تاريخ مجال علم المعلومات الكمومية

يعتمد علم المعلومات الكمي على الفيزياء والرياضيات وعلوم الكمبيوتر والهندسة لفهم كيفية معالجة البيانات بطرق لم يتوقعها حتى الآباء المؤسسون لثورة المعلومات الحالية، كما يقول البروفيسور تشارلز بينيت، زميل IBM والحائز على جائزة وولف لعام 2018 في الفيزياء

بقلم تشارلز بينيت، زميل IBM والفائز بجائزة وولف لعام 2018 في الفيزياء

يعتمد علم المعلومات الكمي على الفيزياء والرياضيات وعلوم الكمبيوتر والهندسة لفهم كيفية معالجة البيانات بطرق لم يتوقعها الآباء المؤسسون لثورة المعلومات الحالية. تعود جذور هذا المجال إلى سبعينيات القرن الماضي، عندما بدأ سلسلة من الرواد مثل ستيفان ويزنر من جامعة كولومبيا، ورولف لانداور وأنوتشي في شركة IBM، وديفيد دويتش في أكسفورد، وريتشارد فاينمان الحائز على جائزة نوبل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، في تقديمه. أسئلة أساسية مثل "ما مقدار الطاقة المطلوبة لمعالجة جزء واحد من المعلومات؟"، أو "هل يمكن أن يساعد التأثير الكمي، بدلاً من أن يكون عائقًا، في معالجة البيانات؟"

في ذلك الوقت، كان عدد قليل من الأشخاص الذين فكروا في هذه القضايا يعملون بمعزل عن الآخرين: لم يكن أحد يفكر في هذا المجال باعتباره وظيفته بدوام كامل. ومع ذلك، في نهاية المطاف، التقى العديد منا ببعضهم البعض واستلهموا الإلهام من مؤتمر فيزياء الحوسبة الأول، الذي عقد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1981. وهناك، قدمت النتائج التي توصلت إليها من عام 1973، في دراسة مستوحاة من عمل لانداور، والتي ذكرت فيها أن هناك لا يوجد حد أساسي متأصل وغير قابل للاختزال فيما يتعلق بالتكلفة النشطة لإجراء عملية حسابية. بمعنى آخر: من الممكن إجراء الحسابات بتنسيق يحافظ على إمكانية حدوث انعكاس ديناميكي حراري كامل: انتقال بين حالتين دون فقدان كامل للطاقة. في نفس المؤتمر، قدم فاينمان أيضًا أطروحته القائلة بأنه لكي يتمكن الكمبيوتر من إجراء محاكاة فعالة للطبيعة، يجب أن يعمل في إطار قوانين الكم، وليس في إطار قوانين الحوسبة الكلاسيكية.

كجزء من المؤتمر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤتمرات الأخرى التي نظمها عالم الكونيات جون ويلر في جامعة تكساس، بدأ نشر هذه الأفكار على المجتمع المتنامي من الفيزيائيين المهتمين بهذا المجال. تبعه جيل براسارد من جامعة مونتريال أولاً، حيث جلب الفكرة إلى عالم علوم الكمبيوتر.

كان معظم علماء الكمبيوتر مترددين في البداية في قبول فكرة المعلومات الكمومية، لاعتقادهم الخاطئ أنهم يعرفون بالفعل كل شيء عن معالجة البيانات. وعلى هذا النحو، فقد تم تعريف فكرة الحوسبة الكمومية لأول مرة من قبل عالم الفيزياء: ديفيد دويتش، الذي حضر مؤتمر ويلر. وهكذا بدأ التوافق بين ميكانيكا الكم والنظرية الكلاسيكية في مجال الحوسبة، وولد مجال علم المعلومات الكمومية.

في عام 1984، قمت أنا وبراسارد بتطوير بنية التشفير الكمي BB84، والتي تتيح الاتصال الآمن بين الأطراف التي لا يُطلب منها مشاركة المعلومات السرية أولاً. بعد خمس سنوات، قام جون سوملين، الذي كان طالبًا جامعيًا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ثم في وقت لاحق في شركة IBM، معي ببناء الأجهزة اللازمة لأول عرض عملي للتشفير الكمي. نفذت الأجهزة، التي كانت تعمل بموجب برنامج كتبه براسارد وطلابه في مونتريال، بروتوكول BB84، الذي كان موجودًا حتى ذلك الحين على الورق فقط.

في عام 1993، اكتشفت أنا وبراسارد، بالتعاون مع عالم الكمبيوتر كلود كاربو، وعالم الرياضيات ريتشارد جوسا، والفيزيائيين آشر بيريز وويليام ووترز، "الانتقال الآني الكمي": وهي طريقة لفصل وتقسيم الحالة الكمومية غير المعروفة إلى قسمين: جزء كلاسيكي وجزئي غير كلاسيكي، في شكل التشابك الكمي. يتم إرسال هذين الجزأين في قنوات منفصلة، ​​ويتم إعادة تجميعهما لاحقًا على الجانب المستقبل - من أجل إنشاء نسخة طبق الأصل من الحالة الكمومية الأصلية، التي تم تدميرها وفقدت في عملية الإرسال.

الاكتشاف الذي تم التوصل إليه في عام 1994 من قبل بيتر شور، في مختبرات بيل، والذي بموجبه يمكن للكمبيوتر الكمي أن يسرع بشكل كبير حل المشكلة العملية المتمثلة في تحليل عدد إلى عوامل كاملة، مما أشعل الاهتمام العالمي بالمجال الجديد. في هذه الأثناء، قدم العمل العلمي في IBM ومختبرات بيل ومؤسسات أخرى سلسلة من التقنيات للنقل الموثوق للمعلومات الكمومية حتى في القنوات الصاخبة، وإمكانية الحوسبة الكمومية الموثوقة على أجهزة غير موثوقة - والتي تعتبر ضرورية للتطبيق العملي لـ الحوسبة الكمومية، وليس فقط على الورق.

كما هو الحال مع أي مجال من مجالات العلوم الأساسية، من الصعب حاليًا التنبؤ بالتأثيرات طويلة المدى لعلم المعلومات الكمومية، لكن الخبراء يأملون أن يكون لها تأثير عميق على مجالات الذكاء الاصطناعي، والنمذجة الجزيئية وبناء جزيئات جديدة، والأمن عبر الإنترنت. والنمذجة المالية وفيزياء الجسيمات. أنا فخور بمساهمة عملي مع البروفيسور براسارد، في وضع أسس علم المعلومات الكمومية، وأعتقد أنه يجسد روح جائزة وولف: "إنجازات لصالح الجنس البشري والروابط بين البشر". الكائنات... بغض النظر عن الجنسية أو العرق أو اللون أو المعتقد الديني أو الجنس أو المعتقدات السياسية".

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• "بمساعدة البصيرة التي تلقيناها من فك شيفرة جينوم النحل، سنكون قادرين على محاربة انهيار خلايا النحل" (مقابلة مع البروفيسور جين روبنسون، الحائز على جائزة وولف للزراعة لعام 2018)
• ستستثمر إسرائيل في نظام الحوسبة الكمومية للقضايا الأمنية
• يعد البرنامج الوطني للحوسبة الكمومية ضروريًا لتبقى إسرائيل في طليعة العلوم والتكنولوجيا
• نظام لاكتشاف الذرة الواحدة - لاستخدامه في الحوسبة الكمومية