القفزة الكمية القادمة

لا تزال الحوسبة الكمومية بعيدة عن التنفيذ العملي، لكن الفكرة تتلقى دعمًا ماليًا ملموسًا للغاية من حكومة الولايات المتحدة.

آرون ريكاديلا، InformationWeek، من موقع InformationWeek 10 لشهر مايو 2004

في اجتماع عقد في نهاية شهر يناير في فندق ماريوت بواشنطن، قدمت وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) - الذراع البحثية الرئيسية لوزارة الدفاع الأمريكية - اقتراحًا مصممًا لتسريع الجهود المبذولة لبناء جهاز كمبيوتر مبتكر، والذي قد يبدو من الناحية النظرية وكأنه جهاز كمبيوتر مبتكر. كوب من القهوة. تم تقديم الاقتراح إلى حوالي مائة عالم من شركات مثل بوينغ ولوكهيد مارتن، من الجيش والبحرية ووكالة ناسا والجامعات الرائدة.

ستقوم DARPA (وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة التابعة لوزارة الدفاع الأمريكية) باستثمار أكثر من 2.8 مليار دولار هذا العام في البحث والتطوير في مختلف المجالات. وفي الأشهر المقبلة، ستدير برنامجًا تبلغ قيمته عدة ملايين من الدولارات، مصممًا لمساعدة المراحل البحثية الأولى للحوسبة الكمومية في الولايات المتحدة. تعتبر الحوسبة الكمومية مجالًا بحثيًا مقصورًا على فئة معينة، ولكن تشارك فيه العديد من الهيئات مثل المختبرات الحكومية والجامعات والشركات التجارية - بما في ذلك AT&T وHP وIBM وMicrosoft. عادةً ما تعمل أجهزة الكمبيوتر العملاقة المبنية وفقًا لقوانين فيزياء الكم الغريبة في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، ويتم وضعها في ما يشبه كوبًا من السائل أكثر من كونه علبة جهاز إلكتروني. من الناحية النظرية، فإنهم قادرون على إجراء عمليات حسابية في ثوانٍ قد تستغرق ساعات على أجهزة الكمبيوتر الحالية، وحل المشكلات في بضع ساعات والتي قد تحتاج أجهزة كمبيوتر السيليكون الأكثر تقدمًا إلى مئات السنين للعثور على إجابة لها. ويتم تخزين المعلومات ومعالجتها وفقًا لقوانين فيزياء الكم التي تنطبق على الجسيمات دون الذرية، والتي وصفها أينشتاين بـ "النشاط البعيد للأشباح".

إذا سارت الجهود البحثية بشكل جيد - وليس هناك ما يضمن أن هذا هو الحال بالفعل - فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستخلق ثورة حقيقية في صناعة الكمبيوتر. وتخشى الصناعة من أن معدل تطور أجهزة الكمبيوتر، الذي يحدده حاليا قانون مور، والذي ينص على أن قوة الحوسبة سوف تتضاعف كل عام ونصف، قد ينخفض ​​في المستقبل القريب. قد تحل أجهزة الكمبيوتر الكمومية المشكلة وتُحدث ثورة في التطبيقات مثل التشفير والهندسة والتنبؤ بالطقس والرحلات الفضائية والرياضيات. سوف تصبح أنظمة تشفير المفتاح العام اليوم عديمة القيمة. الساعات الدقيقة من الساعات الذرية ستوجه الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية بدقة لا تصدق. قد تؤدي أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى تحسين قوي في سرعة عمليات البحث في قواعد البيانات وحل المشكلات التي أصبحت الآن غير قابلة للحل تقريبًا. ويقول بيت برادلي، وهو باحث مشارك في الحوسبة عالية الأداء في قسم يونايتد تكنولوجيز الذي يصنع محركات الطائرات: "إذا كان السعر معقولا، فسوف تتمكن برات آند ويتني من تحسين أداء أنظمتها عشرة أضعاف".

