Skip to main content

إشارات

حوسبة كمومية

الجيل التالي من تكنولوجيا الحوسبة

يمثل ظهور الحوسبة الكمومية التحول التكنولوجي الرئيسي التالي، مما يؤدي إلى تغييرات اقتصادية واجتماعية شاملة. فيما يلي كتاب تمهيدي قصير حول ما هو متوقع من التكنولوجيا.

الجيل التالي من تكنولوجيا الحوسبة

الحوسبة الكمومية (QC) هي الجيل التالي من تكنولوجيا الحوسبة، التي تستفيد من فيزياء الكم.

في حين تعتمد الحوسبة الكلاسيكية على البتات، وهي وحدتها الأساسية، تعتمد الحوسبة الكمومية على الكيوبت - أو أي قيمة بين الكيوبتات، أو أي مزيج منها.

في حين أن البت موجود وفقًا لمنطق ثنائي - إما 0 أو 1، أو قيد الإيقاف أو التشغيل - يمكن أن يوجد الكيوبت في كل من الحالة 0 والحالة 1 في نفس الوقت، في ظاهرة تُعرف باسم «التراكب "».

«التشابك» هو ظاهرة أساسية أخرى تمنح QC قوتها. عندما يتشابك اثنان أو أكثر من الكيوبتات، فإنها تعمل كنظام واحد، تمامًا مثل التروس المدمجة في علبة التروس، بحيث يؤدي التغيير إلى كيوبت واحد إلى تغيير جميع الكيوبتات الأخرى التي تتشابك معها. وهذا يعني أن عملية واحدة يمكن أن تؤثر في نفس الوقت على حالات العديد من الكيوبتات.

النتيجة هي نوع جديد من الحوسبة أكثر قوة بشكل مذهل.

يمكن أن يكون هناك ما بين 2000 و 5000 جهاز كمبيوتر كمي في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2030. كان هناك أقل من اثني عشر في عام 2018.

أجهزة الكمبيوتر الأكثر قوة بشكل كبير

1 يمكن للكمبيوتر الكمي حل مشكلة تتطلب مجموعة من 512 وحدة معالجة رسومات

تتمتع QC بالقدرة على حل المشكلات الأكثر تعقيدًا بشكل كبير من تلك التي يمكن للحوسبة الكلاسيكية حلها.

سيكون الكمبيوتر الكمي الذي تبلغ سعته 1000 كيوبت (والذي من المتوقع أن يصل في غضون 2-3 سنوات) قادرًا على العمل على 10³¹ (أي 1 متبوعًا بـ 301 صفر) مختلفة تسمى «حالات المعلومات» في وقت واحد.

تعني «الدولة» في هذا السياق أحد الحلول الممكنة لمشكلة معينة. ستكون معظم الحلول الممكنة خاطئة، لذا كلما زاد عدد الدول التي يمكننا استكشافها، زادت فرصنا في العثور على أفضل حل.

بنيان، إطاران زمنيان

الملدنات الكمومية متخصصة في مهام التحسين. قد تستخدم شركة طيران مثل هذا الكمبيوتر لإعداد جدول زمني مثالي لمسارات الطائرات، وهو جدول يقلل من استخدام الوقود مع ضمان تلبية جميع جداول الركاب.

سيبدأون في إحداث تأثير تجاري في غضون 2-5 سنوات

 

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على البوابة عالمية، مما يعني أنها ستكون قادرة على حساب مجموعة واسعة من المشكلات. في المستقبل، ستستخدم شركة أدوية واحدة لمحاكاة مركبات الأدوية الجديدة، واستكشاف تأثيرات الملايين منها دون الحاجة إلى تركيبها واختبارها.

سيبدأون في إحداث تأثير تجاري في غضون 7-10 سنوات

تقنيات الكم

وحدات كيوبت فائقة التوصيل

واحدة من منصات التكنولوجيا الرائدة لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تقوم IBM و Google و D- Wave وغيرها بتشغيله. تعمل الأنظمة فائقة التوصيل عادةً في درجات حرارة منخفضة جدًا، قريبة من الصفر المطلق من أجل تهيئة الظروف المناسبة للحساب الكمي.

شبكات الكم

تسمح الشبكات الكمومية بنقل المعلومات الكمومية المتشابكة عبر قنوات الاتصال. إنها إحدى التقنيات التمكينية وراء QKD وستسمح بتحسين الأمان وزيادة النطاق الترددي.

