حاسوب كمومي

ملف:Blochcolor-alt.png

كرة بلوخ هي أحد تمثيلات الكيوبت، الوحدة الأساسية للحوسبة الكمومية.

الحاسوب الكمي هو أي وسيلة تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم وظواهره، مثل حالة التراكب الكمي Quantum Superposition والتشابك الكمي quantum Entanglement، للقيام بمعالجة البيانات Data. في الحواسيب التقليدية، تكون كمية البيانات مقاسة بالبت : أما في الحاسوب الكمي فتقاس كمية البيانات بالكيوبت qubit (اختصارا ل Quantum bits). المبدأ الأساسي للحوسبة الكمية هي القدرة على الاستفادة من الخواص الكمية للجسيمات لتمثيل البيانات ومعالجتها، إضافة لاستخدام قواعد ميكانيكا الكم لبناء وتنفيذ التعليمات والعمليات على هذه البيانات.

مقدمة

منذ ظهور أول حاسوب(ميكانيكي) في العام 1941 حدثت العديد من الاكتشافات والاختراعات الفيزيائية التي غيرت وجة عالم الحواسيب وصنعت منها الأجهزة الحديثة والمتطورة التي نراها اليوم.أهم هذه الاختراعات والاكتشافات الفيزيائية هي: الأنابيب المفرغة، التراسيستورات والدوائر المتكاملة.

تطورت الحواسيب في إتجاهات مختلفة فهي الآن صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، جميلة المظهر، وفوق ذلك ذات إمكانيات متطورة وكفائة عالية بالمقارنة مع الحواسيب القديمة كالذي يظهر في الشكل 1.1 والتي كانت ذات احجام كبيرة (في حجم غرفة تقريباً) واستخدمت تكنولوجيا الانابيب المفرغة الإلكترونية مما اكسبها كفائة متدنية جدا بالمقارنة مع اي حاسوب شخصي في ايامنا هذه.

حاليا تجرى الابحاث على كلا الجانبين : البرمجيات والمكونات الصلبة للحواسيب. فحتى هذه اللحظة ما زال علينا حمل حواسيب محمولة تزن عدة كيلوجرمات، استخدام لوحة المفاتيح، اعادة تكرار الأوامر والإجابة على أسئلة بسيطة يطرحها الحاسوب. (الشكل 1.2 يظهر حاسوباً تقليدياً من النوع المعروف باسم الحاسبات الشخصية Personal Computers (PC)). ولكن معضلات أخرى ما زالت موجودة. مثلاً البنوك، كبرى الشركات، وحتى الحكومات دائماً في حالة قلق من اختراق بياناتها المحوسبة وكسر سريتها، مما يكلفها أمولا طائلة للتشديد من سرية المعلومات، ولكن قراصنة الحاسوب أيضا يتطورون يوما عن يوم. تحليل الأرقام الكبيرة إلى عواملها الأولية[1] يمثل تحدياً آخر لعلماء الرياضيات. فمثلاً لتحليل رقم يتكون من 230 رقماً ستتطلب هذه العملية وقتاً يقاس بملايين السنين عن طريق أحدث الحواسيب الكلاسيكية. حواسيب الكم ربما تمثل حلاً لمثل هذه المعضلات. أو بمعنى آخر نستطيع القول أن حواسيب الكم أعلى كفاءة من الحواسيب الكلاسيكية. إذن؛ ما هي حواسيب الكم؟ كيف تختلف عن الحواسيب الكلاسيكية؟ وما المتوقع منها بالضبط؟.

