هل يجب أن نقلق بشأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟

سيستغرق بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية العامة ما لا يقل عن عقد من الزمن، لكن التكنولوجيا تنطوي على مثل هذا التحول الجذري في الحوسبة بحيث يجب على المطورين المعقولين البدء في اختبار أجهزة الكمبيوتر الكمومية الآن

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية واحدة من تلك التقنيات التي يسهل استبعادها على أساس أنها "موجوده" للغاية بحيث لا تزعجنا اليوم. وحتى أكثر التقديرات تفاؤلاً تشير إلى أن الاستخدام العملي سيكون بعد أكثر من عقد من الزمان. لكن التكنولوجيا تنطوي على مثل هذا التحول الجذري في الحوسبة، حيث يجب على المطورين المعقولين البدء في اختبار أجهزة الكمبيوتر الكمومية الآن.

تميل المناقشات حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى التركيز على إمكاناتها في الأداء الذي يتجاوز بكثير أداء أجهزة الكمبيوتر التقليدية. أحد التطبيقات الأكثر ذكرًا في هذا السياق هو التشفير، وتحديدًا اختراق أمن البيانات عن طريق استخراج مفاتيح التشفير الخاصة من حركة مرور الرسائل المحمية. والخوارزميات اللازمة للقيام بذلك معروفة، ولكنها تتطلب مهارات حسابية مكثفة إلى الحد الذي يجعل فك مفتاح تشفير RSA 2048 بت (الذي يستخدم على نطاق واسع اليوم لتأمين حركة المرور الحالية على الإنترنت)، على سبيل المثال، قد يستغرق حتى أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة عقوداً من الزمن. ومع ذلك، وفقًا لأحدث التقديرات، يمكن للكمبيوتر الكمي فك الشفرة خلال ثماني ساعات.

إن هذا الاحتمال المثير للقلق – أن حركة المرور المشفرة التي كانت تعتبر آمنة بعد فترة طويلة من العمر الإنتاجي للمعلومات المحمية قد تكون معرضة للخطر – هو الذي خلق الكثير من الإثارة حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المقام الأول. لكن فك الشفرات ليس هو التطبيق الوحيد الذي تعد فيه التكنولوجيا باختراقات مدمرة، وقد أثارت هذه الاحتمالات الأخرى اهتمامًا إضافيًا. الطب، وعلوم المواد، والبيولوجيا الجزيئية، والتطبيقات المالية، كل هذه المجالات تبحث في ما يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر الكمومية لهم. والأمر ينمو.

في عام 2018، سنت حكومة الولايات المتحدة قانون المبادرة الكمومية الوطنية، وأنشأت مكتبًا وطنيًا للتنسيق الكمي وخصصت 1.2 مليار دولار لتمويل أنشطة علوم المعلومات الكمومية على مدى السنوات الخمس المقبلة. كما وافق الاتحاد الأوروبي على تمويل يصل إلى مليار يورو لخطة رئيسية كمية. وتستثمر الصين الكثير لتتفوق على تكنولوجيا الكم الأمريكية.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بالفعل، لكنها في الوقت الحالي أبسط من أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر العادية (وهو إنجاز معروف باسم التفوق الكمي). قامت شركة IBM بتوفير جهاز الكمبيوتر Q System One الخاص بها للتجارب والأبحاث التجارية وأنشأت شبكة من الشركاء مثل Exxon/Mobil لتعزيز الصناعة الناشئة. توفر D-wave وRegetti والعديد من الشركات الأخرى إمكانية الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية العاملة. لدى جوجل نشاط بحثي في ​​مجال الذكاء الاصطناعي الكمي، كما هو الحال مع شركة إنتل، وقد أنشأت مايكروسوفت شبكتها الكمية الخاصة التي تتضمن بائعي البرامج والأجهزة لتطوير التكنولوجيا.

