًا، الموصلات الطوبولوجية.
كما أصبح واضحًا أن الطريق يُفتح لربط عدة حواسيب كمومية معًا.
مع وجود شرائح أكثر قوة وموثوقية، ومزيد من الترابط، من الواضح أن قدرة الحوسبة للأنظمة الكمومية ستنقلب قريبًا.
المرحلة التالية للحوسبة الكمومية
مع حل مشكلات الأجهزة، سيخوض قطاع الحوسبة الكمومية مراحل مشابهة لتلك التي مرت بها الحوسبة التقليدية. وهذا يعني أننا نخرج من عصر الأجهزة التجريبية والأنظمة المتخصصة للغاية والمصممة حسب الطلب كما في الأربعينيات والخمسينيات، وندخل مرحلة التسويق.
سيُميز ذلك بـ:
- عصر بناء الحواسيب المركزية التشغيلية، حيث تُستخدم الحواسيب الضخمة في الغالب للبحث أو الدفاع أو الأغراض التجارية.
- تُكتشف تطبيقات جديدة لهذه الأجهزة تقريبًا يوميًا.
- تطوير لغات البرمجة وأنظمة التشغيل وغيرها من الأدوات لاستغلال قدرة الحوسبة للحواسيب المركزية الكمومية بشكل أفضل.
خطوة ثابتة في هذا الاتجاه اتخذها باحثون في جامعة دلفت للتكنولوجيا (هولندا)، وجامعة إنسبروك (النمسا)، وجامعة السوربون (فرنسا)، ومدرسة النورمال العليا (فرنسا)، من خلال إنشاء نظام تشغيل كمومي (OS)1.
نُشر هذا العمل في المراجعة المرموقة Nature، تحت العنوان “نظام تشغيل لتنفيذ التطبيقات على عقد الشبكة الكمومية”.
تم إنشاء هذا المشروع تحت تحالف الإنترنت الكمومي (QIA)، وهي مبادرة أوروبية تهدف إلى إنشاء نموذج أولي لشبكة إنترنت كمومية.
جعل الحوسبة الكمومية في متناول الجميع
كانت أول الحواسيب تُبرمج بواسطة متخصصين إلكترونيين، كانوا يفهمون تفاصيل الأنابيب المفرغة ومكونات الأجهزة للحواسيب المركزية الأولى.
تغير ذلك، حيث أصبحت البرمجة مجالًا مستقلاً تدريجيًا، ولم يعد على المبرمجين فهم كيفية عمل الحاسوب لتشغيل الحسابات.
نظرًا لتعقيد أنظمة الحوسبة الكمومية، وصولًا إلى اختراع حالة مادة جديدة تمامًا في حالة Majorana 1، من المعقول توقع أن يحتاج المبرمجون إلى مجموعة مماثلة من الأدوات للتعامل مع برمجة الحواسيب الكمومية.
هذا صحيح بشكل خاص لأن معظم تطبيقات الحوسبة الكمومية تتعلق بعلوم معقدة مثل الأحياء والفيزياء وعلوم المواد والكيمياء والتشفير، إلخ. لذا من غير المعقول أن يُتوقع من العلماء الذين يجب أن يبقوا في صدارة تخصصهم أن يصبحوا أيضًا خبراء في الأجهزة الكمومية.
“النظام يشبه البرنامج على حاسوبك في المنزل: لا تحتاج إلى معرفة كيفية عمل الأجهزة لاستخدامه.
من خلال إزالة الحاجز بين أجهزة الشبكات والبرمجيات، سيسمح نظام التشغيل للمطورين بإنشاء التطبيقات بسهولة وعلى مجموعة واسعة من حلول الأجهزة.
تجاهل الأجهزة
كان ربط الحواسيب الكمومية حتى الآن على مستوى الأجهزة، تحقيق تشابك الجسيمات عبر شبكة من الألياف الضوئية والانتقال الكمومي.
لكي تكون مفيدة حقًا، ستحتاج الشبكة الكمومية إلى مستوى ربط غير معتمد على الأجهزة، يشبه إلى حد كبير طريقة تفاعل الحواسيب الحالية مع بعضها عبر نقل الرسائل.
