حواسيب الكم تتقدم نحو العمل في درجات حرارة أعلى
تاريخ النشر: 9th, April 2024 GMT
لطالما عانى مجال حوسبة الكم من الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، تصل إلى أجزاء بسيطة من الدرجة فوق الصفر المطلق (0 كلفن أو -273.15 درجة مئوية).
ويرجع ذلك إلى أن الظواهر الكمومية التي تمنح أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدراتها الحسابية الفريدة لا يمكن تسخيرها إلا من خلال عزلها عن حرارة العالم الكلاسيكي المألوف الذي نعيش فيه.
يتطلب البت الكمومي الواحد أو "الكيوبت"، وهو ما يعادل البت الثنائي "صفر أو واحد" في قلب الحوسبة الكلاسيكية، جهاز تبريد كبيرًا ليعمل.
ومع ذلك، في العديد من المجالات التي نتوقع أن تحقق فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية اختراقات - مثل تصميم مواد أو أدوية جديدة - سنحتاج إلى أعداد كبيرة من الكيوبتات أو حتى أجهزة كمبيوتر كمومية كاملة تعمل بالتوازي.
من المتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يمكنها إدارة الأخطاء وتصحيح نفسها، وهي ضرورية للحسابات الموثوقة، ضخمة الحجم. تستعد شركات مثل Google وIBM و PsiQuantum لمستقبل مستودعات كاملة مليئة بأنظمة التبريد وتستهلك كميات هائلة من الطاقة لتشغيل جهاز كمبيوتر كمومي واحد.
ولكن إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على العمل في درجات حرارة أعلى قليلاً، فقد يكون تشغيلها أسهل بكثير - ومتاحًا على نطاق أوسع.
في بحث جديد نُشر في Nature، أظهر فريقنا أن نوعًا معينًا من الكيوبتات - دوران الإلكترونات الفردية - يمكن أن يعمل في درجات حرارة حول 1 كلفن، وهي أكثر سخونة بكثير من الأمثلة السابقة.
تصبح أنظمة التبريد أقل كفاءة في درجات الحرارة المنخفضة. ومما يزيد الطين بلة، أن الأنظمة التي نستخدمها اليوم للتحكم في الكيوبتات هي عبارة عن فوضى متشابكة من الأسلاك تذكرنا بـ ENIAC وأجهزة الكمبيوتر الضخمة الأخرى في الأربعينيات، تزيد هذه الأنظمة من التسخين وتخلق اختناقات مادية لجعل الكيوبتات تعمل معًا.
كلما حاولنا حشر المزيد من الكيوبتات، زادت صعوبة المشكلة. عند نقطة معينة، تصبح مشكلة الأسلاك غير قابلة للتغلب عليها.
بعد ذلك، يجب دمج أنظمة التحكم في نفس الرقائق مثل الكيوبتات. ومع ذلك، فإن هذه الإلكترونيات المتكاملة تستخدم طاقة أكبر - وتبدد حرارة أكثر - من الفوضى الكبيرة للأسلاك.
منعطف دافئيوفر بحثنا الجديد طريقًا للمضي قدمًا، لقد أثبتنا أن نوعًا معينًا من الكيوبتات - نوع مصنوع من نقطة كمومية مطبوعة بأقطاب معدنية على السيليكون، باستخدام تقنية تشبه إلى حد كبير تلك المستخدمة في إنتاج الرقائق الدقيقة الحالية - يمكن أن يعمل في درجات حرارة حوالي 1 كلفن.
هذه درجة واحدة فقط فوق الصفر المطلق، لذا فهي لا تزال باردة للغاية. ومع ذلك، فهي أكثر دفئًا بشكل ملحوظ مما كان يعتقد سابقًا أنه ممكن.
يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى تكثيف البنية التحتية للتبريد المترامية الأطراف إلى نظام واحد أكثر قابلية للإدارة. سيؤدي ذلك إلى تقليل تكاليف التشغيل واستهلاك الطاقة بشكل كبير.
ضرورة مثل هذه التطورات التكنولوجية ليست أكاديمية بحتة. المخاطر عالية في مجالات مثل تصميم الأدوية، حيث تعد الحوسبة الكمومية بإحداث ثورة في كيفية فهمنا للتراكيب الجزيئية والتفاعل معها.