لا تزال الثورة بعيدة المنال، وربما يستغرق الأمر أكثر من عشرين عامًا قبل أن نتمكن من بناء حاسوب كمي مفيد، لكن الإمكانات هائلة. الفكرة الأساسية للحوسبة الكمومية هي أن البتات الكمومية، التي تسمى qubit، يمكن أن تمثل كلا من 1 و0 في نفس الوقت - بدلاً من 1 أو 0 في أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. كل بت كمي يزيد عدد الحسابات الممكنة بشكل كبير، مقارنة بالنمو الخطي في أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. سيكون الكمبيوتر الكمي الذي يستخدم 14 ذرة لأغراض الحسابات - ضعف عدد أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية - قادرًا على إجراء المزيد من حسابات المحاكاة في نفس الوقت (16,384) مقارنة بأسرع كمبيوتر عملاق في الولايات المتحدة، الموجود في لوس ألاموس. ولا عجب أن مختبر لوس ألاموس استثمر 11 مليون دولار في العام الماضي في أبحاث الحوسبة الكمومية. لا يزال الطريق لتحقيق هذه النتائج طويلاً، لكن التمويل في إطار برنامج وزارة الدفاع قد يؤدي إلى تسريع البحث. واليوم تستثمر الحكومة الأمريكية في المجال من 80 مليون دولار إلى XNUMX مليون دولار سنويا.

الهدف من البرنامج الذي تقدمه DARPA والذي يعرف باسم Foqus (الأنظمة الكمية المركزة)، هو بناء حاسوب كمي قادر على توليد رقم 128 بت، كما هو متعارف عليه في مجال التشفير عبر الإنترنت، لمدة 30 دقيقة. ثانية وبدقة 99.99 بالمائة. يقول نبيل عمار، المدير والاستراتيجي لفيزياء المعلومات في شركة آي بي إم للأبحاث: "قررت وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) استثمار مبالغ كبيرة في أبحاث الحوسبة الكمومية". "ستتم إدارة الجهود بطريقة منسقة حتى المرحلة التي يمكن فيها تحديد ما إذا كان بإمكاننا بناء مثل هذا الكمبيوتر أم لا."

ستشارك IBM ومختبر لينكولن التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤسسات بحثية أخرى في برنامج Foqus، بهدف تحديد أساسيات تصميم الكمبيوتر الكمي - كيفية إدخال المعلومات فيه، وكيفية تلقي المدخلات وكيفية تصحيح الأخطاء الحتمية. تريد DARPA استخدام ميكانيكا الكم لإنشاء نوع جديد من التشفير الذي سيكون غير قابل للكسر حتى مع الخوارزميات الأكثر تعقيدًا. في غضون بضعة عقود، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على فك الإشارات الإلكترونية الواردة من طائرات الركاب والطائرات المقاتلة التابعة لشركة بوينغ، كما يقول غاري فيتزماير، نائب رئيس قسم الهندسة وتكنولوجيا المعلومات في قسم أبحاث وتطوير فانتوم في بوينغ. حضر فيتزماير مؤتمرًا عقدته وكالة مشاريع البحوث المتطورة الدفاعية (DARPA) وقام بزيارة كلية الفيزياء بجامعة كامبريدج لتنسيق خطط التطوير. يقول فيتزماير: "يمكن للحوسبة الكمومية تحسين أمان البيانات المنقولة لاسلكيًا من الطائرات المقاتلة من طراز F-18 أو طائرات AWAC المجهزة بالرادار". وأضاف: "لا نريد أن يتم تعطيل هذه الإشارات أو التقاطها من قبل أطراف معادية". تعامل DARPA برنامج Foqus باعتباره برنامجًا محتملاً فقط، وستعرض على العلماء المشاركة فيه "في المستقبل القريب"، وفقًا للمتحدثة باسم الوكالة. تهتم الوكالة بشكل خاص بإمكانية الحوسبة الكمومية لإجراء اتصالات آمنة ودقيقة للغاية.

الفوائد المحتملة كبيرة جدًا لدرجة أن شركة Microsoft استأجرت عالم الرياضيات الحائز على جوائز مايكل فريدمان لاستكشاف الإمكانيات النظرية لبناء وبرمجة كمبيوتر كمي. "ماذا ستجد على مكتبك خلال ثلاثين عامًا؟" تتساءل جنيفر تشيس، مديرة مجموعة الأبحاث النظرية في مايكروسوفت التي عينت فريدمان: "أو على الحائط، أو على السوار، أو على الهاتف؟ إذا كان الكمبيوتر الكمي، فإن مايكروسوفت تريد أن تكون جزءًا منه. نريد التأثير على الطريقة التي سيتم بها بناء أجهزة الكمبيوتر هذه."

