نظرية الكم والحوسبة

نظرية الكم والحوسبة

هي مجال الدراسة التي تركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر على أساس مبادئ نظرية الكم

- تستعد الحوسبة الكمومية لرفع مستوى الصناعات بأكملها من الاتصالات السلكية واللاسلكية والأمن السيبراني إلى التصنيع المتقدم والتمويل والطب وما بعده، لكن قلة منّا تفهم كيفية تطبيق نظرية الكم والحوسبة في الحواسيب الكمومية التي تمت صناعتها بالفعل!

ما هي الحوسبة الكمومية

- تنبع الحوسبة الكمومية انطلاقًا من نظرية الكم والحوسبة وهي مجال الدراسة التي تركز على تطوير تكنولوجيا الكمبيوتر على أساس مبادئ نظرية الكم، والتي تشرح طبيعة وسلوك الطاقة والمادة على مستوى الكم (الذري ودون الذري)، إذ إن تطوير حاسوب كمومي من شأنه أن يمثل قفزةً إلى الأمام في قدرة الحوسبة أكبر بكثيرٍ من تلك الموجودة حاليًّا مع تحقيق مكاسبَ في الأداء.

- اليوم؛ تشمل مراكز البحوث الحالية في مجال الحوسبة الكمومية معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، آي بي إم، جامعة أكسفورد، ومختبر لوس ألاموس الوطني.

- نشأت العناصر الأساسية في نظرية الكم والحوسبة وتطبيقها في الحوسبة الكمومية مع Paul Benioff  الذي كان يعمل في مختبرات Argonne National، في عام 1981.

ما هي النظرية الكمومية

- بدأ تطور نظرية الكم في عام 1900 بعرض تقديمي قدمه ماكس بلانك إلى الجمعية الفيزيائية الألمانية، والذي قدم فيه فكرة أن الطاقة موجودةٌ على شكل كماتٍ منفصلةٍ (والتي أطلق عليها اسم كوانتا).

- لاحقًا؛ أدت التطورات الأخرى التي قام بها عددٌ من العلماء على مدى السنوات الثلاثين التالية إلى الفهم الحديث لنظرية الكم والحوسبة عمومًا.

مقارنة بين الحوسبة الكلاسيكية والكمية

- تعتمد الحوسبة الكلاسيكية في مستواها النهائي على المبادئ التي عبر عنها الجبر المنطقي، والتي تعمل وفقًا لمبدأ البوابة المنطقية حيث يجب معالجة البيانات في حالةٍ ثنائيةٍ حصريةٍ في أي وقتٍ من الأوقات أي 0 (إيقاف / خطأ) أو 1 (تشغيل / صحيح).

- تلك القيم هي أرقامٌ ثنائيةٌ أو بتاتٌ ويمكن أن تكون ملايين الترانزستورات والمكثفات الموجودة في قلب أجهزة الكمبيوتر في حالةٍ واحدةٍ فقط في أي وقتٍ.

- على النقيض من ذلك، يمكن للكمبيوتر الكمي أن يعمل مع بوابة منطق ثنائية الوضع XOR ووضع سنسميه QO1، وهي القدرة على تغيير 0 إلى تراكب 0 و 1 والتي هي بوابةٌ منطقيةٌ لا يمكن أن توجد في الحوسبة الكلاسيكية.

- في الكمبيوتر الكمومي يمكن استخدام عددٍ من الجزيئات الأولية مثل الإلكترونات أو الفوتونات (في الممارسة العملية، تم أيضًا تحقيق النجاح مع الأيونات)، إما أن تكون شحنتها أو استقطابها بمثابة تمثيل لـ 0 و / أو 1.

- تُعرف هذه الجسيمات باسم البتة الكمومية أو qubit، وتشكل طبيعة هذه الجسيمات وسلوكها أساس نظرية الكم والحوسبة وإنّ الجانبين الأكثر أهميةً في فيزياء الكم هما مبدأ التراكب والتشابك.

ما هي برمجة الكم

- لعل ما هو أكثر إثارةً للاهتمام من القوة المطلقة للحوسبة الكمومية هي القدرة التي يقدمها لكتابة البرامج بطريقةٍ جديدةٍ تمامًا، على سبيل المثال يمكن أن يتضمن الكمبيوتر الكمومي تسلسل برمجة يكون على غرار أخذ كل التراكبات لجميع الحسابات السابقة، وهو أمرٌ لا معنى له مع الكمبيوتر الكلاسيكي، والذي سيتيح طرقًا سريعةً للغاية لحل بعض المشكلات الرياضية، مثل تحليل الأعداد الكبيرة ،كالمثال الذي نناقشه أدناه.

- كان هناك نجاحان ملحوظان حتى الآن في تطبيق نظرية الكم والحوسبة فالأول حدث في عام 1994 بواسطة بيتر شور (الآن في AT&T Labs) الذي طور خوارزمية كمية يمكن أن تحدد أعدادًا كبيرةً بكفاءةٍ، حيث إنه يركز على نظام يستخدم نظرية الأعداد لتقدير دورية تسلسل الأعداد الكبيرة.

- في حين حدث الاختراق الرئيسي الآخر مع شركة Lov Grover of Bell Labs عام 1996  باستخدام خوارزميةٍ سريعةٍ جدًا ثبت أنها الأسرع في البحث من خلال قواعد البيانات غير المهيكلة، وأثبتت أن الخوارزمية فعالةٌ لدرجة أنها تتطلب فقط في المتوسط تقريبًا الجذر التربيعي N (حيث N هو العدد الإجمالي للعناصر) للبحث عن النتيجة المرجوة بدلًا من البحث في الحوسبة الكلاسيكية.

شارك المقال