لماذا يحاول الجميع اليوم صناعة حاسوب كمومي يعتمد على فيزياء كمية؟

نشر بواسطة أحمد ماء العينين 322 views0


ببساطة لقدرته الخارقة على معالجة المعلومات في وقت وجيز, الحاسوب الكمومي قد يجد مشاكل في اشياء بسيطة (كتشغيل لعبة أو مقطع فيديو مثلا), لأنه ليس للاستعمال المنزلي العادي, ولا يمكنه ان يأخذ مكان الحاسوب التقليدي.
فرغم أنه سريع ويمكنه أن يعالج كما كبيرا من المعلومات في نفس الوقت وباستخدام نفس الكيوبت Qubits , إلا أن العملية تصبح “متكلفة” و غير “عملية” عند استخدامه للقيام بعمليات سهلة.
لأشرح أكثر , يجب أن نفهم كيفية عمله, الحاسوب العادي وحدة سعة ذاكرته (ومعالجه) هي البت Bit, والبت عبارة عن أصغر مدرج يمكنك ان تضع فيه معلومات. يمكنه ان يحمل معلومة 0 او 1 فقط. (صفر تعني سلك يمر منه تيار ضعيف يمكن اعتباره منعدما , واحد تعني يمر منه تيار كهربائي قوي).
حاسوب كمومي
المصباح مثال على سعة 1 بت من المعلومات, يمكنه ان يأخذ حالة واحدة فقط في كل لحظة, منطفئ او مضيء. لايمكنه ان يأخذ الحالتين معا في نفس الوقت, ولايمكنه الا يأخذ أي حالة في وقت معين… لابد أن يأخذ حالة من الحالتين, لا اكثر ولا اقل
اذا كتبت رقم 2 على جهاز حاسوب او هاتف ذكي, فإنه على مستوى الدارات (الاسلاك والترانزيستورات) هو عبارة عن اشارة تمر من سلكين او تشغل مكانين من الذاكرة, في المكان الاول تساوي 0, في المكان الثاني تساوي 1 (هكذا 10). وعندما تنتقل تلك الاشارة الى شاشة الحاسوب او الهاتف, هو مبرمج من قبل لتحويل الاشارة الى 2 مرة اخرى …لهذا فما تراه 2, هو في الحقيقة 10 على مستوى الترانزيستورات والدارات الكهربائية.
ولو كتبت 3, فإن الحاسوب يفهمه على انه مرور للتيار من السلكين معا, او من مدرجين من الذاكرة, لهذا فهو يفهمه على انه 11 ولو طلبت من الحاسوب ان يحسب 2 + 3 .. فإنه سيجمع قيمة التيار في المكان الاول من الذاكرة الاولى (وهي 0), وقيمته في المكان الاول من الذاكرة الثانية (وهي 1) فيحصل على 1.
ثم يجمع قيمة التيار في المكان الثاني من الذاكرة الاولى ( 1 ) بقيمته في المكان الثاني من الذاكرة الثانية ( 1) لكن, بما أنه لايفهم اكثر من فكرة “مرور أو عدم مرور تيار”, فإنه لكي يجمع 1 + 1 , سيقوم بايقاف مرور التيار في السلك الحالي (الذاكرة الحالية) , ثم يمرر تيارا اخر في مكان اخر من الذاكرة ( 1 ) .
لنحصل في النهاية على 101 , وقد اصبح لدينا معلومة من ثلاثة اسلاك. (ثلاثة بتات 3 bits) … هكذا : 10 + 11 = 101 ( بالنظام العشري 2 + 3 = 5 ). هذه هي الطريقة التي يعمل بها الحاسوب و الالة الحاسبة والهاتف الذكي وجميع الاجهزة الالكترونية. 5 مثلا هي 101, وهي معلومة من 3 بيتات, 2 هي 10 و 3 هي 11, وهما معلومتان من 2 بيتات.
عندما نصل الى 8 بيتات, نحصل على ما يسمى البايت Byte , وعندما نصل الى 1024 بايت Byte نحصل على الكيلوبايت KB وعندما نصل الى 1024 كيلوبايت نحصل على الميغابايت MB , ثم 1024 ميغابايت تساوي جيغابايت GB…الخ. وتعني هذه السعات حرفيا : عدد الاسلاك الموجودة في الجهاز و التي يمكنها ان تحمل معلومة 0 او 1.
ف2
على عكس البشر, ما يفهمه الحاسوب هو سلسلة من الصفر والواحد… وهي حالات مرور او عدم مرور التيار الكهربائي في كل نقطة من اللوحة الام و الذاكرة … ترجمة تلك الاصفار والوحدات الى فيديوهات و ألعاب و مقاطع موسيقية ونصوص ..الخ, اشبه بالسحر . لكن عندما تدرسه ستجد أنه منطقي تماما
ننتقل الى الحاسوب الكمي الذي بدأ البشر بتطويره : وحدة تخزين الذاكرة وسعة المعالج فيه هي الكيوبت Qubit , وتعني “البت الكمي“. لكن بماذا يختلف عن البت Bit العادي؟
البت العادي يمكن للتيار الكهربائي ان يمر منه : 1 أو 0. لهذا فيمكنه حمل معلومة واحدة في وقت واحد, اما أن يمر التيار او لا يمر.الكيوبت لايعمل بالتيار الكهربائي, بل يعمل بالجسيمات نفسها (فوتون, الكترون , ذرة…الخ)… ولهذه الجسيمات خاصيات كمومية مختلفة, مثلا : اللف المغزلي للجسيم.
