كيف سيكون العالم في زمن الحاسوب الكمي؟
دلال العكيلي
2019-02-23 05:43
نحن الأن على شفا ثورة جديدة وعصر جديد وهو عصر الحاسوب الكمي فالفارق بين الحاسوب الكمى والحاسوب العادي كالفارق بين الحاسوب والعد بالحصى ويمكنكم ان تعتبروا موضوع اليوم بشارة بعصر جديد كما يمكنكم ان تعتبروه انذارا مصيريا وفى الواقع فأن عصر الحاسوب الكمى قد حل بالفعل ربما أثاره هى التى لم تظهر بعد لكن يتوقع البعض انه قبل حلول عام 2030 اى فى أقل من 14 عاما ستكون ملامح ذلك العصر الجديد واضحة للعيان.
منذ فترة الثلاثينيات من القرن التاسع عشر، عندما قدم العالم تشارلز باباج فكرته الخيالية عن المحرك التحليلي، وعلم الحاسوب يحاول بكل قوة أن يتطور ويتقدم ويسابق الزمن الذي يوجد به، على مدار الـ75 عامًا الماضية، كانت هناك العديد من التطورات المذهلة، مثل أول حاسوب ذاتي البرمجة الإلكترونية، وأول حاسوب يتم دمجه في دوائر متكاملة، وأول معالج ميكروبروسيسور وعلى الرغم من هذه النقلات النوعية الكبيرة، إلا أن الخطوة القادمة ستكون هي الأكثر ثورية على الإطلاق في علم الحاسوب.
الحواسيب الكمية
الحوسبة الكمية هي التكنولوجيا التي يتوقع الكثير من العلماء ورجال الأعمال والشركات الكبيرة، أن تقدم وتمدنا بنقلة نوعية كبيرة في المستقبل الحوسبة الكمية هذه هي التي تحدث عنها رئيس الوزراء الكندي جاستن ترودو، في أحد الفيديوهات التي شهدت انتشارًا واسعًا يوم 16 أبريل (نيسان) 2016، والذي أوضح فيه المفهوم بشكل بسيط.
في ذلك الوقت كان ترودو في زيارة لمعهد بيريميتر (Perimeter) للفيزياء النظرية في مقاطعة أونتاريو، وهو واحد من المراكز الرائدة حول العالم التي تعنى بدراسة الحوسبة الكمية وتطويرها ترودو ذكر أن النظام الرقمي المستخدم حاليًا في جميع الإلكترونيات يعتمد على النظام الثنائي المكون من الرقمين (صفر وواحد) فقط، بينما في النظام الكمي، فإننا سنعتمد على الدمج بين مفهوم الجزيئات ومفهوم الموجات فيما يعرف بمبدأ عدم التأكد لهايزنبرغ الذي تعتمد عليه ميكانيكا الكم، وهو ما سيساعدنا على إنتاج حواسيب صغيرة بشكل ملحوظ.
مفهوم الحوسبة الكمية هو أمر جديد نسبيًا، إذ يعود تاريخ طرحها إلى عدد من الأفكار خلال فترة الثمانينيات من القرن الماضي، وذلك من قبل العالم ريتشارد فاينمان، عالم الفيزياء النظرية الأمريكية المميز والحائز على جائزة نوبل فقد تصور فاينمان أن هذا المفهوم يمكن أن يؤدي إلى زيادة في سرعة الحواسيب الكمية بشكل ملحوظ وكبير.
لكن هذا المفهوم كان في نطاق الفيزياء النظرية، والذي كان يحتاج إلى جهد عقلي كبير لتحويله إلى تطبيق عملي، مع أجهزة الكمبيوتر العادية، أو أجهزة الكمبيوتر التقليدية كما يطلق عليها الآن، لا يوجد لدينا سوى خيارين، عمل وإطفاء on and off لمعالجة المعلومات.
وبالتالي فإن أصغر وحدة يمكن إضافة المعلومات والبيانات إليها، والتي يطلق عليها اسم بيت ( bi إما أن تكون 1أو 0) وتعتمد القوة الحسابية للكمبيوتر العادي هنا على عدد الترانزستورات الثنائية مفاتيح التشغيل الصغيرة التي تأتي ضمن المعالج (prosessor).
شركة إنتل الشهيرة قدمت أول معالج عام 1971، وكان يتكون من 2300 ترانزيستور، لكن في أيامنا هذه فإن إنتل تقوم بإنتاج معالجات ميكرو تحتوي على حوالي خمسة مليارات ترانزيستور وعلى الرغم من هذا العدد الهائل، إلا أنها لا تزال محدودة ومقيدة بالنظام الثنائي بينما في الحواسيب الكمية المفترضة، فإنها ستحمل خيارات أكبر بكثير، نظرًا لحالة عدم التيقن الخاصة بحالتها المادية.