تؤكد نفقات البحث والتطوير في هذه الصناعات، التي تصل إلى مليارات الدولارات، على وفورات التكلفة المحتملة ومكاسب الكفاءة من تقنيات الحوسبة الكمومية الأكثر سهولة.
احتراق بطيءتقدم الكيوبتات "الأكثر سخونة" إمكانيات جديدة، ولكنها ستطرح أيضًا تحديات جديدة في تصحيح الأخطاء والتحكم. قد تعني درجات الحرارة المرتفعة زيادة في معدل أخطاء القياس، ما سيخلق صعوبات إضافية في الحفاظ على الكمبيوتر يعمل.
لا يزال الوقت مبكرًا في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية يومًا ما منتشرة مثل رقائق السيليكون اليوم، لكن الطريق إلى ذلك المستقبل سيكون مليئًا بالعقبات الفنية. يعتبر تقدمنا الأخير في تشغيل الكيوبتات في درجات حرارة أعلى خطوة أساسية نحو تبسيط متطلبات النظام.
المصدر: صدى البلد
كلمات دلالية: درجات حرارة
إقرأ أيضاً:
مستقبل الاتصالات الرقمية.. من الـ 5G إلى الاتصالات الكمومية
كما نشاهد، فإن التقدم التكنولوجي في مجال الاتصالات يتطور بوتيرة مذهلة، حيث انتقلنا من شبكات الاتصال التقليدية إلى الألياف الضوئية، ثم إلى شبكات الجيل الخامس (5G)، والآن تجري الشركات تجارب على شبكات الجيل السادس (6G). وفي الوقت الحالي، تُناقَش الاتصالات الكمومية بشكل واسع في المؤتمرات المتخصصة، باعتبارها خطوة ثورية نحو المستقبل.
في هذه المقالة، نقدم نظرة شاملة حول الإمكانيات المختلفة التي ستتيحها تقنيات الكم في مجالات الحوسبة والاتصالات وغيرها من القطاعات، وهو ما قد يؤدي إلى تغيير الاتجاه العام للتنمية المشتركة بين الفيزياء الحديثة، وتكنولوجيا المعلومات، والتشفير، والذكاء الاصطناعي.
فما هو الاتصال الكمي؟ وكيف يسهم في حماية نقل المعلومات؟ وكيف سيؤثر على مستقبل الاتصالات؟ كل هذه التساؤلات سنجيب عنها في هذا السرد.
في البداية دعونا نتحدث عن الحوسبة الكمومية التي سوف تعتمد على مبدأها الاتصالات الكمومية. إنها تقنية تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكمّ وظواهرها، مثل التراكب الكمومي والتشابك الكمومي؛ لمعالجة البيانات بطرق غير تقليدية. في الحواسيب التقليدية، تُقاس البيانات بوحدات البت (Bit)، والتي تستخدم لمعالجة كل شيء في هواتفنا وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية والمعالجات المضمنة وخوادم مراكز البيانات والسحابة. بينما تُستخدم في الحوسبة الكمومية وحدات البت الكمومي أو «كيوبت» (Qubit)، وهو اختصار لـ Quantum Bit. يكمن المبدأ الأساسي للحوسبة الكمومية في استغلال الخواص الكمومية للجسيمات لتمثيل البيانات ومعالجتها، بالإضافة إلى توظيف قواعد ميكانيكا الكم في بناء وتنفيذ العمليات الحسابية بطريقة أكثر كفاءة وقدرة مقارنةً بالحوسبة التقليدية.
الفرق بين الحوسبة التقليدية والحوسبة الكمومية
ولو أتينا أن نفرق علميًّا بين الحوسبة الكمومية والحوسبة التقليدية فممكن القول إن الحوسبة الكمومية تعتمد على الكيوبتات مثل ما أسلفنا سابقا، وهي وحدات معلوماتية ممكن أن تكون 0 و1 في الوقت نفسه بفضل خاصية التراكب الكمومي. في المقابل، تعمل الحوسبة التقليدية باستخدام الترانزستورات، التي يمكنها تخزين إما 0 أو 1 فقط، مما يجعلها أقل مرونة من الحوسبة الكمومية.
