الحوسبة الكمومية تقترب من تحسين المحافظ

غالبًا ما تُوصف الحوسبة الكمومية بأنها شكل جديد تمامًا من الحوسبة يمكنه حل المشكلات التي لا يمكن حلها باستخدام الحوسبة الثنائية التقليدية القائمة على السيليكون.

حتى الآن، كانت الحوسبة الكمومية تقنية واعدة، لكنها لا تزال تواجه تحديًا هندسيًا أساسيًا. الحالة الهشة للغاية للمادة التي يجب الحفاظ عليها لتعمل الحوسبة الكمومية تجعلها مكلفة وغير قابلة للتوسع بشكل كبير.

كما يعني ذلك أن النتائج التي يتم الحصول عليها “مضطربة”، مع أخطاء متكررة، وتأخيرات، ونتائج غير موثوقة.

يمكن لعدة ابتكارات أن تعني أن إما شبكة من الحواسيب الكمومية الصغيرة أو معمارية تصميم عتادي جديدة، باستخدام حالة مادة جديدة تُسمى الموصلات الفوقية، تسمح بالقابلية للتوسع قد تحل المشكلة.

لكن قد يكون هذا أيضًا مسألة مفهومية. معظم مشاريع الحوسبة الكمومية تسعى إلى استبدال حلول الحوسبة التقليدية بالكامل بحلول قائمة على الكم. لكن في الواقع، قد يؤدي حل المشكلات الضيقة إلى حالات استخدام وظيفية للحوسبة الكمومية في وقت أقرب.

قامت دراسة حديثة من باحثين في جامعة تشونغبوك الوطنية (كوريا الجنوبية) وجامعة دوي تان (فيتنام) بمقارنة ثلاث طرق مختلفة للاستفادة من الحوسبة الكمومية. وجدت أن أحدها، التبريد الكمومي، “يظهر جاهزية تشغيلية ملحوظة على المدى القريب” لتحسين المحافظ المالية.

قد يشير هذا إلى أن الأساليب القائمة على البوابات المتكررة التي يفضّلها معظم الباحثين في الحوسبة الكمومية، والتي تتطلب عددًا هائلًا من الكيوبتات، قد تكون الاتجاه الخاطئ للصناعة، على الأقل على المدى القصير.

نشروا نتائجهم في ICT Express¹ تحت عنوان “مسح شامل لنهج الحوسبة الكمومية لتحسين المحافظ في التكنولوجيا المالية”.

الحوسبة الكمومية لتحسين المحافظ

مشكلات معقدة جدًا لا يمكن حلها

تحسين المحافظ هو مشكلة مركزية ومكثفة حسابيًا في التمويل الحديث وركيزة أساسية لصناعة التكنولوجيا المالية. عندما تُضاف قيود واقعية (اختيار عدد ثابت من الأصول، تكاليف المعاملات، أو تضمين مقاييس غير مالية مثل درجات ESG) يصبح الأمر بسرعة مشكلة تركيبيّة متزايدة الصعوبة قد تجعل التحسين الدقيق غير عملي مع تزايد عدد الأصول والقيود.

هذا صحيح بشكل خاص عندما يزداد عدد الأصول المتاحة؛ فإن مساحة الحلول تتوسع أُسِّيًا.

لذلك في الواقع، لا يمكن حساب ذلك مباشرةً للمحافظ الكبيرة التي تديرها الصناديق المؤسسية، وصناديق التحوط، ومستشارو الروبوت الآلي، حيث تُستبدل القواعد التجريبية والقرارات اليدوية بالنماذج الرياضية.

الطرق المتعددة لأداء الحوسبة الكمومية

جوهر الحوسبة الكمومية هو الكيوبت، الذي يمكن أن يكون في تراكب من الحالات. تقوم الخوارزميات الكمومية بتعديل تراكب الحالات بحيث يزيد التداخل من احتمال قياس حلول مفيدة. هذا لا يعني أن كل إجابة ممكنة يمكن حسابها واسترجاعها في آن واحد.

ظهرت ثلاث طرق رئيسية لاستخدام هذه الخاصية الكمومية لإجراء حسابات مفيدة في العالم الحقيقي، خاصةً لتحسين المحافظ:

الأولى هي التبريد الكمومي (QA)، نموذج حوسبة كمومية متخصص صُمم خصيصًا لمعالجة مشكلات التحسين المعقدة. وظيفته الأساسية هي العثور على تكوين الطاقة الأدنى، أو الحالة الأرضية، لنظام مادي.

تجعل هذه الخصوصية الـ QA أكثر كفاءة وتوفر اختصارًا إلى تكوينات ذات طاقة أقل. لتطبيق الـ QA عمليًا، يجب ربط مشكلة مالية بهيكل رياضي متوافق، وغالبًا ما يكون نموذج QUBO.

