الحالة الحالية للحوسبة الكمومية

الحوسبة الكمومية مختلفة

تستخدم الحوسبة الكمومية خصائص مثل التراكب والتشابك لمعالجة المعلومات. تمثل البتات التقليدية قيمتين، 0 و1، بينما يمكن أن يكون الكيوبت في تراكب للحالتين قبل القياس. عند قياسه نحصل على نتيجة محددة، ولا يعني التراكب إمكان قراءة جميع النتائج في آن واحد.

نظرًا للاختلاف الجوهري في طريقة الحساب، لا تُعد الحوسبة الكمومية بديلاً عن الحوسبة “العادية” بقدر ما هي مكمل لها.

يمكن أن تمنح خوارزميات كمومية معينة مزايا في مسائل محددة، مثل محاكاة الأنظمة الكمومية وبعض مسائل التشفير. لكن الحوسبة التقليدية ليست محصورة في المعالجة الخطية، ولا توجد أفضلية كمومية عامة لكل مسألة معقدة.

لذلك، بينما من غير المرجح أن تصبح حواسيبنا المحمولة وهواتفنا الذكية حواسيب كمومية، فإنها قد تُحدث ثورة في البحث العلمي.

الحوسبة الكمومية صعبة

تثير إمكانية تسريع بعض الحسابات اهتمام الباحثين، لكن مقدار التحسن يعتمد على الخوارزمية والمشكلة والجهاز، وليس هناك تسارع ثابت بمقدار ألف مرة لجميع المهام.

تختلف المتطلبات بحسب التقنية. تحتاج الكيوبتات فائقة التوصيل عادة إلى درجات حرارة من رتبة أجزاء الألف من الكلفن فوق الصفر المطلق، لا إلى مئة درجة فوقه. أما الذرات المحايدة والأيونات والفوتونات فتستخدم تجهيزات وطرائق مختلفة، ولا تتطلب كلها ثلاجات التخفيف نفسها.

التحكم في الكيوبتات وقراءتها صعبان أيضًا. قد تستخدم بعض المنصات الليزر والفراغ، وأخرى إشارات ميكروويف ودوائر إلكترونية. الضوضاء تسبب أخطاء وفقدانًا للتماسك، لكن ليس كل نظام بحاجة إلى «فراغ كامل» أو مجهر ذري.

لا يكفي عدد الكيوبتات وحده لتقييم الجهاز. تتحدد فائدته أيضًا بدقة البوابات، والترابط بين الكيوبتات، وزمن التماسك وتصحيح الأخطاء. وقد يتطلب الكيوبت المنطقي الواحد عددًا كبيرًا من الكيوبتات الفيزيائية.

تقدم الحوسبة الكمومية

تجاوز عتبة 1,000 كيوبت

تمكن فريق بقيادة البروفيسور غيرهارد بيركل في قسم الفيزياء بجامعة TU Darmstadt في ألمانيا من تطوير مصفوفة تضم أكثر من ألف كيوبت ذري.

أظهر الفريق منصة لحبس أكثر من ألف ذرة والتحكم فيها باستخدام بصريات دقيقة. هذا إنجاز في بناء المصفوفات الذرية القابلة للتوسع، وليس إثباتًا لاكتمال أكبر حاسوب كمومي عام صالح لكل الحسابات.

المصدر: Optica

تجاوز ألف كيوبت إنجاز هندسي مهم، لكنه ليس عتبة عامة تفصل الأجهزة المفيدة عن غير المفيدة. تعتمد التطبيقات على جودة العمليات وتصحيح الأخطاء، لا على العدد وحده.

تستخدم التقنية ما يُعرف بـ “الملاقط الضوئية”، وهي ليزرات خاصة قادرة على تحريك الذرات بشكل فردي. بفضل التقدم في الميكرو-بصريات، تُعد هذه التقنية الأكثر وعدًا في الحوسبة الكمومية كطريقة قابلة للتوسع لبناء أنظمة أكبر بكثير.

المصدر: Optica

“مع وصول عدد العدسات الصغيرة لكل سنتيمتر مربع بسهولة إلى 100,000 ويمكن إنتاج رقائق MLA بمساحات عدة مئات من السنتيمترات المربعة، فإن لديها إمكانات هائلة من حيث القابلية للتوسع، محدودة فقط بقوة الليزر المتاحة”

المصدر: Optica

توضح هذه المصفوفات إمكانية توسيع المنصات الذرية. وتبقى هناك خطوات، مثل البوابات عالية الدقة وتصحيح الأخطاء، قبل تحويلها إلى حواسيب عامة واسعة النطاق.

