المجموعات

ما الذي سيتغير بالضبط في الحوسبة الكمومية؟

ما الذي سيتغير بالضبط في الحوسبة الكمومية؟

في كانون الثاني (يناير) الماضي ، أعلنت شركة IBM في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية في لاس فيغاس أنها تقدم أول كمبيوتر كمي متكامل في العالم لأغراض الأعمال والبحث ، وسيتم توفيره في وقت لاحق من هذا العام. أدى هذا إلى زيادة التغطية الصحفية التي عادة ما تتنفس حول كيفية تغيير أجهزة الكمبيوتر الكمومية كل شيء. الحقيقة هي أننا لسنا متأكدين حقًا مما ستتغير الحوسبة الكمومية ، لكن هذا لا يعني أن كل هذه الضجة. قد لا "يغير كل شيء" ، ولكن من المحتمل ألا يتأثر أي شيء به ، حتى لو كان بشكل غير مباشر.

ما هي الحوسبة الكمومية وماذا تفعل؟

الحوسبة الكمومية هي عندما يستخدم الكمبيوتر التراكب الكمي للجسيمات لتخزين البيانات بالطريقة التي يعمل بها القليل في الكمبيوتر الكلاسيكي. Qubits ، كما يطلق عليها ، موجودة في حالة غير محددة بشكل شامل يحدها 1 و 0. هذا يعني أنها يمكن أن تكون 1 أو 0 أو كليهما 1 و 0 لأن الكون لم يقرر بعد أيهما يريد أن يكون.

يتيح لنا ذلك إجراء العديد من العمليات الحسابية في وقت واحد من خلال استغلال تراكبات هذه الكيوبتات ، مما يفتح الباب أمام حل فئات من المشكلات التي قد تتطلب مئات إن لم يكن آلاف السنين لحلها باستخدام جهاز كمبيوتر كلاسيكي.

ومع ذلك، هناك كمية الصيد. تعد الحوسبة الكمومية شيئًا حساسًا بشكل استثنائي لأن الحفاظ على جسيم كمي معلق في تراكب لا يمكن أن يتم إلا لحوالي 100 ميكروثانية. كما يحتاج أيضًا إلى درجات حرارة شديدة البرودة وموصلات فائقة ، وليست بالضبط الأشياء التي تناسب جهاز iPhone الخاص بك. هذا النوع من الأجهزة يجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية معدات عالية التخصص وهي عملية فقط لمهام محددة جدًا في الوقت الحالي ، أشياء مثل نمذجة التنبؤ ومشاكل التحسين على الأنظمة المعقدة مع عدد كبير من المتغيرات.

راجع أيضًا: قد يؤدي مولد العدد العشوائي للكم العملي الأول إلى إحداث ثورة في أمان الإنترنت

وحتى ذلك الحين ، سيحتاج استخدامها في البداية إلى تقنين لفترة من الوقت ، تمامًا كما كانت تستخدم UNIVACs القديمة. سيستخدم مركز السيطرة على الأمراض (CDC) أجهزة الكمبيوتر الكمومية لنمذجة موسم الإنفلونزا القادم ، لذلك سيتعين على المستشفيات المحلية التي ليست مراكز بحث رئيسية أن تنتظر في المنتصف باتجاه الجزء الخلفي من طابور طويل جدًا حتى تنتهي. هذا ما لم يظهر Goldman Sachs في حاجة إلى القيام بالتنبؤ المالي قبل أن تصل إلى رأس الصف.

إذن ما الذي سيتغير مع الحوسبة الكمومية؟

أولاً ، الشيء الوحيد الذي نعرفه بالتأكيد هو أن تشفير RSA الحديث هو الخبز المحمص. يعتمد تشفير RSA على الاستحالة العملية لإيجاد الكمبيوتر الكلاسيكي للعوامل الأولية الصحيحة لعدد صحيح كبير جدًا ، مثل النوع الكبير المكون من 500 رقمًا. قد يستغرق هذا مئات السنين باستخدام أكثر الخوارزميات كفاءة لدينا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي ، وآلاف السنين إذا حاولت للتو أن تشق طريقك بقوة إلى إجابة.