“على عكس النماذج القائمة على البوابات التي قد تتطلب تحكمًا دقيقًا في النبضات، يسمح الـ QA بسير عمل “إرسال-استرجاع” حيث يتم تحميل تعريف المشكلة بالكامل (المصفوفة) مرة واحدة.”

الخوارزميات الكمومية المتغيرة (VQAs) هي حلقة تحسين هجينة بين الكم والكلاسيك تتناوب بين معالج كمومي ومُحسّن كلاسيكي.

وبالتالي، لا يحدد وقت التنفيذ الإجمالي فقط زمن تماسك الكيوبتات بل أيضًا زمن تأخير الشبكة المتراكم عبر آلاف التكرارات. يمثل هذا العقبة المعمارية الكبيرة لتطبيقات التداول عالي التردد.

يجب أيضًا الإشارة إلى أن نهجًا ناشئًا هو الجمع التآزري بين VQAs القائمة على البوابات والتبريد الكمومي.

“في مثل هذا الإطار، قد يُستخدم مبرد كمومي للعثور على حالة أولية عالية الجودة أو لمعالجة مشهد تحسين صعب، مما يوفر نقطة انطلاق قوية لحلقة تحسين VQA لاحقة على آلة قائمة على البوابات.”

التعلم الآلي الكمومي (QML) هو طريقة ذات بنية معمارية مميزة ترتكز على تمثيل البيانات. هذا ينقل عنق الزجاجة الحسابي من العثور على الحالة الأرضية إلى مرحلة التدريب، حيث يجب ترميز البيانات المالية عالية الأبعاد إلى حالات كمومية عبر خرائط الخصائص.

يمكن استخدامه في الحالات التي يكون فيها اكتشاف العلاقات المعقّدة غير الخطية في البيانات المالية ميزة كبيرة. يجعل ذلك منه أداة قوية لتحليل المخاطر وتوليد السيناريوهات (باستخدام طريقة فرعية تسمى آلة توليد الدوائر الكمومية – QCBM)، وكذلك لتوقع تحركات السوق أو تصنيف الأصول بناءً على ملفات المخاطر (باستخدام طريقة فرعية تسمى آلة الدعم المتجهية الكمومية – QSVM).

المصدر: ICT Express

العثور على أفضل أداة كمومية

تحسين الحوسبة الكمومية

من إجمالي 423 دراسة، اختار الباحث 30 دراسة مختلفة لتحليلها ومساعدته في مقارنة طرق الحوسبة الكمومية المختلفة.

كان الاكتشاف الأول أن أحد القيود الرئيسية هو ربط القواعد المالية بفعالية بالعتاد الكمومي، حيث ينتقل البحث من النماذج القائمة على العقوبات غير الفعّالة إلى فرضية معمارية تعظم الاستخدام الفعّال للكيوبتات المحدودة. يتم ذلك عادةً بدمج حدود التشغيل مباشرةً في مكدس العتاد-البرمجيات أو دائرة الأنسايتز.

لمعالجة حدود القابلية للتوسع لأجهزة NISQ، تقترح الأبحاث الحديثة بنية موزعة غير متجانسة تستخدم أنواعًا مختلفة من المعالجات الكمومية لمراحل مختلفة من خط أنابيب التحسين.

يمكن أن يتخذ ذلك أشكالًا متعددة، على سبيل المثال نموذج هجين بين مبرد وبوابة أو بروتوكولات التنسيق والمزامنة لإدارة عبء العمل بين مبرد وآلة بوابة QPU.

قياس الأداء

لتصنيف حلول الحوسبة الكمومية المختلفة لتحسين المحافظ، استخدم الباحثون كلًا من المعايير المرجعية المذكورة في الأدبيات والحلول الكلاسيكية الحديثة المطلقة.

وجدوا أن التطبيقات المالية التجارية الأولى التي قد تظهر قد تنبع من التبريد الكمومي.

ذلك لأن التبريد الكمومي يدعم قيود عدم المساواة الأصلية ونماذج الإرسال السحابي ذات الخطوة الواحدة التي تقلل من زمن تأخير التواصل.

في المقابل، ترى طرق أخرى أن عبء الشبكة غالبًا ما يفوق زمن تنفيذ الكم أو تكون مقيدة بزمن تأخير إعداد الحالة.

