تعتمد الحواسيب الكلاسيكية أفكار الكم

شريحة سيليكون ثلاثية الأجزاء أنشأها باحثو شركة IBM على أمل تصميم هذه الرقائق يومًا ما مع آلاف الكيباتات

يومًا ما ، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على حل مشكلات التحسين المعقدة ، وتفكيك مجموعات البيانات الضخمة بسرعة ، ومحاكاة التجارب الفيزيائية التي تتطلب الآن مليارات مسرعات الجسيمات ، وحل العديد من المشاكل الأخرى غير المتوفرة لأجهزة الكمبيوتر اليوم. ما لم ، بالطبع ، يمكن بناؤها. ولكن في حين أن المشاكل التقنية لا تسمح لها بالظهور ، فإن المنظرين يطبقون الأفكار والتقنيات الكامنة في الحوسبة الكمومية لحل المشاكل الخطيرة والقديمة لعلوم الكمبيوتر الكلاسيكية والرياضيات والتشفير.

يقول كريس بيكرت ، اختصاصي التشفير وعلوم الكمبيوتر في معهد جورجيا للتكنولوجيا: "هناك الكثير من الجدل حول ما إذا كان سيتم إنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الإطلاق". "لكن هذا سؤال ، والثاني هو ما إذا كانت التقنيات الكمية أو الخوارزميات يمكن أن تساعدك في حل المشكلات بطرق جديدة."

في الآونة الأخيرة ، ساعدت الأفكار الكمية الباحثين على إثبات أمان تقنيات التشفير الواعدة التي تسمى "التشفير على الشبكات" ، والتي يمكن أن يساعد استخدامها في إخفاء بيانات المستخدم الحساسة ، مثل الحمض النووي ، حتى من الشركات التي تعالج هذه البيانات. أدى الإثبات من خلال الحسابات الكمية أيضًا إلى صيغة الحد الأدنى لطول رموز تصحيح الخطأ التي تحمي البيانات من التلف.

ألهمت أفكار الكم العديد من النتائج المهمة ، مثل تفنيد خوارزمية خاطئة من المفترض أنها حلت مشكلة البائع المتجول بشكل فعال.

إذا حدث هذا مرة واحدة ، فسيكون ذلك مصادفة. وقال عوديد ريغيف ، أخصائي تكنولوجيا المعلومات في جامعة نيويورك: "هناك الكثير من الخيارات التي يؤدي فيها التفكير" الكمي "إلى الأدلة".


لتشفير البيانات ، يمكنك استخدام المشابك متعددة الأبعاد ، والتي تم الحصول على برهانها باستخدام الحوسبة الكمومية

وقد دفع هذا بعض الباحثين إلى اعتبار الحوسبة الكمومية ليس مجالًا مقصورًا على علم علوم الكمبيوتر ، ولكن لتعميم الحسابات الكلاسيكية - تمامًا مثل المضلعات هي تعميم للمثلثات. مثلما يمكن أن تحتوي المضلعات على أي عدد من الجوانب ، والمثلثات لها ثلاثة فقط ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية العمل مع أي أرقام (إيجابية ، سلبية ، حقيقية ، وهمية) ، بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أرقامًا موجبة حقيقية فقط.

في حالة أكثر عمومية ، تعد الأفكار الكمومية أدوات قوية لحل المشكلات الحسابية الكلاسيكية. يقول رونالد دي وولف: "هناك العديد من المشاكل الكلاسيكية التي لا علاقة لها بالعالم الكمي ، ولكن من الأفضل تحليلها من خلال التعميم على المستوى الكمي ، وإثبات شيء ما باستخدام نظرية المعلومات الكمية ، ثم التراجع إلى المستوى الكلاسيكي". منظر الكمبيوتر في المركز الهولندي للرياضيات وعلوم الكمبيوتر.

