ما هو الحاسوب الكمومي
الفرق الرئيسي بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والترانزستور التقليدي
في الكمبيوتر الكلاسيكي ، يمكن تخزين بت واحدفقط رقم: صفر أو واحد. ومع ذلك ، تسمح فيزياء الكم بتراكب الحالات. يمكن أن تكون البتة الكمومية في حالة صفر وحالة واحدة في نفس الوقت - وهذا يفتح فرصًا مذهلة للحوسبة فائقة السرعة.
من أجل هذا يحتاج إلى الآلاف من أصحاب القوة الخارقةمعالجات. ونتيجة لذلك ، فإن العمليات الحسابية ، التي تتطلب جهاز كمبيوتر قويًا للألعاب أسبوعيًا ، يعمل الكمبيوتر العملاق في يوم واحد. ومع ذلك ، من المهم أن تعمل البرامج بشكل صحيح ، مع مراعاة الميزات التقنية للجهاز. خلاف ذلك ، فإن ما يعمل بشكل صحيح على 100 معالج سيتباطأ كثيرًا بمقدار 200.
تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بتخزين البيانات ومعالجتهاباستخدام بتات الكم - كيوبت. لا يمكن تشغيل هذا الأخير وإيقاف تشغيله فحسب ، بل يمكن أيضًا أن يكون في حالة عابرة ، أو حتى تشغيله وإيقاف تشغيله في نفس الوقت. استمرار التشابه مع المصابيح الكهربائية: يشبه الكيوبت الضوء الذي أطفأته ، لكنه لا يزال يومض. أو قط شرودنغر ، الحي والميت.
نظرًا لأن الأضواء الموجودة في الكمبيوتر الكمي تعمل وتنطفئ في نفس الوقت، فإن هذا يوفر الكثير من الوقت. لذلك، فهو يحل المشكلات المعقدة بشكل أسرع بكثير حتى من أي جهاز كلاسيكي قوي جدًا.
في عام 2001، إسحاق تشوانغ، رئيسقامت مجموعة أبحاث مختبر IBM، وهي أستاذ مساعد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ورائدة في مجال الحوسبة الكمومية، ببناء كمبيوتر كمي يعتمد على جزيء واحد. تمثل النتائج، التي نُشرت في مجلة Nature، أول تطبيق تجريبي لخوارزمية شور، وهي خوارزمية التحليل الكمي (تحليل العدد إلى عوامل أولية) التي تسمح للشخص بتحليل الرقم في الوقت المناسب.
عندما يكون لديك عدد كبير جدًا من الذرات، فهذا هو الحالتبدو وكأنها غابة كبيرة. كان من الصعب جدًا التحكم في ذرة واحدة بالذرة السابقة. يكمن التحدي في تنفيذ [الخوارزمية] في نظام معزول بدرجة كافية: وفي الوقت نفسه، يجب أن يظل نظامًا ميكانيكيًا كميًا لفترة كافية حتى تتمكن فعليًا من تنفيذ الخوارزمية بأكملها.
الاسم الاول الاسم الاخير
لا تشبه أجهزة الكمبيوتر الكمومية أجهزة الكمبيوتر العادية. هذه عبارة عن أسطوانات معدنية كبيرة ذات أسلاك ملتوية يتم إنزالها إلى وحدات تبريد.
ويمكن استخدامها لمهام مختلفة،بما في ذلك الحسابات في الكيمياء والفيزياء أو لإنشاء مواد جديدة. مجال آخر لتطبيق الكمبيوتر الكمي هو التشفير وقضايا الأمان. تشعر المؤسسات المالية والبنوك بهذه المشكلات بشكل حاد، وهذا ليس مفاجئًا: فقد حدثت مؤخرًا فضائح حول التسريبات والاختراقات.
سوف تسمح قدرات الكمبيوتر الكموميالوصول إلى أي معلومات ، لذلك حان الوقت للتفكير في حمايتها بمساعدة التقنيات ذات الصلة ، أو استخدام جهاز كمبيوتر كمي لإنشاء تشفير محسن.
ماذا يعني "التفوق الكمي"؟
التميز الكمي هو القدرة على حل مشكلة تتجاوز قدرات أحدث أجهزة الكمبيوتر العملاقة.