توزيع المفاتيح الكمومية (QKD)

طريقة اتصال آمنة تنفذ بروتوكول تشفير يتضمن مكونات ميكانيكا الكم. إنه يمكّن طرفين من إنتاج مفتاح سري عشوائي مشترك معروف لهما فقط، وهو مفتاح يمكن استخدامه بعد ذلك لتشفير الرسائل وفك تشفيرها. إنه يحمل وعدًا بأنه غير معرض للتطفل أو هجمات " man-in-the-middle ".

جهاز استشعار الكم

جهاز يعمل عن طريق اكتشاف الاختلافات في الجاذبية الصغرى باستخدام مبادئ فيزياء الكم، والتي تعتمد على معالجة الطبيعة على المستوى الجزيئي الفرعي. يستخدم الاستشعار الكمي خصائص ميكانيكا الكم مثل التشابك الكمي والتداخل الكمي وضغط الحالة الكمومية لتجاوز الحدود الحالية في تكنولوجيا الاستشعار والتهرب من مبدأ عدم اليقين.

كيوبتات أيونات الكم

مصائد الأيونات الكمومية هي منصة تقنية أخرى تستخدم لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يتضمن استخدام القوة المغناطيسية الكهربائية لحصر الأيونات في الفضاء الحر. LonQ هو المؤيد الرئيسي لهذا النهج.

أبنية التلدين

إن بنية التلدين هي بنية أبسط، تعتمد على فكرة إيجاد أدنى حالة طاقة في النظام الكمي. تتوافق حالة الطاقة المنخفضة هذه مع الحل الأمثل لمشكلة التحسين.

أبنية البوابة

تستخدم هياكل البوابة المكافئ الكمي للبوابات المنطقية التي تعمل بمثابة اللبنات الأساسية لوحدات المعالجة المركزية القائمة على السيليكون. بالنظر إلى هذه الحقيقة، يمكن للكمبيوتر الكمي القائم على البوابة، من الناحية النظرية على الأقل، حساب نفس مجموعة المشكلات مثل الكمبيوتر التقليدي.

فوتونيات

تعتمد الأنظمة الضوئية على النبضات الضوئية واستقطاب الضوء لإنشاء الكيوبتات الخاصة بها. على عكس معظم تقنيات الكيوبت الأخرى، فإنها تتمتع بميزة التشغيل في درجة حرارة الغرفة، ولكنها تميل إلى العمل بشكل أبطأ بكثير من الكيوبتات فائقة التوصيل. Xanadu هي الشركة الرائدة التي تتبع نهجًا فوتونيًا لمراقبة الجودة.

تشفير ما بعد الكم (PQC)

التشفير ما بعد الكم هو المصطلح الجماعي لمقاربات التشفير بالمفتاح العام الجديدة التي تقاوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تتم إدارة عملية اختيار خوارزميات PQC من قبل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST). تتبع معظم المنظمات الكبيرة قيادة NIST.

الحوسبة الكمومية في السحابة

الأجهزة

عادةً، لا تمتلك الشركات التي تحتاج إلى مراقبة الجودة أجهزة الكمبيوتر الخاصة بها. إن فكرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية المحلية ليست عملية حاليًا، وذلك لعدد من الأسباب الرئيسية:

  • الأجهزة الكمومية باهظة الثمن
  • عملياتهم معقدة وبالتالي مكلفة
  • بالنظر إلى عدد المرات التي تتلقى فيها الأجهزة الكمومية ترقيات من الشركات المصنعة لها، فإن الأجهزة الفردية ستصبح قديمة بسرعة.

بدلاً من ذلك، يمكن للمستخدمين النهائيين لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الوصول إليها عبر الخدمات السحابية.

يوجد حاليًا طريقتان لتوفير السحابة لمراقبة الجودة:

إيجابيات وسلبيات النهجين

سحابة خاصة

في هذا النهج، يوفر مقدمو الخدمة الوصول إلى أجهزة مراقبة الجودة الخاصة بهم من خلال الخدمات السحابية الخاصة بهم. تعد IBM أهم شركة تتبع هذا النهج، حيث تقدم مراقبة الجودة من خلال شبكة IBM Q الخاصة بها.

نقاط القوة

تكامل أوثق بين منصة السحابة الحالية لدى المزود ومنصة الكم. تقليل زمن انتقال الشبكة بين منصة السحابة الكلاسيكية ومنصة الكم، مما سيكون ميزة للتطبيقات ذات زمن الانتقال المنخفض (مثل الكشف عن الاحتيال).

