ما المقصود بالحوسبة الكمومية؟

ميكانيكا الكم هي مجال الفيزياء الذي يدرس سلوك الجسيمات على المستوى المجهري. وعلى المستويات دون الذرية، تختلف المعادلات التي توصف كيف تتصرف الجسيمات عن المعادلات التي تصف العالم المجهري من حولنا. تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من هذه السلوكيات في إجراء عمليات الحوسبة بطريقة جديدة تمامًا.

يعمل جهاز الكمبيوتر الكمومي باستخدام مبادئ الكم. تتطلب المبادئ الكمية قاموسًا جديدًا للمصطلحات لتُفهم بشكل كامل، وهي المصطلحات التي تشمل التراكب والتشابك وعدم التماسك. لنفهم هذه المبادئ فيما يلي.

التراكب

على غرار الموجات في الفيزياء التقليدية، ينص التراكب على أنه يمكنك إضافة حالتين كموميتين أو أكثر وستكون النتيجة حالة كمومية صالحة أخرى. وعلى العكس من ذلك، يمكنك أيضًا تمثيل كل حالة كمومية باعتبارها مجموع حالتين مميزتين أو أكثر. هذا التراكب للوحدات الكمومية يعطي أجهزة الكمبيوتر الكمومية توازيها المتأصل، ما يسمح لها بمعالجة ملايين العمليات بشكل متزامن.

التشابك

يحدث التشابك الكمومي عندما يرتبط نظامان بشكل وثيق لدرجة أن المعرفة بأحدهما يعطيك معرفة فورية بالآخر، بغض النظر عن مدى بُعد كل منهما عن الآخر. تستطيع المعالجات استخلاص استنتاجات حول أحد الجزيئات عن طريق قياس جزيء آخر. على سبيل المثال، يمكنها تحديد أنه إذا كانت هناك وحدة كمومية تدور في الاتجاه الصاعد، فإن الأخرى تدور في الاتجاه الهابط في جميع الأحوال، والعكس صحيح. يسمح التشابك الكمومي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بحل المشكلات المعقدة بشكل أسرع.

عند قياس الحالة الكمومية، تتداعى الوظيفة الموجية وتقيس الحالة إما بصفر وإما بواحد. وفي هذه الحالة المعروفة أو المحددة، تعمل الوحدة الكمومية عمل الوحدة التقليدية. التشابك هو قدرة الوحدات الكمومية على ربط حالتها بوحدات كمومية أخرى.

عدم التماسك

عدم التماسك هو فقدان الحالة الكمومية في الوحدة الكمومية. يمكن أن تسبب العوامل البيئية، مثل الإشعاع، تداعي الحالة الكمومية للوحدات الكمومية. وهناك تحدي هندسي كبير يواجه إنشاء كمبيوتر كمومي، ألا وهو تصميم الميزات المختلفة التي تحاول تأخير عدم تماسك الحالة، مثل بناء هياكل متخصصة تحجب الوحدات الكمومية عن المجالات الخارجية.

لا توجد طريقة مثالية لتجميع كمبيوتر كمومي قادر على تحمل الأخطاء، وتحقق العديد من الشركات والجماعات البحثية في أنواع الوحدات الكمومية المختلفة. ونذكر مثالاً مختصرًا لعدد من تقنيات الوحدات الكمومية هذه فيما يلي.

معالجات مصايد أيونية قائمة على البوابة

الكمبيوتر الكمومي القائم على البوابة هو عبارة عن جهاز يأخذ بيانات الإدخال ويحولها وفقًا للعملية المركزية المحددة مسبقًا. وعادةً ما تُمثل هذه العملية بدائرة كمومية وتكون متناظرة لعمليات البوابة في الأجهزة الإلكترونية التقليدية. ولكن، تُعد البوابات الكمومية مختلفة تمامًا عن البوابات الإلكترونية.