في السنوات الأخيرة ، تم إحراز تقدم كبيرتم تحقيقه في تطوير منصة فائقة التوصيل. يكمن جوهر التفوق الكمي في حقيقة أن الكمبيوتر الكمومي يحل بكفاءة مشكلة يستغرق الكمبيوتر العملاق الكلاسيكي وقتًا طويلاً.
حدث الاختراق الأول في نهاية أكتوبر 2019 ،عندما أعلنت شركة Google أنها طورت الكمبيوتر الكمي Google Sycamore: وفقًا لبياناتهم ، تعامل النظام مع مهمة في 200 ثانية تتطلب حوالي 10 آلاف عام من عمل أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية. هذا ما أطلقوا عليه مصطلح "التفوق الكمي".
إلا أن عمل الشركة قوبل بحصةالشك ، والمنافسون من شركة IBM حسبوا أنه في الواقع يمكن حل المشكلة المستخدمة في غضون يومين - وهو ما يكفي للحصول على ميزة ، ولكن ليس للتفوق الكامل.
المعلم التالي في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكموميةوقعت في بداية ديسمبر 2020. في الرابع من كانون الأول (ديسمبر) ، أصبح معروفًا أن العلماء الصينيين قد ابتكروا نموذجًا أوليًا للكمبيوتر الكمومي "Jiuzhang" ، والذي تعامل مع خوارزمية التحقق القياسية أسرع بـ 10 مليار مرة من Sycamore ، وهو نموذج أولي من 53 كيلو بت من كمبيوتر كمومي من Google. وقالت الشركة إن تطورها حقق أيضًا التميز الكمي.
اختبر العلماء القدرة الحسابية"Jiuzhang" باستخدام خوارزمية GBS الخاصة. تعامل النظام معها أسرع 100 تريليون مرة من أقوى كمبيوتر عملاق في الوجود. بالإضافة إلى ذلك ، قال المطورون إن قوة الحوسبة في أجهزتهم أكبر بـ 10 مليار مرة من Sycamore.
في عام 2001 ، Chuang ، رائد في الكمصمم حاسوبًا كميًا يعتمد على جزيء واحد يمكن الاحتفاظ به في حالة تراكب ومعالجته بالرنين المغناطيسي النووي لمضاعفة الرقم 15. وقد مثلت النتائج ، التي نُشرت في دورية Nature ، أول تطبيق تجريبي لخوارزمية شور. لكن النظام لم يكن قابلاً للتطوير. مع إضافة المزيد من الذرات ، أصبح من الصعب التحكم في النظام.
كيف سيتم استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية الجديدة؟
من أهم تطبيقات الكمالكمبيوتر الآن - التحلل إلى أعداد أولية. الحقيقة هي أن جميع أنظمة التشفير الحديثة تستند إلى حقيقة أنه لا يمكن لأحد أن يحلل بسرعة عددًا يتراوح من 30 إلى 40 رقمًا (أو أكثر) إلى عوامل أولية. على جهاز كمبيوتر نموذجي ، سوف يستغرق الأمر مليارات السنين. يمكن للكمبيوتر الكمومي القيام بذلك في حوالي 18 ثانية.
إذا افترضنا حقيقة وجود الكمسيصبح الكمبيوتر بعد فترة معيارًا اجتماعيًا ، وفي هذه الحالة لن يكون هناك أسرار في الفضاء الإلكتروني بأكمله ، حيث يمكن اختراق أي خوارزميات تشفير على الفور والوصول إلى أي شيء. هذا ينطبق على كل شيء - من التحويلات المصرفية إلى الرسائل في برنامج المراسلة.
تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا رائعة بالنسبة لـنمذجة المواقف المعقدة ، على سبيل المثال ، حساب الخصائص الفيزيائية للعناصر الجديدة على المستوى الجزيئي. ربما سيسمح هذا بإيجاد عقاقير جديدة بشكل أسرع أو حل المهام المعقدة كثيفة الاستخدام للموارد.
ماذا يمكن أن يفعل؟
- قواعد البيانات والبحث عنها.
سيصبح العمل مع البيانات الضخمة سريعًا بشكل لا يصدق.Shazam، والتوجيه، والشبكات العصبية، والذكاء الاصطناعي - كل هذا سيحصل على دفعة مذهلة. سيكون من الممكن أيضًا بناء نماذج لتفاعل مركبات البروتين المعقدة. وستكون هذه خطوة مهمة للغاية في مجال الطب، حيث تفتح الفرص لإنشاء أدوية مستقبلية، وفهم كيفية تأثير الفيروسات المختلفة علينا، وما إلى ذلك.