المصدر: Nature
لذلك أنشأ الباحثون QNodeOS، نظام تشغيل مخصص لـ “التواصل” مع الأجهزة الكمومية وجعل البرمجة والتفاعل عبر طرق الشبكات العادية ممكنًا.
“هدف بحثنا هو إتاحة تقنية الشبكة الكمومية للجميع. مع QNodeOS نخطو خطوة كبيرة إلى الأمام. نجعل من الممكن – للمرة الأولى – برمجة وتنفيذ التطبيقات على شبكة كمومية بسهولة.
عملنا يخلق أيضًا إطارًا يفتح مجالات جديدة تمامًا في أبحاث علوم الحوسبة الكمومية.
الأستاذة الدكتورة ستيفاني وينر – أستاذة علوم الحوسبة الكمومية في جامعة TU Delft
السبب في تجاهل نوع الأجهزة المستخدمة هو أن الإنترنت الكمومي الحقيقي سيشمل على الأرجح تقنيات متعددة غير مرتبطة، كما يحدث في الإنترنت الحالي بين الحواسيب الشخصية، وأجهزة ماك، والهواتف الذكية، والخوادم، إلخ.
فقط من خلال إنشاء طبقة وسيطة من التجريد، تعمل مع جميع الأجهزة الكمومية، يمكن تحقيق مستوى من التوحيد والتفاعلات بشكل دائم.
اختبر الباحثون طرقهم بربط عقدتين شبكتين كمومتين تعتمد على مراكز النيتروجين-الفراغ (NV) في الألماس. ثم أضافوا برنامج تشغيل إضافي لـ QNodeOS لعقدة شبكة كمومية معتمدة على أيون محاصر مبنية على ذرة واحدة من 40Ca+.
“معالجات الأيون المحاصر لدينا تعمل بشكل مختلف جذريًا عن تلك المعتمدة على مراكز اللون في الألماس، ومع ذلك أظهرنا أن QNodeOS يمكنه العمل مع كلا النوعين.”
بناء نظام تشغيل كمومي
جدولة الحساب الكمومي
مشكلة رئيسية لأي تفاعل بين الحوسبة الكلاسيكية والكمومية في شبكة هي اختلاف مقاييس الزمن.
ستكون مدة الاستجابة في الشبكات بالميلي ثانية؛ بينما تمتلك الحواسيب الكمومية زمن معالجة بالميكروثانية (ألف مرة أقصر) وتحتاج إلى دقة بالنانوثانية للتحكم في الحساب الكمومي (مليون مرة أقصر).
نفس مشكلة الإطار الزمني تنطبق على احتفاظ الذاكرة، حيث تفقد معظم الأنظمة الكمومية خصائصها الكمومية أسرع بكثير من الحواسيب الكلاسيكية.
لهذا السبب، يحتاج نظام تشغيل كمومي إلى جدولة دقيقة للغاية لتوقيت تحفيز التشابك في كل عقدة من الشبكة بواسطة الحواسيب الكمومية.
في النهاية، يعني ذلك أن تنفيذ العمليات الكمومية المحلية سيعتمد على جدول الشبكة.
على الرغم من أن المفهوم بسيط نسبيًا، فإن تطبيقه عمليًا ليس سهلًا على الإطلاق.
المصدر: Nature
حساب كمومي متعدد المهام
نظرًا لأن شريحة كمومية فردية ستظل خاملة معظم الوقت، في انتظار تزامن استجابة الشبكة مع عقد كمومية أخرى، فإن أفضل استخدام للأجهزة هو تشغيلها على مهام متعددة بالتوازي.
وإلا، سيُعوض القدرة الحوسبية الإضافية من الشبكة بمعدل استخدام منخفض جدًا للأجهزة المكلفة.
لذلك، يجب أن يكون نظام تشغيل كمومي وظيفيًا قادرًا ليس فقط على جدولة مجموعة واحدة من الحسابات بل على معالجة العديد من البرامج بالتوازي، بما في ذلك العمليات وإدارة الذاكرة الكمومية وطلبات التشابك.