السبب في إمكانية حل هذه المشكلة باستخدام كمبيوتر كمي هو أنه تم حلها بالفعل بواسطة Peter Shor في عام 1994. تحتاج خوارزمية Shor ، كما يُطلق على حله ، إلى كمبيوتر كمي قوي بما يكفي للتشغيل من أجل كسر تشفير RSA ، وواحد غير موجود بعد. سيحدث ذلك قريبًا ، وستكون الطريقة التي نؤمن بها البيانات فعالة مثل استخدام مزلاج خطاف وحلقة على بابك الأمامي في تأمين منزلك. سيتعين علينا ابتكار طريقة مختلفة تمامًا لتأمين جميع بياناتنا الحالية ، التي نعرفها كثيرًا.

أما بالنسبة للأشياء نحن يفكر ستتغير الحوسبة الكمومية ، المرشح الأول هو الطريقة التي ننظم بها أنظمة المستوى الكلي مثل البنية التحتية للاتصالات والطرق. كيفية جعل هذه الأنظمة متوازنة على النحو الأمثل بين التكلفة والمنفعة هي أحد الأمثلة على نوع المشكلة التي قد تتمكن الحواسيب الكمومية من حلها بفضل التراكب الكمي للكيوبتات.

مشكلة التحسين نفسها تصيب سلسلة التوريد العالمية ، وهذا ليس بالأمر الهين. يهدر قطاع النقل مبلغًا لا يوصف من المال - نتحدث هنا عن مئات المليارات من الدولارات - بسبب أنواع عدم الكفاءة الخفية التي سيحددها التحسين.

وليس من المرجح أن تستفيد الحكومات والشركات فقط من الحوسبة الكمومية ، ولكن الطب وعلم الفلك والعلوم الأخرى هم مرشحون ممتازون للتقدم التحويلي. يمتلك علماء الفلك الذين يطاردون الكواكب الخارجية جبالًا من البيتابايتات من البيانات التي يجب معالجتها من أجل استخلاص رؤى ذات صلة علميًا منها ، وهذا هو نوع معالجة البيانات الذي نعتقد أن الحوسبة الكمية ستتغير بطريقة تحويلية.

في الطب ، يمكن للحوسبة الكمومية أن تسرع من وتيرة الاختراقات الطبية بمعدل لا يصدق من خلال معالجة أنواع المشكلات متعددة المتغيرات التي تجعل البحث في هذه المجالات مثل هذا التحدي. من خلال استغلال التراكب الكمي للكيوبتات لنمذجة أنواع التحليل المستخدمة عند البحث عن الأمراض وتطوير أدوية جديدة ، قد نكتشف جميع أنواع الأدوية والعلاجات الجديدة التي لم يخطر ببال أحد.

قد يكون التطور الأكثر أهمية في الفيزياء ، حيث يأمل الباحثون الذين يستكشفون الموصلية الفائقة أن يستخدموا يومًا ما الحوسبة الكمومية لتحديد مادة فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة باستخدام الكيوبتات لنمذجة مركبات مختلفة واختبار خصائصها.

إذا تم العثور على مثل هذا الموصل الفائق ، ثم هذا إرادة تغيير كل شيء بصدق. سيسمح لنا بالتخلص من فقدان الطاقة من نقل الكهرباء وتحويل شبكة الطاقة لدينا ، مما يقلل من توليد الطاقة المطلوب لتشغيل كل شيء إلى جزء صغير مما هو عليه اليوم. إذا قللنا متطلباتنا من الطاقة بشكل كافٍ ، فيمكننا تزويد العالم بالطاقة المتجددة قريبًا جدًا.

إذن ما الذي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكمومية فعله؟

تكمن قوة الحوسبة الكمومية في تراكبات الكيوبتات الخاصة بها. ومع ذلك ، فإن ما نفعله بهذه البيانات لن يساعده الحوسبة الكمية على الإطلاق ، على الأقل ليس بأي طريقة يمكننا رؤيتها الآن. لن يقوم الكمبيوتر الكمومي "بتشغيل برنامج" بالطريقة التي تعمل بها أجهزة الكمبيوتر لدينا اليوم ؛ سيتعين على أجهزة الكمبيوتر الكمومية تشغيل تعليمات البرنامج سطرًا بسطر تمامًا كما يفعل الكمبيوتر التقليدي. لا يساعد التراكب بشكل عام في جعل هذا أسرع.