لذلك لا تزال هذه هي الفترة المبكرة للتكنولوجيا وقبل سنوات عديدة من خروجها من مجال البحث للتطبيق العملي. ولكن لا يزال من المهم أن تبدأ الصناعات في دراسة استخدام هذه التكنولوجيا اليوم. هذه البداية المبكرة ضرورية لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست فقط أجهزة كمبيوتر أسرع، ولكنها تختلف بشكل كبير عن أجهزة الكمبيوتر العادية في طريقة حل المشكلات. سيحتاج المطورون إلى الوقت للتعرف على النهج الجديد والاستعداد لاستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية بمجرد أن يصبحوا جاهزين.

ويحقق الكمبيوتر التقليدي نتائجه باتباع سلسلة من الخطوات، تسمى الخوارزمية، أثناء قيامه بإجراء العمليات الحسابية. إذا كان يبحث عن قيمة تعمل على تحسين أو تلبية بعض المعادلات المعقدة، على سبيل المثال، فيجب على الكمبيوتر التقليدي أن يفحص خوارزميًا، واحدًا تلو الآخر، جميع الخيارات الممكنة. لكن الكمبيوتر الكمي يأخذ في الاعتبار جميع الإجابات المحتملة في وقت واحد باستخدام خصائص ميكانيكا الكم للتشابك والتراكب.

لاستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية، يحدد المبرمج سلسلة من البوابات الكمومية التي تحدد الشروط التي تحدد المشكلة التي يجب حلها. تستغل هذه المجموعة من البوابات الكمومية خصائص الاحتمالية والتداخل الموجي لبتات الكمبيوتر الكمومي (التي تسمى الكيوبتات) لتغيير متجه الإدخال بحيث يمثل متجه الإخراج إجابة معقولة للمشكلة. لكن تشغيلًا واحدًا لا يوفر اليقين بشأن نتيجته، بل يوفر فقط احتمالًا كبيرًا بصحته. ومن خلال إجراء العديد من هذه التجارب، يمكن للكمبيوتر الكمي رفع هذا الاحتمال إلى أقرب ما يكون إلى اليقين حسب الرغبة. وعلى الرغم من أن هناك حاجة إلى العديد من عمليات التشغيل للحصول على نتيجة دقيقة، إلا أن إجمالي وقت الحساب يمكن أن يكون أقل بكثير من النهج الخوارزمي إذا كان الكمبيوتر الكمومي يحتوي على ما يكفي من الكيوبتات قيد التشغيل. يختلف هذا النهج تمامًا عن أجهزة الكمبيوتر التقليدية، حيث إن الخبرة الحالية في أجهزة الكمبيوتر والبرمجة لن تكون قابلة للتطبيق فعليًا على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. سيتعين على المطورين البدء من الصفر لتعلم أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لذا، فقد حان الوقت الآن للبدء في بناء الخبرة في مجال أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تم نشر موقع EETIMES ومواقع أخرى تابعة لشركة Aspencore Networks المشروع الخاص لسلسلة مقالات عن الحواسيب الكمومية للمساعدة في منح المديرين تلك الميزة المبكرة. في الدليلأساسيات الحواسيب الكموميةيقدم خبراء الشركة رؤى حول كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأين يمكنك اكتساب بعض الخبرة معها. "ما هو التالي بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية؟"يتيح لمحة عن الاتجاهات الحالية في تطوير التكنولوجيا. تتناول "إدارة إمدادات الطاقة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية" المشكلات الكامنة في تشغيل هذه الأجهزة الغريبة. في النهاية، يتساءل محررو السلسلة عما إذا كنا سنحتاج إلى "كمبيوتر فائق" على مكتبنا، للتحقيق في الأسباب التجارية لاعتماد التكنولوجيا.