محاكيات كمومية لحل الفيزياء

العديد من المشكلات التي يواجهها الفيزيائيون اليوم مرتبطة بسلوك الجسيمات على المستوى الكمومي، أو على الأقل عندما يتم محاكاة أكثر من 30 جسيمًا. هذه مشكلة لأن أنظمة الحوسبة العادية تكافح مع السلوك الاحتمالي للجسيمات والفيزياء الكمومية بشكل عام.

يمكن لمحاكي كمومي أن يستخدم نظامًا كموميًا قابلًا للتحكم لدراسة نظام آخر. تساعد خصائص مثل التشابك والتراكب في تمثيل سلوك يصعب حسابه تقليديًا؛ ولا يوجد مصطلح تقني هنا يسمى «التشابك الفائق».

بينما تُعد المحاكيات الكمومية في الأساس نوعًا خاصًا من الحواسيب الكمومية، فإن المشكلة حتى الآن هي جعلها قادرة على محاكاة العديد من الجسيمات المختلفة بدلاً من الحاجة إلى تصميم محاكي كمومي مخصص لكل سؤال فيزيائي محدد.

ربما توصلت ناتاليا تشيبيغا ومجموعتها البحثية إلى حل. وتعمل تشيبيغا أستاذة مساعدة في جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا.

تقترح بروتوكولًا يخلق محاكيًا كموميًا قابلاً للتحكم بالكامل في ورقة علمية نُشرت في Physical Review Letters. يستخدم المقترح ليزرين مختلفين لإتاحة تحكم إضافي في تفاعلات المنظومة. المقصود درجات حرية قابلة للضبط، لا إضافة أبعاد مكانية فعلية إلى الحاسوب.

المصدر: TU Delft

هذا النوع من المحاكيات الكمومية قد يكون دفعة كبيرة للعديد من الجهود البحثية على حافة معرفتنا الحالية، بما في ذلك الفيزياء الفائقة البرودة (بما في ذلك الموصلات الفائقة)، أشباه الموصلات، علوم المواد، الاتصالات، وتكنولوجيات الطاقة (خاصة البطاريات).

الكيودتات بدلًا من الكيوبتات

يمكن توسيع الترميز من نظام ذي مستويين، أي كيوبت، إلى نظام ذي D مستويات يسمى كيودت. يتيح ذلك فضاء حالات أكبر لكل وحدة، مع تحديات مختلفة للتحكم والقراءة.

يمتلك سجل من x كيوبتات فضاء حالات بُعده 2^x، بينما يمتلك سجل من x كيودتات ذات D مستويات فضاء بُعده D^x. هذا لا يعني إجراء ذلك العدد من الحسابات المستقلة أو قراءة نتائجها جميعًا دفعة واحدة.

يمكن للكيودتات تمثيل فضاء حالات أكبر باستخدام عدد أقل من الوحدات الفيزيائية. وقد ناقش هذه الفكرة

مارتن رينغباور، عالم الفيزياء الكمومية في جامعة إنسبروك بالنمسا، في IEEE Spectrum

كبر فضاء الحالات لا يضمن تلقائيًا تسارع الخوارزميات أو انخفاض الأخطاء. تتوقف الفائدة على العمليات المتاحة، وسهولة التحكم ودقة القياس.

لذلك، من الأخبار الكبيرة أن فريقًا بحثيًا بقيادة أندريا موريلو في جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) بأستراليا قد طور منصة ذرية ذات فضاء حالات من 16 بُعدًا. يجمع هذا الفضاء حالات اللف المغزلي للإلكترون والنواة في ذرة أنتيمون واحدة؛ وهو ليس حاسوبًا عامًا مكتملًا من 16 كيوبتًا.

لتحقيق ذلك، استخدموا ذرة مانحة من نوع 123Sb (الأنتيمون)، تم زرعها أيونيًا في جهاز نانوي إلكتروني سيليكوني.

يمتد فضاء هيلبرت المشترك لحالات الإلكترون والنواة إلى 16 بُعدًا ويمكن التحكم فيه باستخدام حقول كهربائية ومغناطيسية، كما أوضح الباحثون ومنهم أندريا موريلو.

أظهر الفريق دقة بوابات تتجاوز 99% في اللف المغزلي النووي. توفر نواة الأنتيمون-123 مستويات أكثر من نواة الفوسفور-31، وليس السبب مجرد كونها أثقل أو أسهل في التحكم.