نقاط الضعف

مجموعة محدودة من الخيارات الخلفية للحوسبة الكمومية

إمكانية وجود نماذج تجارية أكثر تقييدًا

خطر حبس البائع

السحابة العامة

في هذا النهج، توفر الخدمات السحابية الرائدة إمكانية الوصول إلى أجهزة مراقبة الجودة الخاصة بموردي الطرف الثالث. توفر Amazon Braket، على سبيل المثال، إمكانية الوصول إلى دوائر D-Wave و Rigetti و Oxford Quantum Circuits و IonQ و Xanadu، مع المزيد في طور الإعداد. يوفر ميكروسوفت أزور كوانتوم إمكانية الوصول إلى كوانتينيوم، وأيونكيو، وكوانتوم سيركيتس إنك، وريجيتي، وباسكال، و1كيو بت، ومايكروسوفت كيو كيو، وتوشيبا SQBM+.

نقاط القوة

يستخدم خدمات الوصول والفواتير الحالية لموفر السحابة والخدمات المشتركة المماثلة

يوفر منطلقًا سهلاً للوصول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية، عادةً باستخدام نموذج «الدفع أولاً بأول»

يوفر الوصول إلى مجموعة متنوعة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية، مما يسمح بالمقارنة بين المنصات وتحديد الجهاز المناسب للمشكلة المطروحة

نقاط الضعف

الاتجاه نحو زمن انتقال أعلى في الوصول إلى الجهاز الكمي بسبب الرحلات ذهابًا وإيابًا على الشبكة وقوائم الانتظار

وهذا بدوره يخلق مشكلات في تطبيقات مثل اكتشاف الاحتيال والتداول عالي التردد التي تتطلب متطلبات الوقت الفعلي أو وقت استجابة منخفض، لدرجة أن هذه التطبيقات قد لا تكون عملية

 

 

في المستقبل، قد يستضيف مزودو السحابة الأجهزة الكمومية في مراكز البيانات الخاصة بهم جنبًا إلى جنب مع أجهزة وحدة المعالجة المركزية ووحدة معالجة الرسومات التقليدية، وبالتالي تقليل تأثيرات زمن الوصول وتمكين فئة جديدة من التطبيقات الهجينة الكمومية عالية الإنتاجية ومنخفضة الكمون، مثل اكتشاف الاحتيال والتداول عالي التردد.

البرمجيات/واجهات برمجة التطبيقات

تميل واجهات برمجة التطبيقات وحزم SDK المرتبطة بها إلى أن تكون مفتوحة المصدر، مع استثناءات قليلة، مكتوبة بلغة برمجة Python.

عادةً ما يوفر كل بائع رائد لمراقبة الجودة واجهات برمجة التطبيقات الخاصة به لدعم أجهزته أو خدماته.

قرر بعض البائعين، مثل IonQ، دعم واجهات برمجة التطبيقات للبائعين الآخرين بدلاً من تطوير واجهات برمجة التطبيقات الخاصة بهم. IonQ، على سبيل المثال، يدعم Qiskit من IBM و Cirq. يسمح هذا الأسلوب للخوارزميات الكمومية المكتوبة بلغة Qiskit لآلة IBM الكمومية، على سبيل المثال، بسهولة أكبر ليتم تشغيلها على جهاز IonQ.

سيشهد المستقبل عددًا صغيرًا من واجهات برمجة التطبيقات الموحدة، التي يتم توفيرها أو فرضها من قبل مزودي التقنية/السحابة الكبار (IBM/Amazon/Microsoft)، والتي سيبني عليها بائعو أجهزة الحوسبة الكمومية.

تطبيقات في الخدمات المالية

في الوقت الذي تسعى فيه المؤسسات المالية إلى القيادة في مراقبة الجودة، من المرجح أن تجد أن تطوير المهارات والمواهب والاحتفاظ بها سيصبحان ساحة معركة رئيسية. سوف يرى القادة في تطبيق التقنيات الكمومية أن أمنهم وكفاءتهم التشغيلية وفعالية المنتج تنمو بشكل كبير، في حين أن المتخلفين سيشهدون تآكل هذه الجوانب من أعمالهم.

على الرغم من أننا لا نتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قوية بما يكفي لفك تشفير أنظمة التشفير القائمة على PKI الحالية لمدة 10-12 عامًا على الأقل، إلا أن هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به لإعدادها لمواجهة التهديدات الكمومية.

تأثير تحفيزي في قطاعات أخرى

لدى QC تطبيقات تحويلية محتملة في مجموعة من المجالات الأخرى.