تكنولوجيا الكم - خطوط لصورتها

وقال تال ديفيد، مدير البرنامج الوطني لعلوم وتقنيات الكم، في حدث سفراء التكنولوجيا الفائقة الذي أقيم في أوائل شهر مارس، قبل ظهور فيروس كورونا مباشرة: "نحن في مرحلة انتقالية من علم الكم إلى تكنولوجيا الكم". هرتسليا

وقال الدكتور تال ديفيد، المدير المعين حديثاً للبرنامج الوطني لعلوم وتكنولوجيا الكم في حدث سفراء التكنولوجيا الفائقة، الذي انعقد في أوائل مارس 2020: "نحن في مرحلة انتقالية من علم الكم إلى تكنولوجيا الكم". هرتسليا. وقال ديفيد: "مهمتي هي تركيز نشاط إسرائيل في المجالات المتعلقة بتقنيات الكم، والتي يتم توزيعها اليوم في العديد من الهيئات الحكومية، حتى نصل إلى نقطة انطلاق مشتركة".

"مصطلح تكنولوجيا الكم يعني أخذ الجوانب الأساسية لفيزياء الكم وموضوع التراكب (قدرة النظام على أن يكون في عدة حالات بين 0 و 1 في نفس الوقت AB)، واستخدام المناطق التي يتجاوز فيها أدائه تلك الحالات التي لا تستخدم الفيزياء الكميات. هناك سباق دولي في مجال تكنولوجيا الكم. ولم نسمع إلا مؤخراً عن الهند، التي أنشأت مشروعاً مماثلاً لتعزيز تكنولوجيا الكم، وهذا ينضم إلى برامج أخرى، مثل البرنامج الأوروبي الرائد الذي من المقرر أن يحدث ثورة في هذا المجال على مدى عقد من الزمن. وليس الدول فقط، بل أيضًا الشركات الكبيرة مثل IBM وGoogle وAmazon، التي تصنع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، وكذلك الشركات التي تصنع أنظمة الاتصال الكمي أو التشفير الكمي.

"نحن نرى أن التقنيات الكمومية موجودة في ثلاثة مجالات للتطبيق. أولها علم المعادن والقياس الدقيق. والمجال الثاني هو الحوسبة الكمومية والاتصالات، ومؤخرا نسمع عن مجالات أخرى مثل التحقق الكمي والإنترنت الكمي".

"تتمتع إسرائيل بمزايا في النظام البيئي لتكنولوجيا الكم: بنية تحتية أكاديمية وتكنولوجية تم بناؤها هنا منذ سنوات - معظم الجامعات في إسرائيل لديها أقسام رائدة في موضوع الكم، وهذه أكاديمية متعددة التخصصات تجمع بين الفيزياء والهندسة وعلوم الكمبيوتر . وفي الصناعة، توجد هنا مراكز بحث وتطوير متعددة الجنسيات تتمتع بالإمكانيات ذات الصلة، مثل مركز البحث والتطوير التابع لشركة IBM، إلى جانب شركات إسرائيلية مثل Mellanox وAcubit وQuantum Machines وQuantum LR. في إسرائيل، هناك سبع شركات ناشئة تنشط في هذا المجال اليوم، وقد شهدنا مؤخرًا زيادة في الشركات الناشئة المسيحية. وستستثمر إسرائيل 360 مليون دولار في هذا المجال، ويتم بالفعل تنفيذ أجزاء من الخطة اليوم".

ووفقا له، بالإضافة إلى العلاقات بين الأوساط الأكاديمية والصناعة، يسعى البرنامج الوطني لتكنولوجيا الكم إلى تطوير العلاقات الدولية حول هذا الموضوع.

قد يسمح الكم باختراق RSA

ألقى الدكتور يوناتان كوهين، أحد المؤسسين والمدير التنفيذي للتكنولوجيا في شركة Quantum Machines، محاضرة أكاديمية للطلاب المتقدمين حول موضوع الحساب والحوسبة الكمومية، وأوضح سبب وجود خوف من حل مشكلة RSA، البروتوكول الأمني ​​الذي يعتمد عليه الجميع تعتمد الحوسبة اليوم.

