كان يعمل الكمبيوتر قديما بتكنولوجيا الصمامات المفرغة ثم تطور الى استخدام الترانزستور ثم بعد ذلك الدوائر المتكاملة الذي ادى الى ظهور المعالجات الدقيقة حيث وصل الأمر الآن الى ظهور تقنية جديدة تسمى التخزين الحجري التي يمكن من خلالها وضع ترانزستور في مساحة ربع ميكرون يعني 0.00000025 متر يعني واحد على أربعمائة من عرض شعرة انسان. اذا استمر التطور على هذا المنوال ستصنع البوابات المنطقية في المستقبل من الذرات (صنعت بالفعل).
على مستوى الذرات تخضع المادة لقواعد فيزيائية جديدة تختلف عن قواعد الفيزياء الكلاسيكية تسمى ميكانيكا الكم و لكن البوابات المنطقية مبنية على قواعد الفيزياء الكلاسيكية. الكمبيوترات الجديدة التي تعمل على مستوى الذرات لا يمكن ان تستخدم الفيزياء الكلاسيكية لانها لن تنطبق و ستطبق تكنولوجيا الكوانتم و التي لن تكون مجرد زيادة في عدد الترانزستورز او زيادة في سرعة المعالج و حسب لكن ستصبح طريقة جديدة بالكامل لتنفيذ الحسابات مبنية على قواعد ميكانيكا الكم.
ما هي الكيوبت (Qubit)؟
البت هي أصغر وحدة لتمثيل المعلومات في الكمبيوتر التقليدي و لها قيمتان منطقيتان فقط تحددان حالتها هما 0 و 1 او صحيح و خطأ.
الكوانتم بت او الكيوبت مبنية على نظام كمومي يحتوي حالتين ايضا و لكنها تختلف عن البت التقليدية في انها يمكن ان تكون في الحالة الفائقة بحيث تكون في الحالتين 0 و 1 معا في آن واحد.
مثلا عندنا register مكون من ثلاثة بت يحتوي في لحظة معينة على رقم من ثمانية أرقام يمكن ان يحتويها. لكن ال Quantum register المكون من ثلاثة كيوبت يمكن ان يحتوي في لحظة معينة على الأرقام الثمانية كلهم في الحالة الفائقة.
كيف يعمل الكمبيوتر الكمومي (Quantum computer)؟
بمجرد تجهيز ال Quantum register للحالة الفائقة لأرقام مختلفة سيكوم بمقدورنا تنفيذ حسابات عليهم جميعا في وقت واحد.
الكمبيوتر الكمومي يستطيع تنفيذ العديد من العمليات بالتوازي فاذا كان يتكون من س كيوبت فانه يستطيع تنفيذ س 2 عملية في وقت واحد و هذا هو الفرق بينه و بين الكمبيوتر التقليدي فلو هناك تابع (function) يستقبل مدخلات معينة يمكن تزويد هذا التابع بكذا قيمة في نفس الوقت من خلال الحالة الفائقة و ينفذ العمليات عليهم جميعا بالتوازي.
ما هي قوة الكمبيوتر الكمومي؟
من أجل ان نصنف خوارزمية معينة على انها فعاله يجب ان يكون الوقت الذي تستغرقه في التنفيذ لا يزيد بأسرع من دالة كثيرة حدود لمجموع المدخلات بمعنى آخر ان تكون المشكلة التي تحلها هذه الخوارزمية من صنف P.
المشكلات خارج صنف P تعتبر مشكلات صعبة فمثلا عملية الضرب تعتبر داخل صنف P و لكن مشكلة تحليل عدد صحيح الى عوامل أولية خارجها لكن هذا ليس معناه انه من المستحيل حلها او انها غير قابلة للحل بل معناه انها تحتاج الى الكثير من الموارد لحلها لذلك فهي مستعصية الحل (intractable).
عموما, بعض من الخوارزميات الكمومية يمكنها تحويل المشكلات الرياضية الصعبة الى سهله.
تحليل عدد صحيح الى عوامله الأولية هو أكثر مثال بارز حتى الآن, الكثير من وسائل الحماية مبنيه على صعوبته مثل خوارزمية RSA المستخدمه في حماية حسابات البنوك الإلكترونية. اذا تم بناء كمبيوتر كمومي و استخدامه في تحليل العدد الصحيح لعوامله الأولية ستصبح تلك الحسابات غير محمية بالمره.
كيف يمكن بناء كمبيوتر كمومي؟
نبدأ ببوابات منطقية كمومية بسيطة و نوصلها ببعض لتكوين شبكة كمومية. البوابات المنطقية الكمومية تماثل الأخرى التقليدية في انها أبسط جهاز يقوم بالحسابات حيث ينفذ عملية واحدة
كمومية عادة على اثنين من الكيوبت في وقت معين. و طبعا هي تختلف عن نظيرتها التقليدية في انها يمكنها انشاء و تنفيذ العمليات في الحالة الفائقة الكمومية.
لماذا يعتبر بناء كمبيوتر كمومي عملية صعبة؟
لأنه كلما زاد عدد البوابات المنطقية الكمومية في الشبكة كلما دخلنا بسرعه في مشاكل تطبيقية. كلما زاد عدد الكيوبت المستخدمة كلما أصبح من الصعب هندسة التفاعل الذي سيظهر الخواص الكمومية. كلما زاد عدد المكونات كلما زادت احتمالية انتشار المعلومات الكمومية خارج الكمبيوتر الكمومي و ضياعها في البيئة خارجه و هذا يتلف عملية الحسابات. هذه العملية تدعى بال (decoherence). لذلك يجب علينا هندسة نظام فرعي دقيق بحيث كل كيوبت تؤثر في الأخرى و ليس في البيئة.
ما هي التكنولوجيات الواعده؟
ليس واضحا ماهية التكنولوجيا التي ستدعم الحوسبة الكمومية في المستقبل. حاليا هناك بوابات منطقية كمومية بسيطة تستخدم زوج من الكيوبت تم تصميمها في المعامل. التجارب الحالية تتراوح من أيونات محبوسة داخل ذرات تتفاعل مع أشعة الليزر, و الالكترونات في أشباه الموصلات. في العقد القادم يجب السيطره على عدد أكبر من الكيوبت و بدون اي شك لقد بدأنا نستفيد من طريقتنا الجديدة في تسخير الطبيعة.
ملاحظة: من أجل ان تتصوروا مدي تعقيد بناء كمبيوتر كمومي, لتحليل عدد صحيح يتكون من 200 رقم الى عوامله الأولية نحتاج الى 3500 كيوبت تزيد الى 100,000 اذا تم تنفيذ تصحيح للأخطاء. و من أجل اختراق خوارزمية ال RSA نحتاج حوالي 10,000 كيوبت
روابط مفيدة:
https://www.doc.ic.ac.uk/~nd/surprise_97/journal/vol4/spb3/
https://www.quantiki.org/wiki/Basic_concepts_in_quantum_computation
https://www.quantiki.org/wiki/Introduction_to_Quantum_Theory
https://www.quantiki.org/wiki/Category:Introductory_Tutorials
https://plato.stanford.edu/entries/qt-quantcomp/
محاضرات:
https://www.quiprocone.org/Protected/DD_lectures.htm
https://www.quantware.ups-tlse.fr/IHP2006/
https://nanohub.org/resources/4778