الحسابات الهجينة الكمومية-الكلاسيكية

ما يظهر أيضًا هو أن النهج الهجينة التي تمزج الحوسبة الكمومية مع الحوسبة الكلاسيكية تعمل بأفضل شكل لأسباب متعددة:

• تخفيف تأخير الشبكة، حيث يقترح الباحثون مُحسّنات كلاسيكية مرفقة بالـ QPU أو نماذج إرسال ذات خطوة واحدة.
• معالجة القيود بكفاءة الموارد: بدلاً من ضبط أوزان العقوبة بدقة، مما قد يخفي الحلول الأكثر مثالية، يسمح المعالجة الأصلية للقيود بتحسين محافظ على نطاق مؤسسي مع وفاء أعلى للحلول.
• تعيين المهمة إلى العتاد: بدلاً من محاولة حل كل شيء بنوع واحد من العتاد، يقوم المبرد بأداء التحليل العالمي المكثف بينما يتولى المعالج القائم على البوابة التجميع المحلي الدقيق.

لذلك قد تكون العملية المثالية لتطوير حلول الحوسبة الكمومية هي أولًا تحديد الطريقة المثالية للمشكلة المعطاة، ثم تطوير نموذج يدمج هذه الأدوات الكمومية مع الأدوات الكلاسيكية في حل هجين.

لذا قد تكون الهندسة المعمارية، زمن التأخير، ومعالجة القيود مهمة بقدر ما، إن لم تكن أكثر، من أداء العتاد الكمومي المستخدم.

المصدر: ICT Express

من المرجح أن يبقى هذا صحيحًا طالما أن العائق الأساسي في الحوسبة الكمومية هو قيود العتاد والضوضاء: عدد الكيوبتات المحدود، الذي يحد من حجم المشكلة، بينما تُضعف الضوضاء جودة الحل.

ويتطابق ذلك مع الخبرة العملية، حيث تُنفذ جميع التطبيقات الحديثة واسعة النطاق إما QUBO أو CQM على أنظمة هجينة كمومية-كلاسيكية.

لذلك يستنتج الباحث أن هذا النهج التآزري ضروري لمعالجة المشكلات ذات الصلة بالصناعة باستخدام العتاد الكمومي الحالي.

هل الحوسبة الكمومية ضرورية حتى؟

نقطة بيانات مثيرة أخرى في هذه الدراسة هي مقارنة الحوسبة الكمومية مع طرق حوسبة مبتكرة أخرى.

على سبيل المثال، يتم النظر إلى بنى معمارية معجلة بواسطة GPU ذات توازي هائل يمكنها أن تتفوق بشكل جذري على أدوات الحساب العادية. يمكن لهذه الطريقة أيضًا تجاوز عنق زجاجة تأخير الشبكة للأنظمة الكمومية السحابية.

“يمكن لحلول GPU القائمة على الدرجة الأولى تحقيق تسريع في زمن التنفيذ يصل إلى 12.9× في الفترات الفردية و48× في الفترات المتعددة مقارنةً بحلول كلاسيكية دقيقة عالية الأداء مثل MOSEK 11.0.”

يمكن حتى استخدام GPU لمحاكاة النتائج التي تُحصل عادةً على الحواسيب الكمومية. على وجه الخصوص، يمكن لتقنية التبريد المحاكى المتوازي المعتمد على GPU (PSA) وتحسين سرب الجسيمات (PSO) الاستفادة من آلاف الأنوية لتحقيق تقارب شبه فوري. على سبيل المثال، حققت نوى GPU-PSO المُحسّنة تسريعًا قدره 150× مقارنةً بالخط الأساسي للمعالج.

مع تطور GPU وأجهزة مماثلة قادرة على إجراء حسابات متوازية هائلة لحسابات الذكاء الاصطناعي، قد تشكل هذه المنافسة تهديدًا جديًا لصناعة الحوسبة الكمومية الناشئة.

“وبالتالي، يجب قياس ميزة الكم مقابل هذه الأنابيب الكلاسيكية المُحسّنة بالأجهزة التي تعمل في أقل من ثانية، والتي تحدد العتبة الحالية للجاهزية الإنتاجية في التكنولوجيا المالية عالية التردد.”

مع ذلك، تُعد الـ GPU تقنية أكثر نضجًا من الـ QPU، لذا على المدى الطويل جدًا، من المحتمل أن تستفيد المشكلات الأصعب حلًا من الحوسبة الكمومية، خاصةً عندما قد تؤخر قيود أخرى مثل استهلاك الطاقة نشر مجموعات GPU الكبيرة.

بالنسبة للمستثمرين، يضيق هذا المقارنة المجال بشكل كبير. لا تشير الدراسة إلى أن كل بنية كمومية قريبة بنفس القدر من توليد قيمة تجارية في التمويل. بل تحدد أن التبريد الكمومي مناسب بشكل خاص للتحسين المقيد، مع التأكيد على أن أي نظام قابل للتطبيق يجب أن يظل يتنافس مع البدائل القائمة على GPU المتزايدة القوة. وهذا يجعل شركة D-Wave ذات صلة خاصةً؛ فهي توفر تعرضًا متداولًا للجمهور للمعمارية التي يعتبرها الباحثون من بين الأكثر جاهزية تشغيلًا، بينما تسعى بالفعل لتطبيقات تجارية في التمويل وصناعات أخرى كثيفة التحسين.