ولدت فكرة بناء جهاز كمبيوتر يتصرف وفقا لقوانين فيزياء الكم في أوائل الثمانينات، عندما افترض ريتشارد فاينمان، الحائز على جائزة نوبل من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، أن الطريقة الوحيدة لمحاكاة نظام الكم أما الميكانيكا - التي يمكن فيها للجسيمات أن تتحرك في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت - تستخدم جهاز كمبيوتر يعمل بنفسه باستخدام هذه الطريقة. جاء الإنجاز الكبير في عام 1994، عندما قدم بيتر شور، الباحث في AT&T Bell Labs في نيوجيرسي، خوارزمية تشرح نظريًا كيف يمكن للكمبيوتر الكمي تحليل الأعداد الكبيرة بسرعة. وبما أن الرموز المستخدمة لحماية الأسرار العسكرية والمالية تعتمد على هذه الأرقام، فقد بدأت الأموال الحكومية تتدفق على الفور إلى أبحاث الحوسبة الكمومية. لكن، بحسب المطلعين على برنامج فوكس، فإن الخطة الجديدة أكثر طموحا من حيث حجم التمويل وحرية العمل التي ستمنح للباحثين مقارنة بخطط الإدارة السابقة.

ليس هناك شك في أن المهندسين سيستمرون في تحسين الأداء الذي تنتجه رقائق السيليكون، لكن صناعة الكمبيوتر تدرك أنه لن يكون من الممكن إضافة وتقليص الرقائق إلى أجل غير مسمى. بمجرد وصول المكونات إلى مستوى النانو، يبدأ تسرب الطاقة والحرارة في الإضرار بالأداء. ليس من الواضح حتى الآن ما إذا كان من الممكن إنتاج حواسيب كمومية ذات أبعاد مفيدة، أو ما إذا كانت ميكانيكا الكم والخوارزميات الناتجة دقيقة. يقول كارل ويليامز، مدير قسم الفيزياء الذرية في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، الذي يحدد القياس والوقت: "ما زلنا في المراحل الأساسية، لكن هذه مراحل أساسية على الطريق لبناء حاسوب أكثر تعقيدا". المعايير في الولايات المتحدة. "ليس من الواضح بعد ما هي التكنولوجيا التي سيتم استخدامها لبناء هذا النوع الجديد من أجهزة الكمبيوتر."

ما هو واضح للجميع هو أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ليست البديل المحتمل الوحيد لأجهزة الكمبيوتر المصنوعة من السيليكون. تقوم شركة HP بالبحث في فرع من فروع تكنولوجيا النانو تسميه الإلكترونيات الجزيئية، والذي يتعامل مع استخدام التأثيرات الكمومية في المواد على مستوى النانو لبناء أجهزة كمبيوتر أكثر كفاءة. استخدم باحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا بالفعل تفاعلات في جزيئات الحمض النووي لإجراء حسابات معينة قبل عقد من الزمن. أعلن علماء إسرائيليون مؤخرا أنهم قاموا ببرمجة جهاز كمبيوتر للحمض النووي يمكنه الكشف عن علامات السرطان. لا يزال الجميع يبحث عن أفضل طريقة لبناء حاسوب كمي. تستخدم التجارب التي أجراها إسحاق تشانغ ونيل غيرشنفيلد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وكذلك ديفيد وينلاند من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا، الذرات أو الأيونات المشحونة في مصيدة كهرومغناطيسية، بينما تختبر شركة آي بي إم مواد فائقة التوصيل يمكنها إنشاء بتات كمومية. يقول عمار: "لقد فكرنا كثيرًا في محاولة إيجاد حلول مختلفة". وقبل أسبوعين، قدمت شركة IBM وجامعة ستانفورد بحثاً مشتركاً في مجال يسمى الإلكترونيات السبينية، في محاولة للتحكم في طريقة تحرك الإلكترونات، بدلاً من شحناتها الكهربائية. ومن بين أمور أخرى، سيتم تنفيذ البحث في بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

قضية أخرى هي وتيرة التقدم البحثي. ويقدر الباحثون أنه من أجل مجاراة أقوى حواسيب السيليكون في أداء مهام مثل إنشاء كود 128 بت لتشفير البريد الإلكتروني والبيانات على الإنترنت، هناك حاجة إلى حاسوب كمي يقوم بإجراء العمليات الحسابية باستخدام مائة ألف ذرة. يقول ستان ويليامز، مدير أبحاث الكم وأحد كبار زملاء شركة HP: "في الوقت الحالي، نواجه مشكلة في التعامل مع ذرة أو ذرتين". "إن بناء حاسوب كمي كبير اليوم يشبه محاولة بناء حاسوب فائق قبل اختراع الترانزستور. عليك أن تذهب خطوة بخطوة. أولاً، سنحصد ثمار البحث الأولي، ونحاول توليد الدخل الذي سيمول استمرار البحث والتطوير".

