كوانتمرون

رصيد الصورة: كوانتمرون

كيف ستغير أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالم: مستقبل أجهزة الكمبيوتر P7

ديفيد تال ، ناشر ، مستقبلي
تضمين التغريدة
لينكدين:

الإثنين ، 09/14/2020 - 05:14

هناك الكثير من الضجيج العائم حول صناعة الكمبيوتر العامة ، ويتمحور الضجيج حول تقنية واحدة محددة لديها القدرة على تغيير كل شيء: أجهزة الكمبيوتر الكمومية. نظرًا لكون شركتنا تحمل الاسم نفسه ، فسوف نعترف بالتحيز في تفاؤلنا بشأن هذه التقنية ، وعلى مدار هذا الفصل الأخير من سلسلة مستقبل أجهزة الكمبيوتر ، نأمل أن نطلعك على سبب ذلك.

في المستوى الأساسي ، يوفر الكمبيوتر الكمومي فرصة لمعالجة المعلومات بطريقة مختلفة تمامًا. في الواقع ، بمجرد نضوج هذه التقنية ، لن تحل أجهزة الكمبيوتر هذه المشكلات الرياضية بشكل أسرع من أي جهاز كمبيوتر موجود حاليًا فحسب ، بل ستحل أيضًا أي جهاز كمبيوتر يُتوقع وجوده خلال العقود القليلة القادمة (على افتراض أن قانون مور صحيح). في الواقع ، على غرار مناقشتنا حولها الحواسيب العملاقة في فصلنا الأخير، ستمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل البشرية من معالجة الأسئلة الأكبر التي يمكن أن تساعدنا في اكتساب فهم أعمق بعمق للعالم من حولنا.

ما هي الحواسيب الكمومية؟

بغض النظر عن الضجيج ، كيف تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن أجهزة الكمبيوتر القياسية؟ وكيف تعمل؟

للمتعلمين المرئيين ، نوصي بمشاهدة هذا الفيديو القصير الممتع من فريق Kurzgesagt على YouTube حول هذا الموضوع:

وفي الوقت نفسه ، بالنسبة لقرائنا ، سنبذل قصارى جهدنا لشرح أجهزة الكمبيوتر الكمومية دون الحاجة إلى الحصول على درجة في الفيزياء.

بالنسبة للمبتدئين ، نحن بحاجة إلى أن نتذكر أن الوحدة الأساسية لمعالجة أجهزة الكمبيوتر قليلة. يمكن أن تحتوي هذه البتات على إحدى القيمتين: 1 أو 0 ، تشغيل أو إيقاف تشغيل ، نعم أو لا. إذا جمعت ما يكفي من هذه البتات معًا ، فيمكنك حينئذٍ تمثيل الأرقام بأي حجم وإجراء جميع أنواع الحسابات عليها ، تلو الأخرى. كلما كانت شريحة الكمبيوتر أكبر أو أكثر قوة ، زادت الأرقام التي يمكنك إنشاء الحسابات وتطبيقها ، وكلما زادت سرعة الانتقال من عملية حسابية إلى أخرى.

تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية من ناحيتين مهمتين.

أولاً ، ميزة "التراكب". بينما تعمل أجهزة الكمبيوتر التقليدية مع وحدات البت ، تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الكيوبتات. تمكّن كيوبت من تأثير التراكب هو أنه بدلاً من التقيد بواحدة من قيمتين محتملتين (1 أو 0) ، يمكن للكيوبت أن يوجد كمزيج من الاثنين معًا. تسمح هذه الميزة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بالعمل بكفاءة (أسرع) أكثر من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

ثانيًا ، ميزة "التشابك". هذه الظاهرة هي سلوك فريد في الفيزياء الكمومية يربط مصير كمية من الجسيمات المختلفة ، بحيث يؤثر ما يحدث لأحدها على الآخرين. عند تطبيقها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، فهذا يعني أنها تستطيع التعامل مع جميع الكيوبتات الخاصة بها في وقت واحد - بمعنى آخر ، بدلاً من إجراء مجموعة من العمليات الحسابية واحدة تلو الأخرى ، يمكن للحاسوب الكمي أن يقوم بها جميعًا في نفس الوقت.