أما من حيث القوة الحسابية فتتميز الحوسبة الكمومية بقدرتها على النمو أُسِّيًّا مع زيادة عدد الكيوبتات، مما يمنحها إمكانيات مذهلة في معالجة البيانات. بينما في الحوسبة التقليدية، تزداد القدرة الحسابية بشكل خطي مع عدد الترانزستورات، مما يعني أنها تحتاج إلى عدد كبير من الترانزستورات لتحقيق أداء أقوى.
أما من حيث التطبيقات، فإن الحوسبة الكمومية مناسبة لحل المشكلات المعقدة مثل تحليل البيانات الضخمة، المحاكاة، وحل مسائل التحسين التي يصعب حلها بالحواسيب التقليدية. في المقابل، تبقى الحوسبة التقليدية الأفضل للمهمات اليومية مثل تصفح الإنترنت، تشغيل البرامج، ومعالجة البيانات العادية؛ نظرًا لاستقرارها وكفاءتها العالية في هذه الجوانب.
نتقل الآن إلى الاتصالات الكمومية والتي تعد فرعا من العلوم والتكنولوجيا يُعنى بنقل المعلومات عبر الحالات الكمومية، مثل الفوتونات (جسيمات الضوء). وعلى الرغم من أن استخدام هذه التقنية قد لا يُحدث تغييرًا جذريًّا في الحياة اليومية للأفراد، فإنه يمثل ثورة في مجال تبادل المعلومات الآمنة، مما يعزز من مستوى الأمان والسرية في الاتصالات.
وكما نعرف، يرتبط تطور التقنيات الرقمية بالزيادة العالمية في حجم البيانات وتغلغل البيئة الرقمية في جميع مجالات الحياة البشرية. ويعتمد نجاح تطبيقات الذكاء الاصطناعي على حجم البيانات الرقمية المتوفرة والمتاحة والتي تولدها حساسات تقنيات إنترنت الأشياء، فمثلا تتيح الحلول السحابية تخزين ونقل كميات هائلة من المعلومات المتعلقة بالبيانات الشخصية والأسرار التجارية والمالية والإدارة العامة وإدارة البنية التحتية والطاقة والنقل وغيرها، وكلما تم نقل المزيد من المعلومات إلى البيئة الرقمية وتم تنفيذ المزيد من تقنيات إنترنت الأشياء (التحكم عن بعد)، على سبيل المثال، في محطات الطاقة أو المستشفيات أو السيارات أو القطارات، أصبحت الحاجة إلى حمايتها من مجرمي الإنترنت أكثر إلحاحًا.
إن الحاجة إلى إنشاء بيئة رقمية آمنة تشكل تحديا رئيسيا في عصر الثورة الصناعية الخامسة وأحد أهم القضايا في تطوير أنظمة المعلومات والاتصالات بشكل عام، فمع تزايد الهجمات الإلكترونية والتوترات الجيوسياسية، أصبح أمن البيانات أولوية قصوى، ومن دون تكنولوجيات جديدة شاملة تضمن أعلى مستوى من الحماية للبيانات المنقولة فإن تطوير المجتمع الرقمي أمر مستحيل في المستقبل القريب، ولضمان الحماية الموثوقة للمعلومات يتم اليوم إيلاء اهتمام خاص للاتصالات الكمومية، التي تستخدم قوانين الفيزياء الكمومية وطريقة توزيع المفاتيح الكمومية المبنية عليها لإنشاء قنوات اتصال آمنة، والتي ستصبح المعيار الجديد لأمن البيانات في السنوات القادمة.
إن الميزة الأساسية للاتصالات الكمومية هي قدرتها على بناء أنظمة اتصالات آمنة يتم فيها ضمان ثبات المعلومات المنقولة وموثوقيتها من خلال المبادئ الفيزيائية، وليس من خلال الخوارزميات الرياضية، كما هو الحال في الأساليب الحالية.
تستخدم شبكات الاتصالات التقليدية إشارات بصرية عالية الكثافة لنقل المعلومات، حيث تنبعث منها تريليونات الفوتونات في جزء من الثانية، ومع ذلك يمكن للمهاجم اعتراض هذه الإشارة والحصول على جزء صغير منها، وحتى لو كانت المعلومات مشفرة فإن التطورات في تقنيات الحوسبة وزيادة قوة المعالجة تمنح المهاجمين قدرة متزايدة على تحليل البيانات ومحاولة فك تشفيرها.