ميكانيكا الكم
وتمثل ميكانيكا الكم المنطقة الحدسية غير المفهومة للعلم، وهي التي حيرت عقول بعض من خيرة العلماء، ولأن ميكانيكا الكم تحمل مفهومًا أساسيًا يتمثل في مبدأ عدم التأكد ومبدأ الاحتمالات، علّق عالم الفيزياء الأشهر، ألبرت أينشتاين، قائلًا: "الله لا يلعب النرد مع الكون"، في إشارة لفكرة الاحتمالات هذه هذا الأمر أيضًا هو ما جعلنا نلاحظ أن السياسيين ربما لن يتحدثوا كثيرًا عن هذا الأمر، ويبدو أن ترودو كان استثناءً ملحوظًا لهذه القاعدة.
في عالم ما تحت الذرة الغامض، الخاص بميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات أن تتصرف مثل الموجات، إذ إنها يمكن أن تتواجد في صورة جسيمات أو موجة أو جسيم وموجة معًا وهذا هو ما يعرف في ميكانيكا الكم باسم التراكب ونتيجة لهذا التراكب يمكن أن يكون البايت (سنسميه كيوبايت في حالة الحواسيب الكمية) إما 0 أو 1 أو 0 و1 معًا.
وهذا يعني أنه يمكن أن يكوّن معادلتين في نفس الوقت ويمكن بالتالي لاثنين من كيوبايت تكوين أربع معادلات ويمكن لثلاثة كيوبايت تكوين ثماني معادلات، وهكذا يحدث التوسع بشكل متسارع هذا الأمر سيؤدي إلى بعض الأعداد الكبيرة بشكل لا يصدق، ناهيك عن بعض المفاهيم العلمية التي تفوق استيعاب عقولنا.
في هذه اللحظة، وفي وقتنا الحالي، فإن هذه المفاهيم المذهلة أصبحت على وشك التحول إلى واقع، وذلك في مختبر كبير في منطقة برنابي بضواحي مدينة فانكوفر الكندية. هذا المختبر بدأ بالفعل في الدراسات ومحاولة إنشاء أول حاسوب كمي هناك في هذه المنشأة، وتحديدًا في أحد الأجهزة الكمية التي تشبه الثلاجة السوداء، يعتقد أنه يتواجد صورة الكون المتعدد.
هذا المختبر ينتمي لشركة صغيرة تدعى "D-wave" ويضم 140 من الموظفين ذوي المهارات العالية، التي تعلن فخرها للعالم بأنها قامت ببناء أول حاسوب كمي على الإطلاق، وهو هذا الجهاز المذهل الشبيه بالثلاجة هذا الحاسوب لا يشبه الثلاجة في الشكل فقط، لكنه أيضًا أكثر أجهزة التبريد تبريدًا على الإطلاق، إذ إنّه يُمكّن رقاقات النيوبيوم الكمبيوترية على العمل في بيئة ذات درجة حرارة أقل بقليل من سالب 273 درجة مئوية، وهي درجة تقل قليلًا عن قيمة الصفر المطلق المعروفة في الفيزياء.
هذه البيئة فائقة التبريد ضرورية للحفاظ على نشاط كم متناسق في التراكب والتشابك، وهي الحالة التي تبدأ فيها الجسيمات في التفاعل في ظروف غامضة بشكل تشاركي مستقل، مما يساعد على ربط الكيوبايت بميكانيكا الكم بغض النظر عن مكانها في الفضاء أي تسرب للحرارة أو للضوء من شأنه إفساد العملية، وبالتالي توقف فعالية جهاز الكمبيوتر.
في الحقيقة، فإن الكيفية والسبب وراء التصاق فيزياء الكم بمثل هذا الغموض والخيال العلمي المثير هي لا تزال مسألة تكهنات، لكن النظرية الأكثر شيوعًا تتمثل في أن الحالات والصور الكمية المختلفة تتواجد في أكوان مختلفة.
الأكوان المتوازية
ويطلق عليها أيضًا فرضية الأكوان المتوازية، وهي فرضية تشير لوجود أكوان متعددة من بينها كوننا الذي نعيش به، وأن هذه الأكوان مجتمعة هي التي تشكل الوجود بأكمله هذه الفرضية تنشأ نتيجة محاولة تفسير الرياضيات الأساسية في ميكانيكا الكم الخاصة بعلم الكونيات.