السباق لبناء أول كمبيوتر كمي

هذا العنوان تسمية خاطئة إلى حد ما. قامت الشركات الرائدة مثل Microsoft و IBM و Google بالفعل بإنشاء أول أجهزة كمبيوتر كمومية تجريبية ، لكن هذه النماذج الأولية تتميز بأقل من عشرين كيوبت لكل شريحة. وعلى الرغم من أن هذه الجهود المبكرة هي خطوة أولى رائعة ، إلا أن شركات التكنولوجيا وإدارات الأبحاث الحكومية ستحتاج إلى بناء جهاز كمبيوتر كمي يضم ما لا يقل عن 49 إلى 50 كيوبت من أجل الضجيج لتلبية إمكاناته الواقعية النظرية.

تحقيقا لهذه الغاية ، هناك عدد من الأساليب التي يتم تجربتها لتحقيق هذا المعلم البالغ 50 كيلوبت ، ولكن اثنين منها فوق كل القادمين.

في أحد المعسكرات ، تهدف Google و IBM إلى تطوير كمبيوتر كمي من خلال تمثيل الكيوبتات على أنها تيارات تتدفق عبر أسلاك فائقة التوصيل يتم تبريدها إلى -273.15 درجة مئوية ، أو الصفر المطلق. إن وجود أو عدم وجود حوامل تيار لـ 1 أو 0. وتتمثل فائدة هذا النهج في أن هذه الأسلاك أو الدوائر فائقة التوصيل يمكن بناؤها من السيليكون ، وهي مادة مادية لشركات أشباه الموصلات لديها عقود من الخبرة في العمل معها.

النهج الثاني ، بقيادة مايكروسوفت ، يتضمن الأيونات المحاصرة في مكانها في غرفة مفرغة ويتم معالجتها بواسطة الليزر. تعمل الشحنات المتذبذبة كوحدات كيوبت ، والتي تُستخدم بعد ذلك لمعالجة عمليات الكمبيوتر الكمومي.

كيف سنستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية

حسنًا ، مع وضع النظرية جانبًا ، دعنا نركز على تطبيقات العالم الحقيقي التي ستوفرها أجهزة الكمبيوتر الكمومية على العالم وكيفية تفاعل الشركات والأفراد معها.

المشاكل اللوجيستية والتحسين. سيكون التحسين من بين الاستخدامات الفورية والمربحة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. بالنسبة لتطبيقات مشاركة الرحلات ، مثل Uber ، ما هو أسرع طريق لالتقاط وتسليم أكبر عدد ممكن من العملاء؟ بالنسبة لعمالقة التجارة الإلكترونية ، مثل أمازون ، ما هي الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة لتقديم مليارات الحزم أثناء اندفاع شراء هدايا العيد؟

تتضمن هذه الأسئلة البسيطة تحطيم الأرقام من مئات إلى آلاف المتغيرات في وقت واحد ، وهو إنجاز لا تستطيع الحواسيب العملاقة الحديثة التعامل معه ؛ لذلك بدلاً من ذلك ، يقومون بحساب نسبة صغيرة من هذه المتغيرات لمساعدة هذه الشركات على إدارة احتياجاتها اللوجستية بطريقة أقل من الأمثل. ولكن مع الكمبيوتر الكمومي ، سوف يقطع طريقًا عبر جبل من المتغيرات دون أن ينكسر أي عرق.

الطقس والمناخ النمذجة. على غرار النقطة أعلاه ، فإن السبب وراء خطأ قناة الطقس في بعض الأحيان هو وجود العديد من المتغيرات البيئية التي يجب على أجهزة الكمبيوتر العملاقة معالجتها (ذلك وفي بعض الأحيان جمع بيانات الطقس السيئ). ولكن باستخدام الكمبيوتر الكمومي ، لا يمكن لعلماء الطقس التنبؤ بأنماط الطقس على المدى القريب بشكل مثالي فحسب ، بل يمكنهم أيضًا إنشاء تقييمات مناخية أكثر دقة على المدى الطويل للتنبؤ بآثار تغير المناخ.

طب شخصي. يعد فك شفرة الحمض النووي الخاص بك والميكروبيوم الفريد الخاص بك أمرًا ضروريًا للأطباء المستقبليين لوصف الأدوية المصممة تمامًا لجسمك. بينما خطت الحواسيب العملاقة التقليدية خطوات واسعة في فك تشفير الحمض النووي بتكلفة فعالة ، فإن الميكروبيوم بعيد جدًا عن متناولها — ولكن ليس كذلك بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل.