وعلى عكس شبكات الاتصالات التقليدية، تعتمد الشبكات الكمومية على نقل كميات صغيرة جدًا من الإشعاع الضوئي، بحيث تكون أصغر مما تسمح به قوانين الفيزياء التقليدية. وفي الواقع، يتم نقل فوتونات فردية، حيث يتم ترميز كل نبضة فوتونية بشكل منفصل ومستقل عن النبضات الأخرى. هذا النهج يجعل من الصعب جدًا على أي جهة خارجية اعتراض المعلومات دون التأثير على حالتها، مما يوفر مستوى غير مسبوق من الأمان في نقل البيانات.
وبفضل هذه الخصائص، من المستحيل تحويل مثل هذه الإشارة من خط الاتصال دون أن يتم اكتشافها -وهذا هو الفيزياء التي تم بناء النظام الجديد في مجال أمن المعلومات عليها، حيث لا يملك مجرمو الإنترنت بأي وسيلة لاختراق مثل هذه القناة وإنشاء اتصال سري بخط الاتصال؛ وسوف يصبح أي تدخل من هذا القبيل معروفًا على الفور لمالك النظام.
ومن هنا ممكن أن نقول إن هناك تشفيرا كميا كاملا في نقل المعلومات، مما يجعل من المستحيل على أطراف ثالثة اعتراضها، حيث تحتوي كل رسالة مرسلة على مفتاحها السري الفريد. علاوة على ذلك، فإن السرية المطلقة للمعلومات المنقولة لا يتم ضمانها من خلال القدرات الحاسوبية والتقنية، ولكن من خلال قوانين الطبيعة، حيث يتم نقل الإشارات باستخدام تيار من الفوتونات الفردية، ولا يمكن تقسيم الفوتون أو قياسه أو نسخه أو إزالته دون أن تتم ملاحظته، وبسبب هذه الإجراءات يتم تدمير الفوتون ببساطة ولا يتمكن من الوصول إلى مستقبله.
وتشتمل معدات توزيع المفتاح الكمي على جهاز إرسال كمي (مرسل)، والذي يقوم بتوليد ونقل الإشارات الكمومية، وجهاز استقبال كمي (مستقبل)، والذي يستقبلها ويعالجها. ولكي تعمل هذه المكونات، هناك حاجة إلى قناة خدمات كلاسيكية، وقناة مزامنة لنقل إشارات التحكم، وقناة كمية. يُطلق على هذا الهيكل المعقد من المعدات وقنوات الاتصال اسم نظام الاتصالات الكمومية.
بشكل عام، تعد أنظمة الاتصالات الكمومية جيلًا جديدًا من الأنظمة في مجال الاتصالات الآمنة. وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، انتقلت تقنيات الاتصالات الكمومية من البحث الأساسي إلى التطوير التطبيقي والتنفيذ العملي. ويُفسَّر الاهتمام الكبير بهذا المجال بالأهمية الاستراتيجية للاتصالات الكمومية لضمان السيادة الرقمية.
من يتسيد المستقبل؟
وفي الوقت الحالي، تعمل الكثير من الدول مثل الولايات المتحدة وأوروبا والمملكة المتحدة واليابان والصين وروسيا على إنشاء أطر استخدام تقنيات الاتصالات الكمومية والتي تعد العمود الفقري للاتصالات الكمومية. تقدم هذه الإطارات على مصطلحات وتعريفات وتصف المبادئ العامة ومعايير لاستخدام اتصالات الكم.
وعمليا، عملت كل من الصين وكندا والاتحاد الأوروبي وجمهورية كوريا على دمج الشبكة الكمومية الأرضية مع قطاع الفضاء لإنشاء مساحة معلوماتية آمنة واحدة.
ويعتقد الخبراء أن الاتصالات الكمية ستصبح خلال 10 إلى 15 عامًا عنصرًا أساسيًّا في البنية التحتية الرقمية مثل الحماية من الفيروسات أو تشفير البيانات في كل التطبيقات. ويناقش الخبراء القواعد التنظيمية التي ستلزم المنظمات بحماية أنواع معينة من البيانات باستخدام طرق مقاومة الكم.