الاستثمار في التبريد الكمومي

شركة D-Wave Quantum Inc.

شركة D-Wave هي شركة حوسبة كمومية تركز ليس على بناء أكبر عدد من الكيوبتات الفائقة التوصيل في المستقبل، بل على أكثرها قابلية للاستخدام في حالات الاستخدام الواقعية اليوم.

حاليًا، نصف عملاء D-Wave هم مؤسسات تجارية، حيث يأتي 65٪ من الإيرادات من العملاء التجاريين، ومن بينهم 45٪ من الإيرادات من عملاء Forbes Global 2000.

المصدر: D-Wave

على سبيل المثال، تُستخدم أدوات D-Wave بالفعل من قبل AT&T لتقليل وقت معالجة عبء عمل تحسين الشبكة من حوالي ساعة إلى أقل من 15 ثانية.

“سيتم استكشاف أعمال مستقبلية أوسع تشمل مجموعة من التطبيقات مثل اكتشاف الانقطاعات والاستجابة لها، وتوجيه الفنيين، وتخطيط بناء الشبكات وإدارة المرور.”

كما أظهرت D-Wave تطبيقات مالية مباشرة للتبريد الكمومي، بما في ذلك تحسين المحافظ التي تشمل أصول S&P 100 وS&P 500. على سبيل المثال، تعاونت مع CaixaBank، البنك الرائد في إسبانيا، لاستخدام D-Wave في النوع المحدد من التطبيقات المالية المذكورة في هذه الدراسة. ما كان يستغرق عدة ساعات من وقت الحوسبة تم تقليصه إلى دقائق فقط بفضل تقنية الحوسبة الكمومية.

“قامت التطبيقات الهجينة الكمومية بتقليل وقت الحوسبة لحل المشكلات المالية المعقدة بشكل كبير، مما حسّن تحسين محافظ الاستثمار، وزاد من معدل العائد الداخلي لمحفظة السندات (IRR)، وقلل من رأس المال المطلوب لعمليات التحوط، نتيجة لتعاونهم.”

من خلال التركيز على التبريد الكمومي، ترى الشركة نفسها تسلك الطريق الأوسط بين تقنية الأيونات المحاصرة (“فعّالة، لكن بطيئة”) والكيوبتات الفائقة التوصيل (“سريعة، لكن معقدة وأقل موثوقية”). تتوسع الشركة بسرعة في عتادها، مع أمل مضاعفة عدد الكيوبتات في نظامها 4× بحلول 2029 و20× بحلول 2031.

المصدر: D-Wave

بالإضافة إلى التبريد، الذي بدأ تطويره في عام 2011، توسعت D-Wave أيضًا إلى الحوسبة القائمة على نموذج البوابة منذ عام 2020. بشكل عام، يجب أن تكمل التقنيتان بعضهما البعض، حيث يتخصص كل منهما في تطبيقات محددة.

المصدر: D-Wave

“في حين يتفوق التبريد الكمومي في التحسين، محاكاة المواد، وبعض أعباء العمل في الذكاء الاصطناعي، من المتوقع أن تدفع الحوسبة القائمة على نموذج البوابة التطبيقات مثل الكيمياء الكمومية، تصميم الجزيئات، وتخزين الطاقة من الجيل التالي.”

يجب على المستثمرين في D-Wave أن يكونوا على علم بأن الحوسبة الكمومية مجال ناشئ وتنافسي للغاية. ستُظهر كل شركة كمومية تقريبًا أنها اختارت المسار التكنولوجي الصحيح، إما لأنه أكثر صمودًا (الأيونات المحاصرة)، أو أكثر جاهزية للسوق (التبريد)، أو يمتلك إمكانات أكبر للتوسع (الفائقة التوصيل).

مع ذلك، فإن نشر حوسبتها الكمومية على نطاق متزايد لحل مشكلات حقيقية في التكنولوجيا الحيوية، الاتصالات، أو البنوك يُعد إنجازًا مثيرًا، وقد تكون D-Wave فائزة مفاجئة في هذا المجال، بينما يتركز النقاش غالبًا على شركات أخرى تستخدم تقنيات حوسبة كمومية مختلفة.

أحدث أخبار وتطورات سهم شركة D-Wave Quantum Inc (QBTS)

الدراسة المشار إليها

^{1. Kimchhor Chiv, Anand Nayyar, and Tae-Kyung Kim. مسح شامل لنهج الحوسبة الكمومية لتحسين المحافظ في التكنولوجيا المالية. ICT Express. 5 أغسطس 2026.}