ف3
يمكن اعتبار البيت صندوقا يمكن ان نضع فيه معلومة واحدة 0 أو 1. المصباح عبارة عن بيت واحد من المعلومات (مضيء أو منطفئ), العملة المعدنية عبارة عن بيت من المعلومات (وجه أو ظهر)…الخ, اذا كان لدينا 2 بيت, فهناك 4 احتمالات لترتيبها … اذا كان لدينا 3 بيت فهناك 8 حالات مختلفة
لن ادخل في التفاصيل, لكن تخيل معي ان لدينا الكترونا يمكنه ان ينظر الى اعلى, او الى اسفل. اذا نظر الى اعلى فهذا يعني 1, اذا نظر الى اسفل فهو يعني 0. لكن التشويق يبدأ هنا : الالكترون يمكنه ان يلف الى اعلى او الى اسفل (0 او 1)… لكن عندما يكون في حالة تراكب كمي Superposition …, فإنه من الممكن ان يكون في حالة , يحمل فيها القيمة 0 (وليس القيمة 1), و القيمة 1 (وليس القيمة 0) في نفس الوقت بالضبط.
لو افترضنا هذا الالكترون بشرا, وكان بامكانه ان يكذب او يصدق, فإنه قد يسقط في حالة يكون فيها كاذبا وصادقا في نفس الوقت. هذا يسمى التراكب الكمي Quantum Superposition .اذن : لنعد الى حالة 2 كيوبت مثلا : هذه هي كل الحالات الممكنة في الكيوبت.
00 – الجسيمان معا ينظران الى اسفل.
01 – الجسيم 1 ينظر الى اعلى, الجسم 2 ينظر الى اسفل
10 – الجسيم 1 ينظر الى اسفل, الجسيم 2 ينظر الى اعلى.
11 – الجسيم 1 ينظر الى اعلى, الجسيم 2 ينظر الى اعلى.
التراكب الكمي
جميع الحالات الاربع فوق موجودة في الحواسيب العادية, لكن هناك حالات زائدة تحدث في نفس الوقت (ركز , الحالات التالية تحدث في نفس الوقت, من الصعب تخيل الامر لكنه يحدث حقا في التراكب الكمي).
?? – الجسيم 1 ينظر الى اعلى ولا ينظر الى اسفل, وينظر الى اسفل ولا ينظر الى اعلى … والجسيم 2 ينظر الى اسفل ولا ينظر الى اعلى وينظر الى اعلى ولا ينظر الى اسفل. كل هذا في نفس الوقت !!!
عندما يواجه الجسيمان معا بحالة تتسرب فيها معلوماتهما (مراقبتهما مثلا), فإن كل جسيم منهما يأخذ قيمة محددة, ويعود الى حالة 0 او 1.
لكن في حالة التراكب الكمي, تكون القيمة غير معروفة. الامر أشبه بضبابة سوداء تحدث فيها الاحتمالات المتضاربة والمختلفة في نفس الوقت. لهذا السبب, يستطيع المعالج الكمومي أن يقوم بالحسابات على الحالات 00, 01, 10, 11 معا في نفس الوقت وبنفس الكيوبتات تماما. كما لو كان المصباح يمكنه تخزين معلومة ”مضيء“ و ”منطفئ“ في نفس الوقت !!
بينما لا يستطيع المعالج العادي القيام بذلك, (كما لايمكن ان يقوم مصباح عادي بذلك) … يجب ان يحدد أولا قيمة كل بيت , قبل ان يقوم بحسابه (هذا هو الطبيعي : لايمكنك ان تقوم بحساب متغير x لديه جميع قيم الاعداد من 1 الى 10 في نفس الوقت باستخدام ورقة وقلم), وهذا رائع حقا… لأنه يمكننا من القيام بجميع العمليات الممكنة في نفس الوقت بنفس السعة التخزينية…
لكن الامر يصبح “متكلفا” ومضيعة للموارد, اذا كانت العملية التي انفقنا فيها كل هذه الطاقة مجرد عملية رياضية بسيطة, او مجرد تشغيل لمقطع فيديو من يوتيوب. نفترض أنك تستطيع حساب ثلاث عمليات : 1 + 1 , و 2 + 2 , و 1 + 2 و جميع الاحتمالات مرة واحدة, بالتفكير مرة واحدة , وباستخدام نفس القلم والورقة في نفس الثانية ونفس الدقيقة… كما لو انك انقسمت الى ثلاثة اشخاص, كل منهم يقوم بعملية في نفس الوقت ولا يقوم بها ايضا في نفس الوقت.
هذا يعني أنه يفعل 8 احتمالات متناقضة في نفس الوقت :
1 – لا يحسب اي عملية
2 – يحسب الاولى, ولا يحسب الثانية والثالثة.
3 – يحسب الثانية و لا يحسب الاولى والثالثة.
4 – يحسب الاولى والثانية, ولا يحسب الثالثة.
5 – لا يحسب الاولى والثانية ويحسب الثالثة.
6 – يحسب الاولى والثالثة ولايحسب الثانية.
7 – يحسب الثانية والثالثة ولا يحسب الاولى.
8 – يحسب جميع العمليات.
الحاسوب الكمومي
لم اشر الى البوابات المنطقية في المقالة, انها مجرد تمثيل للعمليات الحسابية والمنطقية التي تحدث على مستوى شريحة الكترونية… معالج صغير جدا بحجم رأس الاصبع, يمكن برمجته لاحتواء الآلاف من هذه البوابات