أحد التطبيقات التي تختبرها شركة HP هو توصيل البتات الكمومية عبر الألياف الضوئية إلى المكاتب والمنازل في المدن المتصلة بالشبكة. ويأمل الباحثون في HP أن تكون الخصائص الكمومية للفوتونات قادرة على محاكاة السيناريوهات في الأسواق التي تتصرف وفقًا لنظرية اللعبة، مثل الأسواق المالية أو المزادات. يقول ويليامز: "إننا نحاول العثور على تطبيق لهذه اللكمة". "بدلاً من ضرب رؤوسنا بالحائط محاولين إنشاء أرقام كبيرة، نحاول العثور على شيء سيكون الناس على استعداد لدفع ثمنه ويمكن تنفيذه بمساعدة الكيوبتات الفردية." سعر هذه الخدمة ليس واضحا بعد. "سنت واحد لكل كيوبت" - يمزح ويليامز، لكن الشركات تتوقع من الباحثين التركيز بجدية على التطبيقات التي قد تدر المال. يقول ويليامز: "في مختبر مثل مختبر HP، من الضروري التركيز على نموذج الأعمال".

وهناك شركات أخرى، مثل شركة إنتل، لم تقفز بعد إلى المجال الجديد. إن الانحراف عن قانون مور يمكن أن يهدد أعمال إنتل، لكن تكنولوجيا الحوسبة الكمومية "بعيدة كل البعد عن الأشياء التي تهتم بها شركة تصنيع كبيرة الحجم مثل إنتل"، كما يقول بات جيلسنجر، كبير مسؤولي التكنولوجيا في إنتل. وتقوم الشركة بتمويل أبحاث معينة في الجامعات، ولكن لا يوجد باحث في إنتل يشارك بشكل مباشر في هذا الأمر. ويقدر جيلسنجر: "لا أعتقد أن هذا سيكون له أي عواقب قبل عام 2020". حتى بين مستخدمي أجهزة الكمبيوتر العملاقة هناك متشككون. يقول أحد خبراء التكنولوجيا في وول ستريت إن الأمر سيستغرق الكثير من العمل لجلب الحوسبة الكمومية بنجاح إلى القطاع الخاص. يجب تعديل كل سطر من التعليمات البرمجية في كل تطبيق.

كما هو الحال مع أي تكنولوجيا، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو متى يكون الوقت المناسب لاستثمار الأموال والاهتمام. من الصعب بشكل خاص العثور على الإجابة فيما يتعلق بالحوسبة الكمومية، حيث أن التطبيقات العملية لا تزال بعيدة جدًا. ويعترف ويليامز من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا بأن معظم الشركات لا تزال لا تستفيد من الحوسبة الكمومية، "ولكن بمجرد أن تبحر السفينة، سيرغب الجميع في أن يكونوا على متنها - وإلا فإن وجودهم ذاته سيكون في خطر".

للحصول على معلومات على موقع InformationWeek

العلماء: لقد قمنا بنقل المعلومات المشفرة

نجح مجموعة من الباحثين من جامعة كانبيرا في أستراليا، حسب زعمهم، في إرسال معلومات مشفرة في عملية توفر أمانًا مثاليًا من خلال فيزياء الكم

وكالات الأخبار

يبدو إطلاق الأجسام في الفضاء أمرًا بسيطًا للغاية في المسلسل التلفزيوني "Star Trek". تمتم الكابتن كيرك في جهاز Star Tech بالنداء الخالد "Beam me up، Scotty" (Beam me up، Scotty)، وتحول هو وصديق من قطيعه إلى جزيئات متلألئة على خلفية رخيصة لكوكب موبوء بالكائنات الفضائية، فقط لتتجسد مرة أخرى على متن سفينة الفضاء إنتربرايز.

النقل الآني هو اسم ابتكره مؤلفو الخيال العلمي لظاهرة إرسال شخص أو جسم من مكان إلى آخر. تعتمد العملية على معالجة وتفكيك وإعادة تجميع الكميات. يتم مسح الكائن الأصلي بطريقة تقرأ جميع المعلومات منه ثم يتم إطلاقه إلى مكان في الفضاء حيث يتم إعادة إنشائه، ليس بالضرورة من المادة الأصلية ولكن من ذرات مماثلة، مرتبة بنفس طريقة الكائن الأصلي .

