الحوسبة
إنجاز شريحة الكم يثير الحماس لمستقبل الحوسبة
إنجاز جديد في الحوسبة الكمومية
Quantum computing is, together with AI, a new horizon for the tech industry. This is because, contrary to تقنيات الحوسبة غير السليكونية الأخرى, like graphene, photonics, or even biological organoids, quantum computing performs calculations in a radically new way.
تقوم بذلك بالاستفادة من الظواهر الكمومية، حيث لا تُجرى العملية الحسابية باستخدام 0 و 1 (البتات الثنائية)، بل باستخدام الكيوبتات، التي يمكن أن تكون بيانات الجسيم إما 0 وَ 1 في آن واحد، أو 1، أو 0. هذه الأساليب المختلفة تعني أنه بالنسبة لبعض المسائل الرياضية، يمكن للكمبيوترات الكمومية أن تكون أكثر كفاءة بشكل غير معقول مقارنةً بالكمبيوترات العادية.
وهذا بالضبط ما أظهرته جوجل مؤخرًا: فقد كشفت عن شريحة جديدة تستغرق خمس دقائق لحل مشكلة قد تستغرق الآن أسرع سوبركمبيوترات العالم عشرة سيبتليون – أو 10,000,000,000,000,000,000,000,000 سنة – لإكمالها.
إلى جانب هذا الأداء الرائع، قد تكون هذه أيضًا أول شريحة كمومية لديها فرصة معقولة لتكون قابلة للتوسع وموثوقة للعمليات الحسابية المفيدة. تم نشر النتائج في المجلة العلمية الرائدة Nature، تحت العنوان “Quantum error correction below the surface code threshold“.
التعرف على Willow
شريحة الحوسبة الكمومية من جوجل المعنية تُدعى Willow.
المصدر: Google
هذه هي النسخة الأخيرة من سلسلة من الشرائح الكمومية المتزايدة القوة التي طورتها جوجل، وتُسمى Foxtail و Bristlecone و Sycamore.
المصدر: Google
لاختبار أداء Willow، تم استخدام معيار العينة العشوائية للدائرة (RCS) للمقارنة مع سوبركمبيوتر عادي. تم إنشاء هذه التقنية لقياس أداء Sycamore، التي تقيم عدد الكيوبتات المطلوبة لمطابقة كمية مكافئة باستخدام حاسوب كلاسيكي.
المصدر: Google
القابلية للتوسع أصبحت أخيرًا في المتناول
أحد القيود الرئيسية في الحوسبة الكمومية حتى الآن هو أن الكيوبتات هشة للغاية. ذلك لأن الحالات الكمومية تميل إلى أن تكون قصيرة العمر، حيث تؤدي التداخلات من البيئة إلى زعزعة استقرار الشروط المطلوبة للحساب الكمومي.
لهذا السبب تستخدم جميع الحواسيب الكمومية الحالية ظروفًا فائقة البرودة وتحتاج إلى مواد فائقة التوصيل. وهذا يجعلها ليست فقط أكثر تعقيدًا وتكلفة، بل صعبة الاستخدام بشكل موثوق.
“لجعل الحاسوب الكمومي يقوم بحسابات مفيدة، “تحتاج إلى معلومات كمومية، وتحتاج إلى حمايتها من البيئة — ومن أنفسنا، عندما نقوم بالتلاعب بها.” جوليان كيلي – فيزيائي في جوجل يقود قسم الأجهزة الكمومية
لإضافة إلى المشكلة، حتى الآن كلما زاد عدد الكيوبتات في النظام، ارتفعت الأخطاء، حيث يتسبب أي عدم استقرار في تأثير الدومينو. لذا كلما زاد عدد الكيوبتات، زادت الأخطاء، حتى تصل إلى نقطة يصبح فيها إضافة المزيد من القدرة الحاسوبية تقلل من الأداء الكلي.
وربما أكثر من قدرته الحسابية، هنا يكمن الاختراق الحقيقي لشريحة Willow.
