يخطط الفيزيائيون لكسر حاجز التصغير بجيل جديد تمامًا من أجهزة الكمبيوتر التي تعمل باستخدام الإلكترونات بدلاً من الإشارات الكهربائية
سارة روبنسون، نيويورك تايمز
بيركلي، كاليفورنيا. قبل ست سنوات، أثار الدكتور بيتر شور، الباحث في مختبرات T&AT، مجالًا كان غامضًا حتى الآن في علوم الكمبيوتر، عندما نشر وصفة يمكن بموجبها لجهاز كمبيوتر يعتمد في ميكانيكه على مبادئ نظرية الكم أن يكسر الرسائل المشفرة التي تحمي نقل البيانات على شبكة الإنترنت.
منذ ذلك الحين، اجتمع كبار الباحثين من جميع أنحاء العالم لمواصلة استكشاف كيفية تطبيق قوة القوانين الغريبة الموجودة في المجالات دون المجهرية على الكمبيوتر.
لقد شكلت العديد من الحكومات وكذلك مختبرات الشركات مثل قسم أبحاث Microsoft وآلات الأعمال الدولية ومختبرات T&AT مجموعة لهم تركز على الحوسبة الكمومية؛ أو على غرار مركز أبحاث ناسا وشركة هيوليت باكارد (HP)، يفكران في تشكيل مثل هذا الفريق في المستقبل القريب.
حتى أن مجموعة طموحة مقرها في نيويورك أسست شركة ناشئة للحوسبة الكمومية، تسمى MagiQ Technologies، بهدف معلن هو إنشاء "إنترنت قائم على الكم". في مؤتمر استمر لمدة أسبوع عُقد منذ حوالي شهر في معهد أبحاث علوم الكمبيوتر في بيركلي تحت عنوان الحوسبة الكمومية، اجتمع باحثون من الأوساط الأكاديمية ومختبرات الشركات لمناقشة التطورات في هذا المجال. ركزت المحادثات على الخوارزميات للحل السريع للمشكلات التي تعتبر مستحيلة في أجهزة الكمبيوتر "الكلاسيكية"، وفهم حدود القدرة الحاسوبية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، وأساليب بناء جهاز تطبيقي وطرق تصحيح الأخطاء الحسابية.
وتوج المؤتمر بسلسلة من المحاضرات المخصصة لمكتب تكنولوجيا المعلومات في وكالة التمويل التابعة لوزارة الدفاع الفيدرالية، التي تدرس برنامجًا لتمويل أبحاث الحوسبة الكمومية. ومع ذلك، وعلى الرغم من أن المشاركين في المؤتمر احتفلوا بالتطورات التي شهدتها التكنولوجيا، والتي تقدمت إلى ما هو أبعد بكثير من الفرضيات التي كانت سائدة قبل عدة سنوات، إلا أنهم يدركون حقيقة أن الباحثين لا يزالون بعيدين عن فهم الإمكانات الكامنة في التكنولوجيا، وحدودها، بل وأبعد من ذلك. هدفهم هو تجميع جهاز مطبق.
وعلى الرغم من ذلك، قال بعض الباحثين إنهم ينجذبون إلى هذا المجال، ليس بسبب احتمال وضع حاسوب كمي في يوم من الأيام على كل سطح مكتب، ولكن باعتباره مدخلا لفهم أفضل لعالم الفيزياء الغريب الذي يركز على على نظرية الكم.
يقوم الكمبيوتر العادي أو "الكلاسيكي" بتخزين المعلومات في وحدات تسمى البتات (0 أو 1)، وعادة ما يتم تمثيلها بتيارات كهربائية أو فولت، والتي تكون منخفضة أو عالية. في المقابل، يقوم الكمبيوتر الكمي بتخزين المعلومات من خلال استغلال حالة الجسيمات الأولية.
بالمعنى الكلاسيكي، الإلكترون هو ذرة هيدروجين قد تكون في مستوى طاقة منخفض أو مرتفع. ومع ذلك، في عالم فيزياء الكم الغريب، فإن حالة الطاقة للذرة ليست فقط عالية أو منخفضة، ولكنها مزيج متوازن من المكونين في نفس الوقت: ما يسميه الفيزيائيون عادة "تراكب" الحالات. ونتيجة لذلك، تحتوي البتة الكمومية، في بعض النواحي، على معلومات أكثر من نظيرتها الكلاسيكية. والأهم من ذلك، مع زيادة عدد البتات الكمومية، تزداد كمية المعلومات المطلوبة لوصفها بشكل مباشر.
