الحالة الحالية للحوسبة الكمومية

الحوسبة الكمومية مختلفة

الحوسبة الكمومية هي فكرة استخدام الفيزياء الكمومية لإجراء الحسابات، والتي تختلف عن طرق الحوسبة التقليدية القائمة على أشباه الموصلات. بدلاً من توليد 0 و 1 (عدم وجود تيار أو وجود تيار)، تستخدم “بتات كمومية”، تُسمى الكيوبتات، حيث تكون بيانات الجسيم إما 0 وَ 1 في آن واحد، أو 1، أو 0.

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

تعمل الحوسبة التقليدية بطريقة خطية وتواجه صعوبة في الحسابات المعقدة جدًا، مثل نمذجة المناخ، التشفير، أو التكوين ثلاثي الأبعاد للجزيئات المعقدة مثل البروتينات. وهذا بالضبط هو نوع الحسابات التي يُتوقع أن تتفوق فيها الحوسبة الكمومية.

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

الحوسبة الكمومية صعبة

لذلك، مع الوعد بأن الحواسيب الفائقة الكمومية ستؤدي بألف مرة أفضل من الحالية، ليس من المفاجئ أن يتم إجراء الكثير من الأبحاث لجعلها واقعًا.

لكن المشكلة هي أن إنشاء حتى كيوبت واحد صعب تقنيًا. الصعوبة الأولى هي أن الحوسبة الكمومية تعمل فقط في درجات حرارة منخفضة جدًا، حوالي مئة درجة فوق الصفر المطلق. فقط في هذه الظروف تتحول بعض المواد الفريدة إلى موصلات فائقة (مواد لا مقاومة لها كهربائية). وهذا يتطلب طاقة، وهو مكلف، وصعب التحقيق.

ثم، التحكم، التلاعب، وقراءة البيانات في الكيوبت أيضًا معقد، عادةً ما يتطلب ليزرًا فائق الدقة، مجاهر ذرية، وأجهزة استشعار. وأخيرًا، أي تداخل سيجعل الكيوبت غير صالح، لذا يجب تحقيق فراغ كامل أيضًا.

بينما تُعالج شرائح أشباه الموصلات المادة على مقاييس لا تتجاوز عددًا قليلًا من الذرات، تسعى الحوسبة الكمومية إلى التعامل مع المادة على مقياس الجسيمات. ومن الجدير بالذكر أن الحاسوب الكمومي العملي سيتطلب آلاف الكيوبتات لتظل مستقرة وتتفاعل مع بعضها البعض.

تقدم الحوسبة الكمومية

تجاوز عتبة 1,000 كيوبت

قامت فريق بقيادة الأستاذ جيرهارد بيركل من مجموعة البحث “Atoms – Photons – Quanta” في قسم الفيزياء بجامعة TU Darmstadt in Germany بإنشاء أكبر حاسوب كمومي حتى الآن.

لقد أنشأوا حاسوبًا كموميًا يضم 1,000 كيوبت ذري يمكن التحكم فيها بشكل فردي، متفوقين في السباق في هذا المجال على العديد من الفرق العلمية الأخرى.

المصدر: Optica

العدد 1,000 هو جزئيًا رمزي ولكنه أيضًا تقريبًا العدد المتوقع المطلوب لتطبيقات ذات معنى للحواسيب الكمومية. أقل من ذلك، تكون في الغالب مجرد فضول علمي وفكرة واعدة، ولكن ليس أكثر من ذلك.

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

من خلال إتقان استخدام هذه الملاقط الضوئية، أظهر الأستاذ بيركل أن الحواسيب الكمومية الكبيرة، التي تضم آلاف الكيوبتات، يمكن تصميمها. وهذا بدوره سيزود الباحثين الآخرين بالأداة الأساسية اللازمة لإجراء الحسابات الكمومية.

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.

لحل هذه المشكلة، الوضع المثالي هو تطوير “محاكي كمومي” حيث يمكن للكيوبتات محاكاة سلوك الجسيمات الكمومية. ذلك لأن الكيوبتات تستخدم نفسها خصائص الكم مثل التشابك الفائق والتراكب، وهي الجوانب التي يصعب محاكاتها في حاسوب عادي.