هنا, اذا كنت تريد فقط حساب 2 + 1, فإن استخدام مثل هذه الاستراتيجية الكمية مضيعة للوقت والجهد. لأنه يمكنك القيام بذلك فقط باستخدام احتمال واحد.لكن في العالم الكمي, الامور تحدث بشكل رياضي ومازلنا لا نعرف عنها الكثير.. فرغم ان الكيوبتتات المتراكبة كميا تأخذ جميع القيم الممكنة في نفس الوقت تماما.. إلا أنه بعد اجراء الحسابات, سنخرج بنتائج مضبوطة (باستخدام تحويلات فورييه Fourier Transform وتلك قصة اخرى).

نعود الآن الى سعة البت والكيوبت , وهذه طريقة تحويل الكيوبت الى عدد البيتات التي يمكنها حمل نفس المقدار من المعلومات:  اذا كان لدينا 1 كيوبت , فإن سعته التخزينية تعادل 2 أس 1 = 2 بت. اذا كان لدينا 2 كيوبت (كما في الحالة السابقة) , فإن السعة التخزينية تعادل 2 أس 2 بت = 4 بت. اذا كان لدينا 3 كيوبت , فان السعة التخزينية تعادل 2 اس 3 بت = 8 بت. (لو لاحظت في المثال فوق, لدينا ثلاث عمليات, وخرجنا ب8 احتمالات ممكنة).