RSA هو بروتوكول التشفير الأكثر استخدامًا على الإنترنت. نستخدمها جميعًا لأمن المعلومات وبالطبع في المعاملات المالية. يعتمد RSA على مسألة رياضية صعبة للغاية، والتي تستخدم الأعداد الأولية الطويلة. يمكن لجهاز كمبيوتر كلاسيكي عادي أن يحل المشكلة، لكن الأمر سيستغرق حوالي مليار سنة. ويمكن للحاسوب الكمي، وإن كان على نطاق أوسع بكثير مما هو موجود اليوم، أن يحل المشكلة في غضون ساعة. تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في الجوانب الأساسية لقوانين الطبيعة وليس فقط في السرعة. لا يتعلق الأمر بحجم مكونات الكمبيوتر أو البنية.

ويتحدث كوهين عن الشركة التي يديرها، مشيرا إلى أن "الشركة تطور لغة برمجة QUA ونظام التنسيق الكمي"، مما يجعل من الممكن تحسين الأداء والاستفادة من إمكانات كل حاسوب كمي وحتى تضمين حواسيب كمومية في السحابة بالطريقة المثلى. وأضاف أيضًا أن "النظام سيسمح للمكونات الكمومية في أجهزة الكمبيوتر الهجينة بالتواصل مع المكونات العادية"، مما يثبت فوائد الابتكار الإسرائيلي متعدد التخصصات.

دعوة للتعاون مع هولندا

وقالت الدكتورة راشيلي كريسبيرج، الرئيس التنفيذي لمركز الابتكار الهولندي الإسرائيلي وفرع الابتكار الهولندي في إسرائيل، إن الحكومة الهولندية خصصت 23.5 مليون يورو للكوانتم في السنوات الخمس الخمس المقبلة، وفي هولندا هناك مراكز بحث وتطوير تعمل في هذا الموضوع. الكم، بما في ذلك Kiotek في جامعة دلفت التقنية، التي تعمل بالتعاون مع Microsoft وIntel. ودعت الأكاديميين ورجال الأعمال الإسرائيليين إلى الاندماج في البرامج المختلفة للحكومة الهولندية فيما يتعلق بالكم وقالت: "نحن جميعًا بحاجة إلى خلق كتلة حرجة من النشاط في هذا المجال - والطريقة للقيام بذلك هي من خلال التعاون".
قالت آن ماري فاينمان، أحد مؤسسي فينوفا (هيئة الابتكار السويدية) ومؤسسة فينوفا إسرائيل (أول فرع خارج السويد من أصل ثلاثة)، إن ميزانية فينوفا العالمية لعام 2020 تبلغ 300 مليون دولار وتتضمن إنشاء أحد الوالدين الابتكار الجسدي في إسرائيل.
وعرضت روثي أدير، مديرة مركز سامسونج للابتكار في إسرائيل، رؤية سامسونج لموضوع الثورة الكمومية. ستحل الثورة الكمومية عالمًا كاملاً من التحديات، أحدها هو تسريع عملية تطوير الأدوية - التي تتضاعف جاذبيتها كل عقد! تعمل الحوسبة الكمومية على تقصير العملية وستسمح بتحويل التباطؤ إلى تسريع في تطوير الأدوية. "يعتمد العالم المادي على خوارزميات الكم. إن كيمياء الكم هي حصان السباق الذي سيمكن من محاكاة الجزيئات المعقدة. يأتي عالما الأدوية والتمويل في المرتبة التالية - بمساعدة الكم، سنصل إلى تحسين المحافظ الاستثمارية وتطوير أدوية جديدة. الصناعة نفسها تدرك بالفعل هذه الثورة، وفي الأسبوع الماضي جلست في اجتماع مع شركة تأمين أبدت اهتمامًا بالمجال ومهتمة بالحلول." وفي ظل ذعر كورونا، من الممكن أن تحتل إسرائيل مكانة مهمة في التطورات المستقبلية لشركة سامسونج.