يمكنك أيضًا مشاهدة المزيد مباشرةً حول الأداء الدقيق لشريحة Willow في عرض الفيديو المخصص من جوجل:
تصحيح الأخطاء
الخطوة الأساسية لجوجل كانت العمل على ما يُسمى تصحيح الأخطاء. الفكرة هي أنه في حاسوب كمومي معين، بعض الكيوبتات ستكون أكثر موثوقية من غيرها.
وبالتالي، يمكن إعادة تكوين الكيوبتات المتطرفة/الأقل أداءً لتعمل مثل بقية الشريحة.
المصدر: Google
يمكن تحقيق تحسين إضافي من خلال تحسين طريقة المعايرة بحيث يتم تقليل الأخطاء عبر تحسين البرمجيات على جميع الكيوبتات.
حد تصحيح الأخطاء الكمومية
هذا الحد هو هدف سعى إليه علماء الحوسبة الكمومية لفترة طويلة. وهو حيث يكون معدل الخطأ منخفضًا بما يكفي بحيث كلما أضفت المزيد من الكيوبتات، يقل الخطأ. تم نظريًا منذ زمن طويل لكن تم تحقيقه لأول مرة مع Willow.
اختبرنا مصفوفات متزايدة من الكيوبتات الفيزيائية، بدءًا من شبكة 3×3 من الكيوبتات المشفرة، إلى شبكة 5×5، إلى شبكة 7×7 — وفي كل مرة، باستخدام أحدث تقدماتنا في تصحيح الأخطاء الكمومية، تمكنا من خفض معدل الخطأ إلى النصف.
المصدر: Google
في جوهر الأمر، بدلاً من تراكم الأخطاء حتى الانهيار، أصبحت الأخطاء الآن نادرة بما يكفي لتصحيحها باستخدام قدرة حوسبة إضافية، مما يزيد من موثوقية النظام بأكمله.
عامل رئيسي مكن جوجل من تحقيق هذا الاختراق كان تحسينًا جذريًا في أداء كيوبت محدد يُسمى “زمن تماسك الكيوبت”. هذا هو الوقت الذي يستطيع فيه الكيوبت الحفاظ على حالة تماسكه، وهو شرط أساسي لإجراء الحساب الكمومي.
حققت Willow حالة تماسك قدرها 100 ميكروثانية، مقارنةً بـ 20 ميكروثانية فقط لشريحة Sycamore عام 2019.
هذه نقطة بيانات مهمة، حيث إن تحسين حالة التماسك، الذي يؤدي مباشرة إلى حواسيب كمومية أكثر موثوقية أُسِّيًا، يمكن اعتباره النسخة الكمومية الحالية من قانون مور، الذي دفع التحسين المستمر في الحواسيب “العادية”.
باعتبارها أول نظام تحت هذا الحد، فإنها تمثل النموذج الأكثر إقناعًا لكيوبت منطقي قابل للتوسع تم بناؤه حتى الآن. إنها إشارة قوية على أن حواسيب كمومية كبيرة ومفيدة يمكن بناؤها بالفعل. تقربنا Willow من تشغيل خوارزميات عملية وتجارية لا يمكن تكرارها على الحواسيب التقليدية.
كان كل هذا ممكنًا بفضل استثمار جوجل طويل الأمد في منشأة تصنيع شرائحها الكمومية فائقة التوصيل.
من الكيوبت الفيزيائي إلى الكيوبت المنطقي
لأي حساب مفيد، تحتاج الحوسبة الكمومية إلى استخدام الكيوبتات المنطقية أو وحدة الحساب الفعلية التي ينتجها الشريحة الفيزيائية.
مع معدل الخطأ في Willow، من المتوقع أن يتكون كل كيوبت منطقي من حوالي 1,000 كيوبت فيزيائي. يمكن أن يؤدي تحسين إضافي في تصحيح الأخطاء إلى خفض هذا العدد إلى 200 كيوبت فيزيائي.
حاليًا، تمتلك Willow سعة قدرها 105 كيوبت.
الخطوات التالية
مع هذا الاختراق، أصبح بناء كيوبت منطقي مستقر وموثوق وقابل للتوسع في المتناول. خاصةً أن إضافة كيوبت فيزيائي الآن يقلل من معدل الخطأ أُسِّيًا، بدلاً من زيادته أُسِّيًا.