ماذا لو كان لدينا معالج من 512 بت؟

المفاجأة هي أن السعة التخزينية تعادل 2 أس 512 = 1.3 ضرب 10 مرفوعة لأس 154 وهو عدد العمليات التي يمكن لمعالج 512 كيوبت القيام بها في نفس الوقت. وعدد ذرات الكون المنظور تساوي 10 مرفوعة لأس 80 فقط ؟؟؟ هذا عدد ضخم جدا, انه اكبر من عدد ذرات الكون كله بشكل كبير جدا.
الأمر اشبه باستخدام جميع ذرات الكون كلها , وجميع ذرات اكوان متوازية اخرى, لتلعب دور حاسبات الكترونية تقوم بتحليل عدد ضخم من البيانات, قد تتطلب الحواسيب العادية قرونا لتحليلها. هذا كما لو أننا حولنا 10 أس 74 كونا بحجم كوننا (يعني 1 بعدها 74 صفر من الاكوان) الى حاسوب ضخم.
يستطيع العلماء اليوم استخدام بضع بيتات للقيام بحسابات معقدة, لكن ان نصل الى 512 كيوبت, مازال الامرصعبا لأنه يطرح تحديات كبيرة …أهمها هو : كيف يمكننا الحفاظ على حالة التراكب الكمي ل 512 كيوبت؟
إن درجة صغيرة جدا من الحرارة كفيلة بتحريك الذرات , بتذبذبها تتسبب في حدوث سلسلة من الاسباب و المسببات, التي تؤدي في مجموعها الى انهيار حالة التراكب الكمي… وهذا يجعل الكيوبتات تتحول الى بيتات عادية (كما في حاسوب عادي).
لهذا يقوم العلماء بالحفاظ على حالة التراكب الكمي في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (لتجنب تذبذب الذرات في الجهاز). (الصفر المطلق هو -273.17, بينما درجة الحرارة المستخدمة هي -273.15 درجة تحت الصفر, يعني قريبة جدا).
الحاسوب الكمومي
باستخدام طرق مختلفة لحساب كثافة المجرات, العناقيد المجرية, النجوم…الخ. تم التوصل إلى مجموع ذرات الكون المنظور هي حوالي 10 مرفوعة للأس 80… صنع حاسوب كمي بمعالج 512 كيوبيت, يعطينا القدرة على القيام ب 10 أس 154 عملية في نفس الوقت…

 

بعض المؤسسات التي تملك اشكال اولية للحواسيب الكمومية اليوم هي جوجل, مايكروسوفت, اي بي ام IBM…. و من امثلة الحواسيب الكمومية الحالية : حاسوب D-wave الكمومي (في الصورة جانبه). هناك لغات برمجة خاصة بالحواسيب الكمية اليوم, من ابرزها لغة برمجة QPL وهو اختصار لكلمة : Quantum Programming Language لغة البرمجة الكمومية.

حاسوب d-wave
حاسوب d-wave الكمي, الرجل داخل غطاء الحاسوب, لن ترغب في ادخال هذا الشيء الى بيتك.

معلومات عن الكاتب :

ta9i

شارك بمقالك على موقع عالم التكنولوجيا :

موقع عالم التكنولوجيا يفتح المجال لجميع المدونين و المتخصصين في التقنيات و التكنولوجيات الحديثة للمشاركة في قسم “مقالات الضيوف” ،فإن كنت ترغب في نشر مقال من إنجازك يعكس تجربتك في مجال البرمجة ، التصميم ،أو التصوير، وغيرها من المجالات الأخرى ،فلا تترد في إرسال مقالك على البريد الإلكتروني التالي : [email protected] مع إدراج إسمك باللغة العربية و صورة خاصة بك.

التعليقات

التعليقات

تعليقات

بريدك الألكتروني لن يثم نشره

بأمكانك استعمال الرموز التالية الخاصة بـHTML