وأشار الباحثون إلى إمكان تحسين التماسك ودقة البوابات مستقبلًا باستخدام سيليكون-28 منقى نظائريًا مع تقليل السيليكون-29 المتبقي.

حالة تطوير الحوسبة الكمومية

لا يزال المجال في مراحله الأولى، مع ظهور مفاهيم جديدة، مثل الكيودتات والمحاكيات الكمومية القابلة للبرمجة.

بالإضافة إلى التقدم في إنشاء أنظمة تتجاوز 1,000 كيوبت، يُظهر ذلك أن الحوسبة الكمومية ستصبح على الأرجح مجالًا علميًا مهمًا جدًا في العقود القادمة، مع إمكانات هائلة غير مستغلة.

حاليًا، يتم تعزيز الأبحاث في علوم المواد أو الكيمياء الحيوية بواسطة الذكاء الاصطناعي، وهو ما ناقشناه في مقالتنا “الصناعات المزعزعة تتجمع حول تقنية أساسية – الذكاء الاصطناعي (AI)”.

قد تظهر تطبيقات عملية إضافية مع تحسن العتاد والخوارزميات، لكن الجدول الزمني غير مضمون. كانت بعض الأجهزة متاحة للبحث عبر السحابة في 2024، بينما ظلت الحوسبة المتحملة للأخطاء واسعة النطاق هدفًا بحثيًا.

الخطوة التالية ستكون تطوير برامج يمكنها تعظيم إمكانات الحوسبة الكمومية—وبدء إنتاج حواسيب كمومية على نطاق واسع لتقليل التكاليف وتوفير بعض المعايير.

لذا، في نواحٍ عديدة، الحوسبة الكمومية في المرحلة التي كانت فيها أول أطر الحواسيب التجارية تظهر في خمسينيات وستينيات القرن الماضي قبل أن تصبح أداة شائعة للأعمال والبحث في العقود التالية.

تطبيقات الحوسبة الكمومية

تشمل مجالات البحث المحتملة ما يلي، دون ضمان تفوق كمومي في جميع تطبيقاتها:

• نمذجة كيميائية حيوية: من تحديد الشكل ثلاثي الأبعاد للبروتين إلى التعبير الجيني، حساب الجزيئات البيولوجية المعقدة إلى الذرات قد يُحدث ثورة في أبحاث التكنولوجيا الحيوية.
• نمذجة المناخ: نماذج المناخ معقدة للغاية وتدفع حدود ما يمكن لأجهزة الحوسبة الفائقة الحالية القيام به. فهم أفضل للمناخ، مع مقياس حسابي أدق في النموذج، جغرافيًا وزمنيًا، قد 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 على مستوى الذرات الفردية يمكن أن يفتح تصاميم جديدة للمواد المستخدمة في الفضاء، البطاريات، الطباعة ثلاثية الأبعاد، التصنيع، إلخ.
• التشفير: قد تهدد حواسيب كمومية كبيرة متحملة للأخطاء بعض أنظمة المفتاح العام مثل RSA وECC. لكنها لا تبطل جميع أنواع التشفير بالطريقة نفسها. وتعمل تقنيات التشفير ما بعد الكمومي على مقاومة هذه المخاطر.

أسهم الحوسبة الكمومية

1. International Business Machines Corporation

IBM مخطط السعر

International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM) كانت القوة الرائدة وراء تجاريّة أول حاسوب رئيسي. ومع ذلك، تراجعت عن عمالقة التقنية الآخرين مثل Apple (AAPL ) و TSMC و NVIDIA.

مع ذلك، هي في طليعة تطوير الحواسيب الكمومية. على سبيل المثال، طورت حاسوبها الكمومي “Eagle” الذي يضم 127 كيوبت، تلاه نظام بـ 433 كيوبت يُعرف بـ “Osprey”.

وهذا الآن يتبع بـ “Condor”، معالج كمومي يضم 1,121 كيوبت فائق التوصيل قائم على تقنية بوابة التردد المتقاطع، إلى جانب “Heron”، معالج كمومي في طليعة المجال.

أخيرًا، أصدرت IBM نسخة Qiskit 1.0 في فبراير 2024، وهي مجموعة تطوير برمجيات الحوسبة الكمومية الأكثر شهرة، مع تحسينات في بناء الدوائر، أوقات التجميع، واستهلاك الذاكرة مقارنةً بالإصدارات السابقة.