ستسمح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا لشركة Big Pharma بالتنبؤ بشكل أفضل بكيفية تفاعل الجزيئات المختلفة مع عقاقيرها ، وبالتالي تسريع تطوير المستحضرات الصيدلانية وخفض الأسعار بشكل كبير.

استكشاف الفضاء. تجمع التلسكوبات الفضائية اليوم (وغدًا) كميات هائلة من بيانات الصور الفلكية كل يوم والتي تتعقب تحركات تريليونات المجرات والنجوم والكواكب والكويكبات. للأسف ، هذه بيانات كثيرة جدًا بحيث لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم التدقيق فيها لإجراء اكتشافات ذات مغزى على أساس منتظم. ولكن باستخدام الكمبيوتر الكمي الناضج جنبًا إلى جنب مع التعلم الآلي ، يمكن أخيرًا معالجة كل هذه البيانات بكفاءة ، مما يفتح الباب أمام اكتشاف مئات إلى آلاف الكواكب الجديدة يوميًا بحلول أوائل عام 2030.

العلوم الأساسية. على غرار النقاط المذكورة أعلاه ، ستسمح قوة الحوسبة الأولية التي تتيحها أجهزة الكمبيوتر الكمومية للعلماء والمهندسين بابتكار مواد كيميائية ومواد جديدة ، بالإضافة إلى محركات تعمل بشكل أفضل وبالطبع ألعاب عيد الميلاد الأكثر برودة.

تعلم الآلة. باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، تحتاج خوارزميات التعلم الآلي إلى قدر هائل من الأمثلة المنسقة والمصنفة (البيانات الضخمة) لتعلم مهارات جديدة. باستخدام الحوسبة الكمومية ، يمكن لبرامج التعلم الآلي أن تبدأ في التعلم مثل البشر ، حيث يمكنهم اكتساب مهارات جديدة باستخدام بيانات أقل ، وبيانات أكثر تشويشًا ، وغالبًا مع القليل من التعليمات.

يعد هذا التطبيق أيضًا موضوعًا مثيرًا للإثارة بين الباحثين في مجال الذكاء الاصطناعي (AI) ، حيث يمكن أن تؤدي هذه القدرة التعليمية المحسنة الطبيعية إلى تسريع التقدم في أبحاث الذكاء الاصطناعي لعقود. المزيد عن هذا في سلسلة مستقبل الذكاء الاصطناعي.

التشفير. للأسف ، هذا التطبيق يثير قلق معظم الباحثين ووكالات الاستخبارات. تعتمد جميع خدمات التشفير الحالية على إنشاء كلمات مرور من شأنها أن تستغرق أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة آلاف السنين للتغلب عليها ؛ يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تمزق من الناحية النظرية مفاتيح التشفير هذه في أقل من ساعة.

الخدمات المصرفية والاتصالات وخدمات الأمن القومي والإنترنت نفسها تعتمد على تشفير موثوق للعمل. (أوه ، وانس أمر البيتكوين أيضًا ، نظرًا لاعتمادها الأساسي على التشفير.) إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية تعمل كما هو معلن عنها ، فإن كل هذه الصناعات ستكون في خطر ، وفي أسوأ الأحوال ستهدد الاقتصاد العالمي بأكمله حتى نقوم ببناء التشفير الكمي للحفاظ على سرعة.

ترجمة فورية للغات. لإنهاء هذا الفصل وهذه السلسلة بملاحظة أقل إجهادًا ، ستتيح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا ترجمة شبه مثالية في الوقت الفعلي للغة بين أي لغتين ، إما عبر محادثة Skype أو من خلال استخدام جهاز صوتي يمكن ارتداؤه أو غرسة في أذنك .

في غضون 20 عامًا ، لن تكون اللغة عائقًا أمام الأعمال والتفاعلات اليومية. على سبيل المثال ، يمكن لأي شخص يتحدث الإنجليزية فقط الدخول بثقة أكبر في علاقات تجارية مع شركاء في دول أجنبية حيث كانت العلامات التجارية الإنجليزية ستفشل في اختراقها ، وعند زيارة البلدان الأجنبية المذكورة ، قد يقع هذا الشخص في حب شخص معين يحدث فقط للتحدث الكانتونية.