وبما أننا في عصر الذكاء الاصطناعي، يعد الاستخدام المشترك للحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي موضوعًا ساخنًا هذه الأيام. وقد دفع هذا النمو البعض إلى القول بأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون قادرة على معالجة كميات هائلة من البيانات لتطبيقات الذكاء الاصطناعي، متفوقة بذلك على الأنظمة التقليدية. تبدو هذه الفكرة واعدة، ولكن يبقى التحدي في كيفية إدخال كل هذه البيانات إلى الكيوبتات بكفاءة. هناك عدة طرق مقترحة لتحقيق ذلك، ولكن حتى الآن، لا يوجد أي منها يتمتع بالسرعة والكفاءة الكافيتين لجعل الحوسبة الكمومية قابلة للتطبيق على نطاق واسع.
لهذا السبب، من الضروري التعامل بحذر مع العبارات مثل «على نطاق صغير» أو «النموذج الأولي» عند الحديث عن الابتكارات في مجال الذكاء الاصطناعي الكمي. في معظم الحالات، يتم تطبيق الحوسبة الكمومية لحل مشكلات محدودة الحجم، بينما لا تزال الأنظمة الكمية بعيدة عن أن تكون قوية وموثوقة بما يكفي للاستخدام التجاري واسع النطاق. ومع ذلك، يواصل الباحثون تطوير تقنيات مثل تصحيح الأخطاء الكمومية وتحسين استقرار الكيوبتات، مما قد يمهد الطريق لمستقبل تصبح فيه الحوسبة الكمومية أداة رئيسية في الذكاء الاصطناعي والتطبيقات المتقدمة الأخرى.
ولطالما كان الذكاء الاصطناعي في الحوسبة الكمومية يكتسب زخمًا كبيرًا يومًا بعد يوم، سيظل كذلك طالما استمر تطور أنظمة الحوسبة الكمومية، ومع التقدم السريع في هذا المجال، يتزايد فهم كيفية معالجة البيانات وإدخالها وإخراجها داخل أنظمة الحوسبة عالية الأداء، مما يعزز من إمكانات الذكاء الاصطناعي الكمي.
وفي السنوات القادمة، وحسب قراءتنا للبحوث العلمي نتوقع أن نرى نتائج عملية واعدة بحلول نهاية هذا العقد، حيث ستبدأ التطبيقات الكمية في تحقيق قيمة واضحة مقارنة بالأنظمة التقليدية، ومع ذلك، لا تزال تقنيات الحوسبة الكمومية بحاجة إلى تطوير كبير قبل أن تتجاوز مرحلة إثبات مفهومها، حيث تقتصر حتى الآن على حل المشكلات الصغيرة بمستويات أداء تقارب الذكاء الاصطناعي التقليدي.
ويظل الذكاء الاصطناعي الكمي أحد أكثر الاستخدامات طموحًا للحوسبة الكمومية، ولكن لتحقيق إمكانياته الكاملة، سنحتاج إلى أنظمة كبيرة تدعم تصحيح الأخطاء الكمومية، ووفقًا لتوقعات الخبراء والباحثين قد يستغرق الوصول إلى هذه المرحلة من سبع إلى عشر سنوات، مما يعني أن التطبيقات الحقيقية في المجال قد تظهر بوضوح في ثلاثينيات القرن الحادي والعشرين.
مع استمرار تطور الحوسبة الكمومية، ستتطور كذلك أساليب الذكاء الاصطناعي المرتبطة به، حيث من المحتمل أن تتغير الأساليب الحالية خلال السنوات العشر القادمة، وتتطور مجالات الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي بشكل مستقل، لذا من الضروري مراعاة هذا التغيير في الأبحاث والتطوير؛ لضمان تكامل فعال بين المجالين والاستفادة من إمكانياتهما المتزايدة بشكل متكامل.
د. محمود البحري أستاذ مساعد- كلية الحاسوب وتقنية المعلومات - جامعة صحار
رئيس الوزراء يوجه بتكثيف الجولات الميدانية للوزراء بمختلف المشروعات