اكتشاف الأدوية

ستعمل الحوسبة الكمومية على تحسين عملية اكتشاف الأدوية من خلال تسريع تحديد ومحاكاة الجزيئات. ستنقل التجارب من المختبرات الرطبة إلى أجهزة الكمبيوتر وسيتمكن الباحثون من الوصول إلى التركيبات الكيميائية التي ستستغرق الحوسبة التقليدية عقودًا لابتكارها.

الأمن السيبراني

تهدد أجهزة الكمبيوتر الكمومية العمود الفقري الأمني لشبكات اليوم - تشفير المفتاح العام RSA. لكن التكنولوجيا الكمومية ستتيح أيضًا أشكالًا جديدة وأكثر أمانًا من الاتصال.

الخدمات اللوجستية

ستعمل QC على تحويل سلاسل التوريد لدينا من خلال التعامل مع كتل معقدة بشكل غير مسبوق من البيانات المتعلقة بالقدرة التصنيعية والجغرافيا والبنية التحتية وأنماط الطقس والتوجيه وسعة السكك الحديدية وخطوط الشحن وما بعدها.

صناعة السيارات

ستقترب QC من نظام بيئي قابل للحياة للمركبات المستقلة. سيعمل الذكاء الاصطناعي القائم على الكم والتعلم الآلي على تسريع عملية تعلم الخوارزميات الضرورية. وسوف يستفيد تصنيف الصور واحتجاز الكائنات ثلاثية الأبعاد أيضًا من مراقبة الجودة.

محاكاة

سوف توفر مراقبة الجودة قدرات جديدة في نمذجة الواقع. سوف نتوقع بشكل أفضل الظواهر الجوية المتطرفة، ونرسم خريطة لتغير المناخ، ونتوقع كيف ستؤثر التنمية الحضرية على الانبعاثات، ونتوقع النمو السكاني - وأكثر من ذلك.

مع اكتساب QC زخمًا، سنرى بطبيعة الحال حالات الاستخدام تظهر عبر العديد من القطاعات.

التكنولوجيا الناشئة

اللاعبون في QC الآن

تقوم مجموعة متنوعة من موردي الأجهزة بإنشاء أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بهم، باستخدام مجموعة من الظواهر الفيزيائية الأساسية المختلفة ونشر كل من الأساليب العالمية القائمة على البوابة ونهج التلدين الكمي. وتشمل هذه:

بالإضافة إلى موردي الأجهزة، الذين يقدم كل منهم عادةً مكتبات البرامج الخاصة به (على سبيل المثال، IBM qiskit و D-Wave Ocean و Google Cirq)، هناك أيضًا عدد من موردي البرامج الكمومية النقية. من بينها:

نمو سوق مراقبة الجودة

2016

89 مليون دولار

سوق الحوسبة الكمومية العالمية

2025

949 مليون دولار

سوق الحوسبة الكمومية العالمية (المتوقعة)

معدل نمو سنوي مركب بنسبة 30% من 2017 إلى 2025

إمكانات كبيرة في المستقبل

ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية مناسبة لمهام معينة. على المدى القريب، ستتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية في حل المشكلات العددية المعقدة وستتعايش مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحالية لتمكين الأنظمة الهجينة الكمومية الكلاسيكية. يُعد التهجين أمرًا مهمًا، لأنه في حين توفر الحوسبة الكلاسيكية مخرجات مقطوعة وجافة، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقدم مخرجات في توزيعات احتمالية، مما يولد مجموعات من الإجابات التي قد تتطلب بعد ذلك التصفية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. في المستقبل، تتمتع مراقبة الجودة بالقدرة على التحول. سيُحدث تحسينات هائلة في مجالات معينة، مما يمنحنا الموارد اللازمة لإنشاء عقاقير ثورية جديدة، لتحسين عمل أسواقنا المالية، لتأمين شبكاتنا، لفهم الأنظمة المعقدة، من إيكولوجيا الأرض إلى شبكات العرض والطلب العالمية - وأكثر من ذلك. أما بالنسبة لتأثيراته القصوى، فإن الأفق مفتوح. هناك تغييرات كبيرة في المستقبل القريب على المستويين الاجتماعي والاقتصادي: تمامًا مثل الحوسبة الكلاسيكية، ستكون مراقبة الجودة تحويلية شاملة من حيث الطريقة التي نعيش بها. لكن القصة لا تزال قيد الكتابة، وستكون العقود القليلة القادمة شاهدًا على ما يمكن أن تفعله أفضل عقولنا بهذه الأداة الجديدة القوية.