البداية كانت عام 1954م، عندما جاء المرشح لجائزة نوبل العالم هيو إيفيرت بفكرة جديدة كليًّا، تقول إنه توجد أكوان متوازية تشبه كوننا بالضبط متفرعة من كوننا وكوننا متفرع منها خلال هذه الأكوان المتوازية فإن حروبنا لها نهاية مختلفة عما نعرفه، والكائنات التي انقرضت في كوننا لا تزال موجودة في أحد الأكوان الموازية.
هذه الفرضية المذهلة جاء بها هذا العالم الشاب في محاولة للإجابة عن سؤال صعب يتعلق بفيزياء الكم، وهو لماذا الأجسام الكمية تتصرف بشكل غير منضبط؟ وميكانيكا الكم هي إحدى أهم نظريات الفيزياء الحديثة، وأصغر ما اكتشفه علم الفيزياء حتى الآن، بعد أن نظر العالم الشهير ماكس بلانك لهذا المفهوم عام 1900 الفكرة هنا أن بلانك درس الإشعاع، ليقود العلماء نحو اكتشافات تتعارض مع قوانين الفيزياء التقليدية، ليقترح البعض وجود قوانين مختلفة في هذا الكون، تعمل على المستويات العميقة غير تلك القوانين التي نعرفها.
المثال الأبرز في عدم انضباط بعض المواد الكمية، في الفوتونات المكونة لشعاع الضوء العلماء لاحظوا أن الفوتونات تتصرف بوصفها جسيمات وأمواجًا في نفس الوقت، حتى الفوتون المفرد يقوم بهذا التناوب بين الجسيم والموجة، كما لو أنك تنظر لنفسك في المرآة فتشاهد نفسك كما أنت في ثانية وفي الثانية التالية تتحول إلى غاز مثلًا.
العالم إيفيرت أوضح أنه عند قياس الجسيم الكمي الذي يتغير بين حالتين موجية وجسمية، فإن الكون يتفرع إلى كونين لتلبية كلا الاحتمالين، وبالتالي فإن العالم الفيزيائي في أحد الكونين وجد أن الشيء تم قياسه على أنه موجة، أما العالم الفيزيائي المشابه في الكون الآخر فقد قاس الشيء على أنه جسيم.
تريليونات التريليونات من الأكوان المتوازية
نعود مرة أخرى للحواسيب الكمية يقول الرئيس التنفيذي لشركة «D-Wave»، فيرن براونيل، إن الحاسوب الكمي المكون من ألف كيوبايت، يمكن أن يوجد فيما بين حالتين، وألف حالة في نفس اللحظة، وهو ما يمنحنا احتمالات تقدر بالرقم عشرة مرفوعًا للأس 300، مُضيفًا أن الكون نفسه يوجد به عدد من الذرات، مكون من الرقم عشرة مرفوعًا للأس 80، وبالتالي هل هذا يعني أننا نملك عددًا من الأكوان مساويًا للرقم 10 مرفوعًا للأس 300؟
وهنا يأتي السؤال الذي قد يكون مخيفًا، وهو: هل يمكن لمليارات من الأكوان المتوازية، أن تتعايش وتتواجد معًا في جهاز كمبيوتر واحد؟
العلماء يقولون إن الإجابة عن هذه الأسئلة لا تهم حاليًا، فالسؤال الأكثر إلحاحًا لهم في هذه اللحظة هو ما إذا كان هذا الحاسوب سيعمل أم لا فحتى هذه اللحظة، فإن الحوسبة الكمية لا تزال قابعة في إطار عالم النظريات لكن الاحتمال المذهل والذي قد لا يصدقه عقل، هو أن حاسوبًا واحدًا من الحواسيب الكمية يمكن أن يملك القدرة الكمبيوترية والحوسبية أضعاف أضعاف القدرة التي تملكها جميع الحواسيب الموجودة على سطح الكرة الأرضية حاليًا لكن تحقيق هذه الأمنية بشكل عملي يبدو أمرًا في غاية الصعوبة بشكل لا يمكن تخيله.
يذكر أن حاسوب شركة «D-Wave» يكلف حوالي 15 مليون دولار، وتقوم العديد من الشركات الكبرى في مجالات التقنية بالاستثمار فيه مثل جوجل وأمازون وناسا ولوكهيد مارتن، وحتى وكالة الاستخبارات الأمريكية.