فاكس ثلاثي الأبعاد

إن آلة النقل الآني، إذا تم اختراعها، ستكون مشابهة لجهاز الفاكس، مع اختلاف واحد: أنها ستعمل على كائنات ثلاثية الأبعاد، وتنتج نسخة مطابقة للأصل، بينما تدمر الأصل، على عكس الفاكس. حتى أن بعض كتاب الخيال العلمي وصفوا عملية النقل الآني التي تحافظ على الأصل، مما يزيد من تعقيد الحبكة، عندما يلتقي الكائن الأصلي مع الشيء المكرر. من المفترض أن تكون آلة النقل الآني "الخالصة" نوعًا من وسائل النقل الفائقة، وليست وسيلة لاستنساخ البشر.

حتى سنوات قليلة مضت، شكك العلماء في فكرة النقل الآني، حيث اعتقدوا أنها تنتهك مبدأ عدم اليقين في ميكانيكا الكم، الذي يمنع قياس أو مسح جميع المعلومات الموجودة في الذرة أو أي جسم آخر. وبحسب المبدأ، فإن مسح العظم يؤثر على حالته ويغيره، ولا يسمح بإنشاء نسخة طبق الأصل منه. ومع ذلك، تمكنت مجموعة دولية من العلماء في عام 1993 من إيجاد طريقة للتغلب على هذا المنطق بناءً على خاصية ميكانيكا الكم تسمى تأثير أينشتاين-بودولسكي. لقد وجدوا طريقة لمسح جزء من الكائن A، وإنشاء نسخة منه (الكائن B)، ومسح ما تبقى منه، وإعادة إنشاء نسخة مماثلة (الكائن C).

ومنذ ذلك الحين، بدأ علماء آخرون في تطوير تجارب تهدف إلى إثبات إمكانية نقل الأجسام المجهرية مثل الذرات أو الفوتونات، لكن محبي الخيال العلمي سيصابون بخيبة أمل عندما يعلمون أن إسقاط الأجسام الكبيرة والبشر لن يتحقق في المستقبل القريب.

تشفير مثالي باستخدام فيزياء الكم

مجموعة من الباحثين من جامعة كانبيرا في أستراليا لم يحاولوا بالطبع إرسال حيوانات أو أشياء إلى مسافة بعيدة، ولكنهم حسب قولهم نجحوا لأول مرة، على الأقل في هذا الكوكب بالذات، في إرسال معلومات مشفرة. في عملية توفر الأمان المثالي من خلال فيزياء الكم.

من يهتم؟ بالنسبة للعديد من الشركات الكبيرة والمؤسسات الحكومية وغيرها، الذين قد يستفيدون من الاتصالات المشفرة. ببساطة، وجد فريق الباحثين أنه باستخدام شعاع الليزر، يمكنهم إرسال إشارة إلى شبكة من أجهزة الاستقبال التي يمكن تجميعها بواسطة معظم أجهزة الاستقبال. أقل من ذلك لا يمكن قراءة الرسالة.

تم نشر تفاصيل الدراسة في العدد الأخير من مجلة Physical Review Letters، التي أجراها بينغ كوي لام وفريقه. واستند رئيس فريق الباحثين، المولود في الصين والذي يحمل الاسم الرمزي إلى حد ما بينغ كوي لام، في بحثه إلى اختراق تم تسجيله في الجامعة عام 2002، عندما تمكن الباحثون من إرسال معلومات عبر مسافة باستخدام شعاع الليزر. ويصف بينج الإنجاز الأخير بأنه تنفيذ أكثر تعقيدًا للنقل الآني، بطريقة تسمح بفك تشفير الإرسال فقط إذا استقبله غالبية المستلمين.

لماذا تهتم بإرسال المعلومات عبر النقل الآني بينما يمكنك استخدام البريد الإلكتروني الآمن؟ وأوضح كوي لام أن الاتصال الكمي يوفر أمانًا بنسبة 100 بالمائة، ولا يمكن نسخه أو التنصت عليه.
وكتب في بيان نشره: "يمكن استخدام الاتصالات الآمنة القائمة على فيزياء الكم لحماية المعلومات، وهو إجراء يسمى مشاركة الحالة الكمومية، وتكمن ميزة تقنيتنا في حقيقة أن الرسالة المشفرة يمكن فك تشفيرها من قبل معظم المستلمين". . إذا تم إرسال الرسالة إلى شبكة مكونة من 15 وكيلًا، فسيحتاج ثمانية منهم على الأقل إلى قراءة الرسالة لفك تشفيرها. وبهذه الطريقة، ستنخفض فرص تغيير الرسالة أو حذفها بواسطة عميل مزدوج إلى حد كبير."

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~839105679~~~95&SiteName=hayadan