- تطبيقات التشفير.
بسبب السرعة الهائلة في التحلل البسيطالمضاعفات سيسمح الكمبيوتر الكمومي بفك تشفير الرسائل المشفرة بواسطة خوارزمية تشفير RSA المستخدمة على نطاق واسع. حتى الآن ، تعتبر هذه الخوارزمية موثوقة نسبيًا ، نظرًا لأن الطريقة الفعالة لتحليل الأرقام إلى عوامل أولية للكمبيوتر الكلاسيكي غير معروفة حاليًا. بفضل خوارزمية Shor الكمومية ، تصبح هذه المهمة مجدية تمامًا إذا تم بناء كمبيوتر كمي.
- البحث في الذكاء الاصطناعي.
تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من الناحية النظرية ، مناسبة بشكل جيدلاحتياجات التعلم الآلي. يتعاملون مع كميات كبيرة من البيانات في مسار واحد وقادرون على محاكاة شبكة عصبية ذات حجم أسي. في عام 2013 ، أعلنت شركة جوجل عن افتتاح مختبر أبحاث كمي في مجال الذكاء الاصطناعي. تجري فولكس فاجن بحثًا حول استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتطوير سيارات ذاتية القيادة وأنواع جديدة من البطاريات (باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية من Google و D-Wave). في نوفمبر 2018 ، أعلن القلق عن تطوير نظام إدارة حركة المرور (مع دمج المركبات غير المأهولة فيه) ، والذي يعمل باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية D-Wave.
- النمذجة الجزيئية.
من المفترض أن استخدام الكمستكون أجهزة الكمبيوتر قادرة على محاكاة التفاعلات الجزيئية والتفاعلات الكيميائية بدقة. التفاعلات الكيميائية ذات طبيعة كمومية. بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، يمكن حساب الجزيئات البسيطة نسبيًا فقط. وفقًا للخبراء ، فإن المحاكاة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية تفتح آفاقًا جديدة لتطوير الصناعة الكيميائية ، ولا سيما في إنشاء الأدوية.
وماذا عن روسيا؟
روسيا تشارك بنشاط في سباق الكم ، حولكتب هذا بواسطة Nature منذ حوالي عام. كما تم تبني "خارطة طريق لتطوير الحوسبة الكمومية". من حيث الوضع الحالي ، أنشأت روسيا عناصر أساسية لجميع منصات الحوسبة الكمومية الرئيسية.
الخطوة التالية هي توسيع نطاقها ومظاهرة حل المشكلات بمساعدة منهم. تجدر الإشارة إلى أن البرنامج لا يركز فقط على الأجهزة والمعالجات ، ولكن أيضًا على البرامج. يتطلب الاختراق التالي في الحوسبة الكمية بالتأكيد أفكارًا أصلية - وهي نقطة قوية تقليديًا للعلماء الروس.
في نهاية نوفمبر 2020 أصبح معروفًاإنشاء اتحاد مختبر الكم الوطني (NKL). وسيقوم الكونسورتيوم، الذي يضم هياكل روساتوم ومؤسسة سكولكوفو والجامعات، بتصدير تقنيات الكم وتطوير البنية التحتية. لكن المهمة الرئيسية هي إنشاء كمبيوتر كمي.
كجزء من "خارطة الطريق" "الحوسبة الكمية"من المخطط بناء مركز تصنيع نانوي على أراضي سكولكوفو بمساحة ألفي متر مربع. م وكذلك مجمع معمل متطور بمساحة تزيد عن 3.5 ألف متر مربع. م.
من بين المؤشرات الرئيسية المشار إليها في "الطريقmap "، التي من المقرر تحقيقها ، بما في ذلك من خلال إنشاء NKL ، - بحلول نهاية عام 2024 ، يجب على أعضاء الاتحاد إنشاء أنظمة حوسبة على منصات كمية مختلفة بسعة 30 إلى 100 كيوبت ، وتسجيل 40 براءة اختراع دولية سنويًا.
اقرأ أيضًا:
تبين أن نهر Doomsday الجليدي أكثر خطورة مما اعتقد العلماء. نقول الشيء الرئيسي
شاهد أكبر جبل جليدي مأخوذ من الجو
اختبرت الصين لأول مرة "الشمس الاصطناعية"