تطوير الحاسوب الكمي الأكبر
علماء بريطانيون يعملون حاليا على تطويرحاسوب كمي هو الأكبر والأغلى في العالم، فهو يوفر قدرة خارقة على معالجة وتبادل المعلومات، تكون أسرع بملايين المرات من أفضل الحواسيب الموجودة حاليا.
يقول ينفريد يانسينغر، أستاذ التكنولوجيا الكمية، جامعة ساسكس البريطانية "هذه التقنية لا علاقة لها بأجهزة الحاسوب العادية، إذ يمكنها حل حسابات لا يستطيع حلها أسرع حاسوب في العالم ولو خلال مليون عام".
العلماء الذين يخامرهم حلم الحوسبة الكمية، يقولون إن حجم الحاسوب الجديد قد يضاهي حجم ملعب كرة قدم، يضيف ينفريد يانسينغر:"إنه تحدي يمكنه تغيير المجتمع، وهذا لن يكون سهلا، نحن لا نقول إن عملية بناء جهازحاسوب كمي هي عملية بسيطة ولن تكون هناك أية مشكلة، ولكن ما نحاول القيام به في هذا المستوى، هو تحديد كل المواضع التي يمكنها أن تشكل تحديا ومن ثمة إيجاد حلول تقنية معقولة".
وحدة المعلومات في نظام الحاسوب الكمي، ستحتوي على رقمي صفر وواحد في الوقت ذاته، وهذا ما يسمح بالقيام بحسابات متعددة في الآن ذاته، يضيف ينفريد يانسينغر: "تخيلوا أنه يمكنم وضع كل البيانات في الحاسوب في الوقت ذاته، كما لو أنكم توجدون في مكانين مختلفين في الوقت ذاته لذلك يمكن معالجة كل البيانات في وقت واحد بواسطة هذا الجهاز".
جهاز الحاسوب الكمي، لديه قدرة مذهلة على معالجة البيانات والتقنية التي يرتكز عليها، لم يسبق لها مثيل نظرية الكم، هي في الواقع ملهمة هذه التقنية وهي فرع في الفيزياء يهتم بدراسة سلوك المادة في المستوى المجهري، تكلفة هذا المشروع الطموح تقدر بما لا يقل عن 100 مليون يورو.
دراسة تشكك في سرعة الحاسب الكمي
أثارت دراسة أكاديمية الشكوك حول قوة أداء الكمبيوتر الكمي التجاري "دي ويف 2" في إنجاز بعض المهام الصعبة التي يتعرض لها، مقارنةً بالأجهزة التقليدية
وكشفت بعض الاختبارات، التي قام بها مجموعة من الباحثين، عن أن سرعة انجاز الكمبيوتر الكمي لمهامه لم تكن أسرع من الكمبيوتر الشخصي.
وأدخل فريق الباحثين مجموعة من المسائل الحسابية إلى جهاز "دي ويف 2" وآخر تقليدي لقياس ومقارنة أداء الجهازين، وتشترك كلٌ من شركة جوجل ووكالة الفضاء الأمريكية ناسا في وحدة لـ "دي ويف 2"، والموجوة حاليًا في إحدى محطات الوكالة بولاية كاليفورنيا.
وأظهرت المقارنة عدم استفادة جهاز "دي ويف 2"، الذي تبلغ قيمته 15 مليون دولار، من التقنية الكمية في حساب المسائل الرياضية بشكل أسرع من الجهاز التقليدي، غير أن الدراسة اقتصرت على نوع واحد فقط من مشاكل الحوسبة، وهو ما يعني أنه قد يكون بإمكان الكمبيوتر الكمي إظهار تقدم في تنفيذ مهامٍ أخرى.
وأرسل الباحثون الدراسة إلى إحدى الدوريات العلمية لنشرها، غير أن عملية المراجعة المتبادلة للتحقق من نتائجها لم تكتمل بعد، في حين قال مسؤولون بشركة "دي ويف" لبي بي سي إن الاختبارات التي أجراها العلماء لم تكن تقيم الخواص التي يتفوق فيها الكمبيوتر الكمي على الأجهزة التقليدية، في حين من المفترض أن أجهزة "دي ويف 2" تقوم بتنفيذ العمليات الحسابية، خاصة المعقدة منها، بسرعة من خلال استخدام المبادئ الكمية.
تحدٍ مخيف
ويتم تخزين البيانات على أجهزة الكمبيوتر التقليدية في شكل سلسلة من الأكواد الرقمية، مكونة إما من الرقم صفر أو واحد في حين تقوم أنظمة الكمبيوتر الكمي بتخزين البيانات بنفس الرقمين معًا، مما يتيح تنفيذ عمليات حسابية متعددة في وقتٍ واحد.