من المرجح أن تكون الخطوة التالية هي بناء خليفة Willow بمزيد من الكيوبتات، مع تحسين تقنية تصحيح الأخطاء. معًا، قد يسمح ذلك لكل من تصاميم شرائح جوجل الكمومية القادمة بأن تكون كافية لإنشاء كيوبت منطقي كامل.
سيظل هناك تحدٍ آخر، وهو ربط الكيوبتات المنطقية معًا بحيث يمكنها مشاركة وتبادل الحالات الكمومية.
فقط عندها سنتمكن من الحديث عن حاسوب كمومي حقيقي يمكن استخدامه بانتظام، والأهم من ذلك، توسيعه حسب الحاجة.
ناقشنا مسبقًا بعض التقنيات والاختراقات المتوازية التي يمكن أن تعزز أداء الحوسبة الكمومية والهندسة المعمارية بخلاف تحسين الكيوبتات، على سبيل المثال:
- الرنات النانوية الميكانيكية، لقياس الحالة الكمومية بشكل أفضل دون زعزعة استقرار الكيوبتات.
- رنان العنصر الحثي غير الخطي غير المتناظر الفائق التوصيل (SNAIL)، لتجاوز تراكب الكيوبتات لحالات 0 و 1، وتطوير الحوسبة الكمومية المتغيرة المستمرة (CV).
- مواد فائقة التوصيل أفضل، لتحسين استقرار أنظمة الحوسبة الكمومية.
بشكل عام، يُعد اختراق جوجل حقًا ثوريًا وتطورًا جذريًا في آفاق الحوسبة الكمومية، مع الهدف الواقعي الأول على الإطلاق لحاسوب تجاري قابل للتوسع.
ومع ذلك، يذكرنا قائد مختبر Quantum AI في جوجل، هارتمت نيفن، أن هذا لن يحدث غدًا:
“شريحة قادرة على تنفيذ التطبيقات التجارية لن تظهر قبل نهاية العقد. في البداية، ستكون هذه التطبيقات هي محاكاة الأنظمة التي تكون فيها التأثيرات الكمومية مهمة.
على سبيل المثال، تكون ذات صلة عندما يتعلق الأمر بتصميم مفاعلات الاندماج النووي لفهم عمل الأدوية وتطويرها، كما تكون ذات صلة لتطوير بطاريات السيارات الأفضل وقائمة طويلة أخرى من مثل هذه المهام.”
التطبيقات
إمكانات الحوسبة الكمومية هائلة ويمكن أن تحدث ثورة في كل مجال علمي تقريبًا. بعض التطبيقات تبرز كأكثر تأثيرًا:
- نمذجة كيميائية حيوية: من تحديد الشكل ثلاثي الأبعاد للبروتين إلى التعبير الجيني، حساب الجزيئات البيولوجية المعقدة إلى الذرات يمكن أن يثوري أبحاث التكنولوجيا الحيوية.
- نمذجة المناخ: نماذج المناخ معقدة للغاية وتدفع حدود ما يمكن لأجهزة الحوسبة الفائقة الحالية القيام به. فهم أفضل للمناخ، مع حساب أكثر دقة في النموذج، جغرافيًا وزمنيًا، يمكن أن يساعد في فهم مخاطر تغير المناخ.
- أشباه الموصلات: يمكن استخدام الحواسيب الكمومية لجعل شرائح الحواسيب العادية أكثر قوة. مع وصول الشرائح “العادية” الآن إلى مقياس النانومتر، تصبح الظواهر الكمومية مشكلة متزايدة، وقد تكون الحواسيب الكمومية ضرورية لحلها.
- علوم المواد: فهم الفيزياء الكمومية بشكل أفضل وتفاعل المواد حتى الذرات الفردية يمكن أن يفتح تصاميم جديدة للمواد المستخدمة في الفضاء، البطاريات، الطباعة ثلاثية الأبعاد، التصنيع، إلخ.
- التشفير: قد تجعل الحواسيب الكمومية جميع طرق التشفير الحالية غير صالحة. هذا يمثل قلقًا جديًا للأنظمة العسكرية والمالية وتكنولوجيا المعلومات. ولكن في الوقت نفسه، قد يجعل التشفير أكثر أمانًا.