قدمت IBM نظام Quantum System Two المعياري في ديسمبر 2023، وبدأ تشغيله بثلاثة معالجات Heron. يهدف التصميم إلى ربط موارد كمومية وتقليدية والتوسع مستقبلًا؛ ولا ينبغي وصفه بأنه جهاز عامل يضم 16,632 كيوبتًا استنادًا إلى أهداف مستقبلية.

قوة IBM كانت دائمًا منذ تأسيسها في تطوير الحواسيب الفائقة ذات القدرة الهائلة، وهو قطاع ظل مهملاً بسبب صعود الإلكترونيات الاستهلاكية والشرائح المعيارية. ظهور الحوسبة الكمومية هو فرصة لـ IBM لتتألق مرة أخرى وتصبح رائدة في هذا القطاع المهم القادم للبحث العلمي واحتياجات الحوسبة للمؤسسات الكبيرة.

2. Microsoft Corporation

بالفعل رائد في خدمات السحابة “العادية”، تُعد Microsoft (MSFT ) رائدة في تقديم خدمات الحوسبة الكمومية عبر السحابة من خلال Azure Quantum. من الممكن تمامًا أن تُجرى معظم الحوسبة الكمومية في المستقبل من قبل الباحثين “عن بُعد”، بالاعتماد على خدمات السحابة مثل ما تقدمه Microsoft، بدلاً من الوصول المباشر إلى حاسوبهم الكمومي الخاص.

هذا احتمال كبير لأن معظم تطبيقات الحوسبة الكمومية في النهاية سيبحث عنها علماء الكيمياء الحيوية، خبراء علوم المواد، علماء المناخ، وغيرهم من المتخصصين الذين لا يمتلكون خلفية محددة في الحوسبة الكمومية. لذا الاعتماد على محترفين متخصصين في شركات مثل IBM أو Microsoft أو Google للتعامل مع جزء الحوسبة يبدو أكثر منطقية من توظيف أو تدريب أشخاص غير متخصصين.

يمكن للخدمة أيضًا أن تقدم “الحوسبة الهجينة”، مزيجًا بين الحوسبة الكمومية وخدمة الحواسيب الفائقة القائمة على السحابة التقليدية.

المصدر: Microsoft

تعمل Microsoft مع مزودي تقنيات كمومية مختلفين. ومن الأسماء المذكورة في النقاش الأوسع للشركات والمنصات الكمومية: IonQ (IONQ)، Pasqal, Quantinuum, Quantum Computing Inc. (QUBT)، و Rigetti (RGTI).

المصدر: Microsoft

الحوسبة الكمومية ليست النشاط الرئيسي لـMicrosoft. وقد يوفر سهم شركة متنوعة تعرضًا مختلفًا عن سهم شركة كمومية صغيرة، لكنه ليس استثمارًا مضمونًا أو خاليًا من المخاطر. كما يجب التمييز بين Quantum Computing Inc. المدرجة بالرمز QUBT وشركات أخرى تستخدم اختصار QCI.

3. Alphabet Inc.

تُعد Google نشطة جدًا في مجال الحوسبة الكمومية، خاصةً من خلال مختبر Google Quantum AI وحرم Quantum AI في سانتا باربارا.

أعلنت Google في 2019 أن Sycamore نفذ اختبارًا متخصصًا في نحو 200 ثانية، وقدرت حينها أنه سيحتاج آلاف السنين بطرق تقليدية معينة. تعرضت تلك المقارنة للنقاش وتحسنت الخوارزميات التقليدية لاحقًا؛ ولم يكن الاختبار إثباتًا لتفوق عام في جميع الحسابات.

لكن ربما يكون أكبر إسهام لـ Google في البرمجيات، وهو مجال لديها سجل أفضل فيه مقارنةً بالأجهزة (البحث، G Suite، Android، إلخ). بالفعل، توفر Quantum AI من Google مجموعة من البرمجيات المصممة لمساعدة العلماء في تطوير الخوارزميات الكمومية.

من المحتمل أن تكون Google واحدة من الشركات التي تحدد معايير برمجيات الحوسبة الكمومية والبرمجة، مما يمنحها مكانة مميزة لتوجيه تطور المجال في المستقبل.

4. Quantinuum / Honeywell

Quantinuum هو نتيجة دمج Honeywell Quantum Solutions و Cambridge Quantum (وكما ذُكر، شريك Microsoft في الحوسبة الكمومية السحابية).

يبدو أن Quantinuum، في الوقت الحالي، يركز على قطاعات أقل استكشافًا من قبل أنظمة الحوسبة الكمومية الأخرى، خصوصًا التحليلات المالية وتحليلات سلاسل الإمداد، من خلال محرك Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) الذي أُطلق في سبتمبر 2023.