وبإمكان أجهزة الكمبيوتر الكمي الصغيرة، المخصصة للمختبرات وتدعم عددًا محدودًا من البيانات، إجراء عملياتٍ حسابيةٍ بسيطةٍ لكن بناء الأجهزة الكبيرة منها يمثل تحديًا هندسيًا كبيرًا، ولذلك، أثارت شركة "دي ويف سيستم"، ومقرها كندا، الشكوك عندما بدأت عام 2011 في بيع أجهزتها الكمية على أنها تستخدم طرقًا غير تقليدية تُعرف باسم "الحوسبة الكمية ثابتة الحرارة".
لكنّ دراستين منفصلتين أُجريتا العام الماضي أظهرتا أن هناك دلائل غير مباشرة على وجود تأثير كمي عرف باسم "التعثر في أجهزة الكمبيوتر" وكشفت دراسة أخرى صدرت في 2013 لـ"كاثرين ماكغيوش"، من كلية أمهرست بولاية ماساتشوستس الأمريكية، ومستشارة لشركة "دي ويف"، عن أن "دي ويف 2" أسرع من الحواسب المكتبية في أداء بعض الاختبارات بنحو 3600 مرة.
وكانت جوجل ووكالة الفضاء الأمريكية ناسا وعدد من العلماء قد أعلنوا العام الماضي دخولهم في شراكة مؤقتة في جهاز "دي ويف 2"، الذي يجرى تبريد معالجه بالهيوم السائل، ويعمل في درجة حرارة قريبة من درجة الصفر المطلقة في منشأة "أميس" التابعة لناسا في ولاية كليفورنيا.
وفي بحث جديد، أدخل الدكتور ماثياس تروير، من جامعة "إي تي إتش" في زيورخ السويسرية، ومجموعة من زملائه بعض المسائل الحسابية العشوائية في كمبيوتر "دي ويف 2" الخاص بشركة "لوكهيد مارتين" الأمريكية (وهي أكبر شركة للصناعات العسكرية في العالم)، ومقارنته بالحواسب المكتبية.
وكشفت نتائج البحث عن أن "دي ويف 2" كان أسرع من الأجهزة التقليدية في إنجاز بعض المهام، في حين كان أبطأ في أخرى، وبشكلٍ عام، لم يجد "تروير" وفريقه أية أدلة على ما يسمى بـ "التسريع الكمي" في جهاز "دي ويف 2" غير أن جيرمي هيلتون، نائب رئيس وحدة تطوير معالجات البيانات في شركة "دي ويف"، قال لبي بي سي: "إن معالج الوحدة الكمية 512 كان قادرًا على تنفيذ العمليات الحسابية التقليدية رغم أن ما أُعلن من قبل كان عدم استفادة هذه العمليات تحديدًا من خاصية التسريع الكمي في الجهاز."
في حين قال تروير وزملاؤه في الدراسة إن "نتائجنا بخصوص نموذج واحد لا تستبعد إمكانية سرعة الجهاز في حساب أنواع أخرى من المسائل وتوضح أن سرعة معالجة الكمبيوتر الكمي للبيانات غير محددة وتعتمد على نوعية هذه البيانات."
معالج بـ"ألف وحدة كمية"
لكن هيلتون قال من ناحيته: "من العناصر المهمة في تكنولوجيا "دي ويفز" هي خريطة الطريق والرؤية المستقبلية نركز بشدة على أداء الجهاز وفهم كيفية عمل التكنولوجيا، بحيث نستمر في تطويرها وحل مشاكل العالم الحقيقية، وأضاف: "عملاؤنا شغوفون بحل المشاكل الحقيقية في العالم، والتي تعجز الحواسب التقليدية عن حلها كما تكون عادةً أكثر تعقيدًا مما نحصل عليه من الاختبارات القياسية المباشرة."
وتقول شركة دي ويفز إن لديها حاليًا في أجهزة الكمبيوتر المحمول معالج بيانات بقدرة ألف وحدة كمية "كيوبت" وتخطط للإعلان عنه في وقتٍ لاحقٍ من العام الجاري، وأوضح هليتون: "هدفنا من الجيل القادم من المعالجات هو تحسين معالجة الأداء الكمي فعلى سبيل المثال، في حال تكرار الاختبارات القياسية في مستوى 512 وحدة كمية، سيكون الأداء أفضل لم نرَ حتى الآن أي عقبات أساسية في الأداء بحيث لا يمكن تطويرها".