المخاطر
نظرًا لقوة الحوسبة الكمومية، هناك أيضًا خطر شديد من سوء استخدامها. أكبر هذه المخاطر يتعلق بالتشفير.
منذ إعلان جوجل عن Willow، ناقش عدة محللين إمكانية اختراق جميع أساليب التشفير الحالية، وهو ما سيكون مدمرًا للعملات المشفرة مثل بيتكوين.
وفي النظرية، هذا صحيح. لكنه تعليق قصير النظر، مدفوع أكثر برد فعل على الارتفاع الأخير لبيتكوين بدلاً من رؤية الصورة الكبيرة. اختراق تشفير الحواسيب والأنظمة الرقمية سيؤدي إلى كسر الأمان والموثوقية لكامل النظام المصرفي والمالي، وليس فقط العملات المشفرة.
كما سيكون ذلك مدمرًا لاستقرار الجيوسياسة العالمية وسلامة القوات العسكرية، حيث يعتمد كل شيء من الاتصالات إلى رموز إطلاق الصواريخ النووية على تشفير آمن. تشفير مكسور بالكامل قد يسمح للقوى الأجنبية أو الفاعلين السيئين بإحداث فوضى كاملة في هذه الأنظمة الأمنية.
هذا لا يعني عدم وجود حلول. على سبيل المثال، أعلنت شركة Apple في فبراير 2024 أن التشفير الذي يحمي محادثات iMessage سيصبح “مقاومًا للكم” لمنع قراءتها من قبل حواسيب كمومية مستقبلية قوية. يمكننا الافتراض أنه إذا تحولت Apple إلى تشفير مقاوم للكم، فإن أكبر القوات العسكرية والمؤسسات المالية يمكنها فعل ذلك أيضًا.
مع وجود جدول زمني يمتد لعدة سنوات حتى يتمكن رائد مثل جوجل من الحصول على حاسوب كمومي تجاري، فإننا ما زلنا بعيدين عن خطر كارثي ووشيك.
شركة الحوسبة الكمومية
Alphabet Inc.
(GOOGL )
كما رأيت، جوجل نشطة جدًا في مجال الحوسبة الكمومية، خاصةً من خلال مختبر Google Quantum AI وحرم Quantum AI في سانتا باربارا.
صنع حاسوب جوجل الكمومي تاريخًا في عام 2019 عندما ادعت جوجل أنها حققت “تفوقًا كموميًا” باستخدام جهاز Sycamore، حيث أجرى حسابًا في 200 ثانية كان سيستغرق سوبركمبيوتر تقليدي 10,000 سنة.
هذا، بطبيعة الحال، أصبح ضئيلًا مقارنةً بأداء Willow.
لكن ربما تكون أكبر مساهمة لجوجل في البرمجيات، وهو مجال لديها سجل حافل فيه، في الواقع أفضل من الأجهزة (البحث، G Suite، Android، إلخ).
حاليًا، توفر Quantum AI من جوجل مجموعة من البرمجيات المصممة لمساعدة العلماء في تطوير الخوارزميات الكمومية.
كما أنها تدعو صراحةً “الباحثين والمهندسين والمطورين للانضمام إلينا في هذه الرحلة من خلال الاطلاع على open source software والموارد التعليمية، بما في ذلك new course on Coursera، حيث يمكن للمطورين تعلم أساسيات تصحيح الأخطاء الكمومية ومساعدتنا في إنشاء خوارزميات تحل مشاكل المستقبل.“
بفضل هذا النهج المفتوح والقيادة الآن في الأجهزة أيضًا، بالإضافة إلى حلول السحابة الخاصة به، قد تكون جوجل واحدة من الشركات التي تحدد معايير برمجيات الحوسبة الكمومية وبرمجة الكم، مما يمنحها مكانة مميزة لتوجيه تطور المجال في المستقبل.
وفي الوقت نفسه، قد تصبح حلول الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك سيارة Waymo ذاتية القيادة، هي محرك الإيرادات الجديد لشركة Alphabet، التي لا تزال تحتفظ بموقع مهيمن بشكل كبير في صناعات البحث والإعلانات.