تُطبق QMCI على مشكلات لا حل تحليلي لها، مثل تسعير المشتقات المالية أو محاكاة نتائج تجارب الفيزياء الجسيمية عالية الطاقة، وتعد بتقدم حسابي عبر الأعمال، الطاقة، لوجستيات سلاسل الإمداد، وغيرها من القطاعات.

مثل Microsoft، الحوسبة الكمومية ليست الجزء المركزي في أعمال Honeywell، التي تركز أكثر على منتجات في الفضاء الجوي، الأتمتة، والكيماويات والمواد المتخصصة.

مع ذلك، بالنظر إلى أن كل قطاع من هذه القطاعات يمكن أن يستفيد من الحوسبة الكمومية، ليس من الصعب رؤية حالة الأعمال التي تجعل Honeywell تشارك.

تمنح حصة Honeywell في Quantinuum تعرضًا لأبحاث وخدمات كمومية. نتجت Quantinuum عن دمج أنشطة Honeywell Quantum Solutions مع Cambridge Quantum، وليست مجرد قسم أُدمج بالكامل في المجموعة.

5. Intel

Intel (INTC ) هي منتج رئيسي للشرائح وتبدو أنها تستهدف استغلال هذه القوة في مجال الحوسبة الكمومية.

أطلقت Intel شريحة Tunnel Falls ذات 12 كيوبتًا مغزليًا في السيليكون للباحثين. تستفيد من تصنيع CMOS القابل للتوسع، لكن ذلك لا يعني وجود حاسوب كمومي تجاري عام مكتمل أو إنتاج واسع لأجهزة متحملة للأخطاء. كما أن مردود التصنيع ليس مساويًا لدقة البوابات الكمومية.

المصدر: Intel

وفاءً لجذورها، تطور Intel أيضًا البرمجيات لاستخدام شرائحها، مع إصدار Intel Quantum SDK. يوفر هذا دليلًا للمبرمجين لتطوير برمجيات الحوسبة الكمومية المتوافقة مع تصميم شريحة Intel الكمومية، وهو ما كان تاريخيًا حصنًا تجاريًا قويًا ومربحًا لأعمال الشرائح التقليدية لـ Intel.

المصدر: Intel

وصول تصنيع شرائح كمومية قابلة للتوسع قد يكون ثوريًا للصناعة كما أي اختراق علمي آخر، مما يقلل التكاليف، ويضع معايير برمجية وبنية شريحة موحدة.

Intel شركة تعرف من خبرتها مدى قوة هذا التأثير في صناعة الحوسبة، ولا تزال تستفيد من ابتكاراتها وبراءات اختراعها منذ الستينات.

6. Defiance Quantum ETF

قطاع الحوسبة الكمومية لا يزال شابًا جدًا. حتى الآن، استحوذت عليه في الغالب الشركات التقنية الكبيرة ذات الجيوب العميقة التي تمول مليارات الدولارات لهذا النوع من البحث الأساسي.

مع ذلك، العديد من الشركات الصغيرة الأخرى نشطة أيضًا في المجال، بعضها يتعاون مع تلك العمالقة لنشر تقنيتها.

قد يكون من الصعب على المستثمرين غير المتخصصين فهم تعقيد تقنيات الحوسبة الكمومية المختلفة، ناهيك عن تخمين أي منها ستحقق نجاحًا تجاريًا.

قد يوفر صندوق متداول تنويعًا مقارنة بشراء سهم واحد، لكن نطاقه وتكاليفه وتركيزه تعتمد على منهجيته. بعض الصناديق ذات الاسم الكمومي تستثمر أيضًا في أشباه الموصلات والتعلم الآلي.

يحتوي Defiance Quantum ETF على مجموعة من الأسهم المرتبطة بالحوسبة الكمومية والتعلم الآلي والتقنيات المساندة، وتتغير مكوناته بمرور الوقت. الرقم 69 المذكور في النسخة الأصلية كان لقطة تاريخية، ولا يعني أن جميع الشركات تطور حواسيب كمومية مباشرة.

المصدر: Defiance ETF

يحتاج المستثمر إلى فهم مكونات الصندوق وأوزانها وتكاليفه ومخاطره. قد يقلل التنويع أثر فشل شركة واحدة، لكنه لا يمنع خسائر السوق أو يضمن نجاح الحوسبة الكمومية تجاريًا.