المصدر: Nature
التطبيقات المستقبلية
من خلال توفير طبقة برمجية مشتركة متوافقة مع مختلف أجهزة الحوسبة الكمومية، يُعد QNodeOS خطوة أولى مهمة في توسيع الحوسبة الكمومية من المختبرات إلى التطبيقات العملية.
بالاشتراك مع SDK (مجموعة تطوير البرمجيات) من شركات الحوسبة الكمومية، من المحتمل أن تكون هذه الأساس للتطبيقات الكمومية الأولى الصديقة للمطورين. وهذا بدوره سيساعد على تعميم استخدام الحوسبة الكمومية خارج مجموعة المتخصصين الضيقة، إلى جميع المحللين والباحثين المهتمين باستغلال هذا الشكل الخاص من الحوسبة في أعمالهم.
الاستثمار في الحوسبة الكمومية
IonQ
(IONQ )
IonQ هي شركة حوسبة كمومية تستخدم تقنية الأيون المحاصر، تأسست على يد علماء رائدين في المجال من جامعة ماريلاند وجامعة ديوك. تم إدراجها في البورصة العامة (NYSE) في عام 2021.
منصات الحوسبة الكمومية من IonQ قادرة على إنتاج نتيجة بدقة 99.9٪. تستخدم حاليًا سلسلة من 64 أيون باريوم، تنتج 36 كيوبيت خوارزمي (AQ).
تسمح بنية السلسلة بحوسبة أسرع بكثير مقارنةً بتصاميم الأيون المحاصر الأخرى دون فقدان الدقة. وهذا يأتي بالإضافة إلى أن الأيون المحاصر هو الأكثر موثوقيةً بين تصاميم الحواسيب الكمومية.
المصدر: IonQ
استحوذت IonQ على Qubitekk في يناير 2025، مضيفةً إلى عملياتها فريق الشركة و118 براءة اختراع. تتخصص Qubitekk في الشبكات الكمومية، باستخدام الوصلات الضوئية، وتمكين التجمعات الكمومية، وتطوير قدرات الإنترنت الكمومي.
يجب أن تسهل الشبكات الكمومية الاتصالات الآمنة للغاية وتتيح في النهاية الحوسبة الكمومية الموزَّعة. وبالنظر إلى السرعة التي يتقدم بها المجال، قد تكون الخبرة والحقوق الفكرية في هذا الموضوع حاسمة لمستقبل IonQ.
تعمل IonQ على تطوير شراكة مع NKT Photonics (NKT.CO) للمساعدة في تطوير حواسيب كمومية جاهزة لمراكز البيانات في المستقبل.
كما تتعاون مع Imec في الدوائر المتكاملة الضوئية وتكنولوجيا فخ الأيون على مستوى الرقاقة لتوسيع عدد الكيوبيتات وحجم النظام وتكاليفه.
بدلاً من تطوير مجموعة تطوير البرمجيات (SDK) الخاصة بها، تدعم الشركة جميع المجموعات الرئيسية في آن واحد، وتشارك مع العديد من الشركات الرائدة لتطوير تطبيقات حوسبة كمومية جديدة.
المصدر: IonQ
تُعد IonQ الأقرب إلى سهم حوسبة كمومية نقي للمستثمرين الذين لا يهتمون بالأنشطة الرئيسية للرواد الآخرين مثل Google أو Intel أو IBM أو Honeywell.
وبالتالي، بالتعاون مع منافستها Quantinuum، جزء من Honeywell (HON )، تقترب IonQ من تطوير حواسيب كمومية تجارية، مع تركيزها على أنظمة الأيون المحاصر ذات الدقة العالية وعدد الكيوبيتات الأقل.
ساعدها نجاحها المبكر على بناء شبكة قوية من الشراكات مع مبتكري الحوسبة الكمومية الآخرين للاستمرار في دفع هذه التقنية إلى الأمام، مع تركيز حديث على الحواسيب الكمومية المربوطة، وهو ما ينبغي تشجيعه أكثر بظهور أدوات مثل QNodeOS
آخر المستجدات حول IonQ
مرجع الدراسة:
1. Delle Donne, C., Iuliano, M., van der Vecht, B. et al. نظام تشغيل لتنفيذ التطبيقات على عقد الشبكة الكمومية. Nature 639, 321–328 (2025).