من المتصور أنه بعد اكتشاف الفيزيائيين والكيميائيين موصلًا فائقًا في درجة حرارة الغرفة ، يمكن جعلها صغيرة بما يكفي لتلائم خوادم الشبكة أو أجهزة الكمبيوتر المنزلية ، ولكن إذا استخدمنا الحوسبة الكمية في مهام الحوسبة اليومية ، فمن المرجح أن وصل جهاز الكمبيوتر الكلاسيكي الخاص بنا إلى نقطة في برنامج يتطلب نوع المهمة التي يتم التعامل معها بشكل أفضل من خلال الكمبيوتر الكمي ، مثل تحليل العدد الصحيح ، وسيتصل إما بجهاز كمبيوتر كمومي قائم على السحابة لمعالجة هذه المشكلة للحصول على نتيجة ، أو استخدم شريحة كمية مدمجة ، QPU ، لحلها بالطريقة التي تعالج بها الرسومات الخارجية لوحدة المعالجة المركزية حاليًا إلى وحدة معالجة الرسومات.

زيادات في الأداء تصل إلى مليون ضعف والتي يتوقعها البعض على الرغم من أنها ستحدث فقط في البرامج سيئة الكتابة والتي تتعثر مرارًا وتكرارًا في أداء خوارزميات معقدة غير ضرورية يتم تمريرها إلى وحدة QPU. لن يقوم أي برنامج مكتوب جيدًا بتنفيذ خوارزمية عامل القوة الغاشمة في أي برنامج من المحتمل أن يتم تشغيله في حياتنا اليومية.

نحن ببساطة لا نعرف حدود الخوارزميات الكمية

ومع ذلك ، لم يعتقد أحد أن Mark 1 أو UNIVAC سيتطور إلى أي شيء يتجاوز آلة حاسبة بحجم الغرفة. لم يتمكنوا من التنبؤ بأنواع الاستخدامات التي ستوضع لها تلك الحسابات.

اليوم ، نقوم ببناء آلات حاسبة كمية بحجم الغرفة وهذا كل ما يمكننا رؤيتها حقًا ؛ في يوم من الأيام ، سيظهر لنا شخص ما كيف كنا نفكر كثيرًا جدًا. بعد كل شيء ، لم يكن الأمر كذلك حتى قام مطورو اللغة الأساسية بتضمين أمر INPUT أثناء المراجعة الثالثة للغات حتى أدرك أي شخص أنه بإمكانه الآن كتابة برنامج يعمل كلعبة وتشغيله على جهاز كمبيوتر مركزي.

حتى ألعاب الفيديو الأكثر تقدمًا أو فقط 1 و 0. الخوارزميات وأجهزة الإدخال / الإخراج مثل الشاشات ولوحات المفاتيح تجعل هذه 1 و 0 أكثر من مجرد حسابات.

في النهاية ، من السابق لأوانه معرفة أي شيء على وجه اليقين دون أن تبدو أحمقًا في غضون 10 سنوات. علماء الكمبيوتر وعلماء الرياضيات النظريون ، الذين غالبًا ما يطورون الخوارزميات التي يتم دمجها في البرامج التي نستخدمها في حياتنا اليومية ، بدأوا الآن فقط في استكشاف أنواع الخوارزميات الكمية التي يمكن تشغيلها على الكمبيوتر الكمومي. بعد تطوير هذه الخوارزميات ، سيكون الأمر متروكًا للآخرين لتنفيذ تلك الخوارزميات الكمومية الجديدة في أنواع مختلفة من البرمجة.

ما يمكننا قوله ، مع ذلك ، هو تلك الأشياء إرادة مع الحوسبة الكمومية والتطور اللاحق لخوارزميات الكم المتقدمة وأن هذا التغيير قادم قريبًا.


شاهد الفيديو: ما هو الفرق بين علوم الحاسوب وهندسة البرمجيات? تجارب مطور 32 (شهر نوفمبر 2021).