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.

Natalia Chepiga and her research group, assistant professor at Delft University of Technology in the Netherlands, might have found a solution.

تقترح بروتوكولًا يخلق محاكيًا كموميًا قابلاً للتحكم بالكامل في ورقة علمية نُشرت في Physical Review Letters. يعمل ذلك باستخدام ليزرين بترددات أو ألوان مختلفة، مما يضيف بُعدًا إضافيًا إلى الحساب. نظريًا، يمكن توسيع هذه الطريقة لإضافة أكثر من بُعدين إلى حسابات المحاكي الكمومي.

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).

الكيوبدات بدلاً من الكيوبتات

تركز معظم تصاميم الحوسبة الكمومية على الكيوبتات، وجعلها أسهل في التلاعب/البرمجة وإضافة المزيد منها. بديل لذلك هو استخدام الأرقام الكمومية، أو ما يُسمى “الكيوبدات”.

“يمكن للكمبيوتر الكمومي الذي يحتوي على x كيوبت أن يُجري 2^x عملية حسابية. ومع ذلك، يمكن للآلة التي تحتوي على عدد x من الكيوبدات، حيث D تمثل عدد الحالات لكل كيوبد، أن تُجري D^x عملية حسابية.

هذا يعني أنه يمكنك ترميز نفس المعلومات في عدد أقل من الجسيمات الكمومية عند استخدام الكيوبدات،

Martin Ringbauer, a quantum physicist at the University of Innsbruck in Austria in IEEE Spectrum

بعبارات أبسط، كلما زادت أبعاد D في نظام الحوسبة الكمومية، كلما أصبح أقوى بصورة أسية. بالإضافة إلى أن هذه الحسابات الأكثر كفاءة باستخدام الكيوبدات بدلاً من الكيوبتات، من المتوقع أن تكون أكثر موثوقية وأقل عرضة لحدوث أخطاء حسابية مقارنةً بالكيوبتات.

لذلك، من الأخبار الكبيرة أن a team of researchers led by Andrea Morello at the USNW in Australia قد أنشأ نظام حوسبة كيوبدات ذو 16 بُعدًا، عالي التحكم. مع D=16، أي عدد من الكيوبدات يُضاف إلى النظام يزيد من سعة الحوسبة بقوة 16.

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

“المجال هيلبرت المشترك للذرة يمتد إلى 16 بُعدًا، ويمكن الوصول إليه باستخدام كل من الحقول الكهربائية والمغناطيسية للتحكم. Andrea Morello”

حقق هذا النظام نتائج ملحوظة؛ خصوصًا، “السبين النووي يُظهر بالفعل دقة بوابات تتجاوز 99% بغض النظر عن آلية القيادة”. كما أن ذرة الأنتيمون تمثل تحسينًا مقارنةً بالذرة المستخدمة سابقًا 31P (الفوسفور)، حيث أن الأنتيمون ذرة أثقل وأسهل في التلاعب.

هذا الإنجاز التقني والعلمي يتحسن أيضًا، خصوصًا باستخدام سيليكون 28Si منقّى إيزوتوبيًا، وإزالة تركيز 29Si المتبقي، وتحسين موثوقية النظام (أوقات التماسك ودقة البوابات).

حالة تطوير الحوسبة الكمومية

المجال لا يزال في مراحله الأولى، مع بروز مفاهيم جديدة تمامًا، مثل الكيوبدات القابلة للاستخدام أو المحاكيات 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)”.

لكن قريبًا، في السنوات 5-10 القادمة، قد نبدأ في رؤية نتائج عملية لحسابات الحوسبة الكمومية. الأجهزة الآن تنتقل من التجارب الفكرية وعروض المختبر إلى نماذج أولية من الحواسيب البحثية التجارية.