تطبق أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تعمل بتقنية المصيدة الأيونية، وحدات البت الكمومية باستخدام الحالات الإلكترونية للذرات المشحونة التي تُسمى الأيونات. تُقيد الأيونات وتُعلق أعلى المصيدة دقيقة الصنع باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية. تطبق الأنظمة القائمة على المصيدة الأيونية بوابات كمومية باستخدام الليزر لتغيير الحالة الإلكترونية للأيون.  تستخدم الوحدات الكمومية القائمة على تقنية المصيدة الأيونية الذرات التي تأتي من الطبيعة بدلاً من تصنيع وحدات كمومية بشكل اصطناعي.

المعالِجات فائقة التوصيل القائمة على البوابة

المقصود بفائق التوصيل هو مجموعة من الخواص المادية التي يمكنك ملاحظتها في مواد معينة مثل الزئبق والهيليوم تحت درجات الحرارة المنخفضة بشدة. في هذه المواد، يمكنك ملاحظة درجة حرارة حرجة مميزة دونها تصبح المقاومة الكهربائية صفرًا ويحدث طرد لمجالات التدفق المغناطيسي. يمكن أن يستمر التيار الكهربائي عبر حلقة من الأسلاك فائقة التوصيل إلى أجل غير مسمى بدون مصدر طاقة.

تتمثل الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل في تشغيل أحد أجهزة الكمبيوتر الكمومية في دوائر إلكترونية فائقة التوصيل. تُصمم وحدات البت الكمومية فائقة التوصيل باستخدام دوائر كهربائية فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة منخفضة.

المعالجات الضوئية

المعالج الضوئي الكمومي هو عبارة عن جهاز يعالج الضوء لإجراء عمليات الحوسبة. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية مصادر ضوء كمومية ينبعث منها نبضات ضوئية مضغوطة، بجانب مكافئات بوحدات البت الكمومية تتوافق مع أوضاع المشغل المستمر مثل الموضع أو زخم الحركة.

المعالجات الذرية الحيادية

تُعد تقنية وحدة البت الكمومية الذرية الحيادية مماثلة لتقنية المصيدة الأيونية. ولكنها تستخدم الضوء بدلاً من القوى الكهرومغناطيسية لاحتجاز وحدة البت وتثبيتها في مكانها. لا تكون الذرات مشحونة ويمكن أن تعمل الدوائر في درجات حرارة الغرفة

معالجات ذرات ريدبرغ

ذرة ريدبرغ هي ذرة مثارة بها إلكترون واحد أو أكثر تقع بعيدًا عن النواة، في المتوسط. تتسم ذرات ريدبرغ بعدد من الخواص المميزة مثل الاستجابة المفرطة للمجالات الكهربائية والمغناطيسية والعمر الطويل. عند استخدام هذه الذرات باعتبارها وحدات بت كمومية، فهي توفر تفاعلات ذرية قوية وقابلة للتحكم يمكنك تعديلها عن طريق تحديد حالات مختلفة.

أجهزة التلدين الكمومية

يستخدم التلدين الكمومي عملية مادية لوضع وحدات البت الكمومية الخاصة بأحد الأنظمة الكمومية في أدنى طاقة مطلقة. ومن هنا، يغير الجهاز تكوين النظام تدريجيًا بحيث تعكس بيئة الطاقة المشكلة المطلوب حلها. الميزة التي تقدمها أجهزة التلدين الكمومية هي أن عدد وحدات البت الكمومية يمكن أن تكون أكبر بكثير من تلك المتوفرة في أي نظام قائم على البوابة. إلا أن استخدامها يقتصر على حالات محددة فحسب.

إذا كنت تريد تجربة الحوسبة الكمومية، يمكنك البدء بمحاكي جهاز كمومي على جهازك المحلي. والمحاكيات عبارة عن برمجيات عادية تحاكي السلوك الكمومي على الأجهزة التقليدية. وهي قابلة للتنبؤ وتسمح لك برؤية الحالات الكمومية. وهذه المحاكيات مفيدة إذا كنت تريد اختبار الخوارزميات قبل الاستثمار في فترة من الوقت تستخدم فيها جهازًا كموميًا. ولكنها لا تستطيع إعادة إنشاء السلوك الكمومي الفعلي.

يمكنك أيضًا استخدام خدمة حوسبة كمومية سحابية لكتابة تعليمات برمجية على جهاز كمبيوتر كمومي حقيقي بدون استثمار مبالغ باهظة في الأجهزة.