وفقًا لتقديرات اليوم ، لا يدرس أكثر من 5 ٪ من العلماء العاملين في مجال المعلوماتية النظرية الحوسبة الكمومية. لكن الباحثين يقولون إن النجاحات الأخيرة لـ "التفكير الكمي" أدت إلى زيادة في عدد النظريين الذين يسعون لتعلم الفيزياء. قال سكوت أرونسون ، منظّر الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "إن هذه الفروع المذهلة للحوسبة الكمومية أجبرت العلماء في الواقع على استخدام علوم الكمبيوتر الكلاسيكية لدراسة الحوسبة الكمومية".

الهدف من الحوسبة الكمومية هو استخدام السلوك الغريب للجسيمات على المقاييس الكمومية لإجراء الحسابات التي تبدو مستحيلة لأجهزة الكمبيوتر العادية. يقوم الكمبيوتر التقليدي بتخزين أجزاء من المعلومات في الترانزستورات ، والتي ، بطريقة المفاتيح ، يمكن أن تكون في حالة من حالتين ، تدل على 1 أو 0. يخزن الكمبيوتر الكمي كميات صغيرة من المعلومات في الجسيمات دون الذرية أو الإلكترونات أو الفوتونات التي يمكن أن توجد في الحالات 1 أو 0 أو في التراكب كلاهما ، ويمكنهما أيضًا أن يتشابكا مع بعضهما البعض ، ونتيجة لذلك تحدد حالة أحد الكيتات حالة الآخر.


رقاقة IBM 3 بت

يجبر التراكب والتعقيدات الكوبت على التصرف بشكل مختلف تمامًا عن البتات. يمكن أن تكون الدائرة ثنائية البايت للكمبيوتر الكلاسيكي في واحدة من أربع حالات (0 ، 0 ، 1 ، 1 ، 1 ، 1). يمكن أن يكون زوج من الكيوبتات مزيجًا منهم جميعًا. مع زيادة عدد وحدات البت ، ينمو عدد الحالات المحتملة ، ومعها حجم الحالة الموجودة في النظام ، بشكل كبير. يمكن للكمبيوتر الكمومي الذي يحتوي على عدة مئات من وحدات البتات أن يحل المشكلات بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحالية.

المشكلة الوحيدة هي أنه لم يتمكن أحد حتى الآن من إنشاء كمبيوتر كمومي يتجاوز فيه عدد وحدات البت (Qbits) عدد الأصابع. يوضح كريس ليراكيس ، الفيزيائي في مجموعة الحسابات الكمومية فائقة التوصيل في IBM Research ، أنه للحفاظ على نظام qubit المتشابك من الانهيار ، يجب عزله وتبريده إلى ما يقرب من الصفر. في الوقت نفسه ، يجب أن تكون المسافات بين الكوبتات بفارق سنتيمتر واحد ، بحيث لا تؤثر العمليات مع أحدها على الأخرى. تجعل هذه القيود الآلاف من الأنظمة الصغيرة أكبر من أن تتناسب مع الثلاجات القادرة على الحفاظ على درجة الحرارة المناسبة.

يقول ليراكيس: "أنت بحاجة إلى حل الكثير من المشاكل الهندسية الخطيرة للغاية لجعل هذا النظام قابلاً للتطوير". "كل المشاكل هي لعبة شد وجذب."

يقول ريجيف ، الذي عمل مع باكيرت لإثبات أمان التشفير على الشبكات من خلال المبادئ الكمية ، أنه يأمل في رؤية بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية خلال حياته. ويقول: "لكن النهج الكمي أثر على كل شيء لدرجة أنه حتى لو لم يتمكن أحد من صنع جهاز كمبيوتر كمومي ، فلن أكون منزعجًا للغاية".

مع تزايد شعبية تكنولوجيا الكم ، يمكن للمرء أن يتوقع المزيد والمزيد من المشاكل الكلاسيكية لحلها. "لقد كانت هذه النتائج هي التي أقنعتني أنه حتى لو لم تكن هناك آليات كمية في الكون ، فإن علماء الكمبيوتر سيخترعونها في نهاية المطاف لحل المشكلات".

Source: https://habr.com/ru/post/ar398365/