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

على الرغم من صعوبة التنبؤ الكامل، نعرف بالفعل بعض القطاعات التي ستستفيد بشكل كبير من انتشار الحوسبة الكمومية:

• 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 تجعل الحواسيب الكمومية جميع طرق التشفير الحالية قديمة. هذا قلق جدي للأنظمة العسكرية والمالية وتكنولوجيا المعلومات. لكن في الوقت نفسه، قد تجعل التشفير أكثر أمانًا.

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.

بالنظر إلى المستقبل، أعلنت IBM بالفعل عن هدفها الرئيسي التالي في توقع أن شرائحها الكمومية الحالية “تتجاوز” البنية التحتية المستخدمة حاليًا. هذا الهدف يُعرف بـ “IBM Quantum System Two”؛ نظام معياري يمكنه دعم ما يصل إلى 16,632 كيوبت.

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

بدلاً من التكامل الرأسي، نهج Microsoft في الحوسبة الكمومية كان إقامة شراكات مع القادة في المجال تغطي تقريبًا جميع التقنيات الممكنة لتحقيق الحوسبة الكمومية، مثل IonQ (IONQ)، Pasqal, Quantinuum, QCI (QUBT), و Rigetti (RGTI).

المصدر: Microsoft

الحوسبة الكمومية ليست مركزية في أعمال Microsoft، على الأقل في الوقت الحالي. ومع ذلك، هي لاعب أساسي في القطاع وقد تكون خيارًا استثماريًا “أكثر أمانًا” مقارنةً بشراء أسهم شركائها في الحوسبة الكمومية المتداولة علنًا، مثل QCI أو Rigetti.

3. Alphabet Inc.

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

سجل حاسوب Google الكمومي تاريخًا في عام 2019 عندما ادعت Google تحقيق “تفوق كمومي” باستخدام جهاز Sycamore، حيث أجرى حسابًا في 200 ثانية كان سيستغرق حاسوبًا فائقًا تقليديًا 10,000 سنة.

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.

لذلك تجعل Honeywell نفسها مزودًا لخدمات الحوسبة الكمومية وإحدى الشركات التي قد تستفيد من تطبيق الحواسيب الكمومية في حالات الأعمال الواقعية، وهو ما سيساعد دمج Quantinuum في المجموعة على تسريع ذلك مقارنةً بمنافسيها الصناعيين.

5. Intel

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

أطلقت مؤخرًا “Tunnel Falls”، “أكثر شريحة كيوبت سبين سيليكونية تقدماً”. ما يثير الإعجاب هو أنها ليست نموذجًا أوليًا بل شريحة مُصنعة على نطاق واسع، بمعدل إنتاجية 95% عبر الرقاقة وتوحيد الجهد. يفتح هذا الطريق للإنتاج الضخم لشرائح الحوسبة الكمومية، وهو ما يزال نادرًا في صناعة ناشئة وسريعة التغير.

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.

لذلك، بينما الاستثمار المباشر في الشركات الناشئة الصغيرة في الحوسبة الكمومية خيار، هناك خيار آخر وهو الاعتماد على صندوق ETF للحصول على تعرض للقطاع مع تنويع بتكلفة أقل.

يحتوي Defiance Quantum ETF على 69 سهمًا مختلفًا مرتبطًا بالحوسبة الكمومية في محفظته، بما في ذلك مطوري الحواسيب والشرائح الكمومية، بالإضافة إلى موردي أنظمة التبريد، الليزر، البرمجيات، وغيرها من التقنيات المستخدمة في الحواسيب الكمومية أو إنتاج الشرائح الكمومية.

المصدر: Defiance ETF

في هذا المجال سريع التطور، من المحتمل أن يستفيد معظم المستثمرين، حتى أولئك المألوفين بصناعة أشباه الموصلات، من درجة من التنويع. لذا يمكن تحقيق ذلك إما بالمراهنة على عمالقة التقنية الفردية الذين يتخذون قرارات شراكة صحيحة أو عبر مجموعة واسعة من الأسهم، وهو ما يُحقق غالبًا بكفاءة أكبر من خلال صندوق ETF مخصص.