كلاسيكيًا، نظرًا لأن كل إلكترون يمكن أن يكون في إحدى الحالتين، فإن النظام المكون من 200 ذرة هيدروجين سيكون في 1 من 2 أس 200 حالة (1.6 مع 60 صفرًا بعد النقطة). ومع ذلك، تقول نظرية الكم أنه في أي لحظة من التراكب، قد يعطي النظام 2 أس 200 احتمال في وقت واحد.
وبما أن 2 أس 200 هو رقم ضخم، يتجاوز بكثير العدد المقدر للجسيمات في الكون، يتساءل الباحثون كيف يمكن للكون أن يتتبع العمليات التي تجري فيه. ومع ذلك، فإن حقيقة أن الكون قادر على ذلك تشير إلى الموارد الهائلة لقوة الحوسبة الكمومية.
يقول أوميش فازيراني، أستاذ علوم الكمبيوتر في الجامعة: "بالنسبة لنظام صغير يحتوي على 200 ذرة، يبدو الأمر كما لو أن الطبيعة تطلبت وضع 2 مسودة ورقة على الجانب بقوة 200، يُكتب على كل منها رقم". كاليفورنيا في بيركلي، الذي كان شريكا في تنظيم المؤتمر. ومع ذلك، فمن الصعب تتبع قاعدة البيانات الضخمة هذه.
وفقًا لميكانيكا الكم، لا يمكن للعالم أن ينظر إلى الإلكترون دون إخراجه من تراكبه الدقيق وانهياره إلى إحدى حالتيه الكلاسيكيتين، وفقًا لوزنه. التحدي في اكتشاف هذه الخوارزميات هو تطبيق الكثير من قوة معالجة المعلومات المخفية، على الرغم من عدم إمكانية الوصول إليها.
وعلى الرغم من القوة الكامنة فيها، قال الدكتور شور في عرضه، ليس من الضروري أن تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية بجميع العمليات بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. ومع ذلك، توجد اليوم خوارزميات تتيح البحث في قواعد البيانات في جذر الوقت المطلوب للكمبيوتر الكلاسيكي.
وهذه السرعة هي أفضل إنجاز ممكن، بحسب الدراسات التي أجراها الدكتور فازيراني وآخرون. ويقول إن النتائج التي توصلوا إليها تشير إلى أن أصعب مشكلة يجب حلها في الحوسبة ستظل إلى الأبد بعيدة عن متناول أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ومع ذلك، يشير الدكتور فازيريني إلى أن هذه القيود قد تكون نعمة مقنعة لأنها ترفع التوقعات بشأن التطوير المستقبلي لأنظمة التشفير الجديدة التي لن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من اختراقها.
وبحسب الخبراء، فإن المشكلة الرئيسية في تجميع الحاسوب الكمي هي تصحيح الأخطاء المتراكمة أثناء العمليات الحسابية. قام الدكتور دانيال جوتسمان من شركة Microsoft Research بفحص تقنيات تصحيح بعض الأخطاء التي حدثت أثناء العمليات الحسابية. وفقًا لجوتسمان، فإن الاختراق الذي قاده الدكتور شور وزملاؤه حدد الخطوط العامة لتخزين الحالات الكمومية التي تم تخزينها في الذاكرة ولكنها انهارت جزئيًا بسبب التشخيص الخاطئ.
إن العوائق العديدة التي تعترض الطريق إلى كمبيوتر كمي شخصي لا تخذل الباحثين. يتساءل ريتشارد خوسيه، أستاذ علوم الكمبيوتر في جامعة بريستول بإنجلترا: "ما هي قيمة الطفل الجديد الذي ولد للتو؟". "إنه لا يزال غير قادر على القيام بأي إجراء. لكن الاحتمالات غير محدودة."
نشر في "هآرتس" بتاريخ 12/03/2000
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~314762130~~~191&SiteName=hayadan