في العام 1994 اعلن عالم الرياضيات بيتر شور عن اكتشافه لخوارزمية بسيطة لتحليل الأرقام إلى مكوناتها الأولية [2] بواسطة آلة حاسوبية تقوم على أسس فيزياء الكم. ومنذ ذلك الوقت مانفكت الأبحاث محاولةً تحقيق هذه الآلة (حاسوب الكم).لذا لابد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الاحجام الصغيرة جدا لقوانين ميكانيكا الكم موفيةً بذلك الشرط اللازم لعمليات الحاسوب الكمي. ولهذا السبب يعتبر الحاسوب الكمي جزءاً من تكنلوجيا النانو الحديثة والتي تتعامل مع الأنظمة التي تحتوي علي مكونات نانوية الأبعاد (أجهزة ذات حجم ~ 1 نانو متر =10–9 متر). بينما وحدة المعلومات في الحواسيب الكلاسيكية هي البت، تعتبر البت الكمية هي الوحدة النظيرة من المعلومات في الكمبيوتر الكمي. بت واحدة تعادل احدي حالتين 0 او1 واللذان يمثلان النظام الثنائي الذي تتعامل معه الحواسيب الكلاسيكية. بينما البت الكمية تستطيع ان تمثل بالإضافة الي هاتان الحالتان حالة التراكب الكمي المكونة منهما معا، وبالتالي فان زوجاً من البت الكمية بستطيع أن يمثل أي تراكب كمي من الحالات الاربعة : I0,0>, I0,1>, I1,0> or I1,1> حيث نستخدم طريقة ديراك لتمثيل الحالة الكمية[3]. بالعموم فان الحاسوب الكمي المكون من n بت كمية يمكن ان يكون اي تراكب اعتباطياً من 2n حالة مختلفة متواجدين آنيا، بينما في الحواسيب العادية n عدد من البتات يعني n حالة محددة ولا توجد أي حالات متزامنة آنياً. وهذا يعكس القوة الحوسبية الكبيرة التي تقدمها الحواسيب الكمية بالمقارنة مع الحواسيب الكلاسيكية.

الحواسيب الكمية ما زالت تحت البحث وما زال الجدل قائماً حول ما إذا كان ايجاد مثل هذه الحواسيب علي أرض الواقع في المستقبل ممكناً أو لا.وعلي كل حال فإن العمل علي الحواسيب الكمية يستطيع إثراء فيزياء الكم الاساسية وفي الوقت نفسه يستطيع إثراء الأبحاث علي مستوي القياس النانوي. في وقت قريب تم بناء حاسوب كمي صغير يتكون من سبعة بتات كمية مثلت بواسطة سبعة مغازل نووية (nuclear spins) خمسة منها من نويات الفلور واثنان من نويات الكربون -13 (انظر الشكل1.3) في معامل آي بي إم وستانفورد[4]. بشكل مماثل لقضيب مغنطيسي يشير إلى الشمال أو الجنوب يستطيع كل مغزل أن يمثل الأرقام الثنائية "0" أو "1" أو كلاهما معاً (أنظر إلى الأسهم السوداء في الشكل 1.3). ويمكن التحكم في ذلك عن طريق مجالات مغنطيسية وموجات الراديو(تقنية الرنين المغنطيسي النووي). بواسطة حاسوب السبع بتات الكمية هذا أمكن الاستفادة من ميزة الحوسبة الكمية الفريدة -ألا وهي قابلية التراكب- لقياس الأعداد الأولية المكونة للرقم 15 ألا وهي 3و 5. ولكن تحليل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية يتطلب حاسوباً ذو عدد أكبر من البتات الكمية، ويبقى هذا تحدياً لبناء حاسوب كمي حقيقى كبير.

مراجع

[1] Andrew Steane, Quantum Computing, arXiv:quant-ph/9708022v2, 24 Sep 1997, page 18. [2] Peter W. Shor, Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring, 0272-5428/94 $04.00 0 1994 IEEE, page 124 – 134

[3] Dirac P A M, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford, Clarendon Press, (1947).

[4] Lieven M.K. Vandersypen et al, Experimental realization of Shor’s quantum factoring algorithm using nuclear magnetic resonance, arXiv:quant-ph/0112176v1 30 Dec 2001.

ملف:Nuvola apps edu mathematics-ar.svg

بوابة رياضيات تصفح مقالات ويكيبيديا المهتمة بالرياضيات.

als:Quantencomputer bn:কোয়ান্টাম গণনা ca:Computació quàntica cs:Kvantový počítač da:Kvantecomputer de:Quantencomputer el:Κβαντικός υπολογιστής Quantum computer]] es:Computación cuántica et:Kvantarvuti fa:رایانه کوانتومی fi:Kvanttitietokone fr:Calculateur quantique he:מחשב קוונטי hi:क्वाण्टम कम्प्यूटर hr:Kvantno računalo hu:Kvantumszámítógép id:Komputer kuantum it:Computer quantistico ja:量子コンピュータ ka:კვანტური კომპიუტერი ko:양자 컴퓨터 lt:Kvantinis kompiuteris lv:Kvantu dators nl:Kwantumcomputer no:Kvantedatamaskin pl:Komputer kwantowy pt:Computador quântico ro:Calculator cuantic ru:Квантовый компьютер simple:Quantum computer sk:Kvantový počítač sl:Kvantni računalnik sq:Kompjuteri kuantik sr:Квантни рачунар sv:Kvantdator tr:Kuantum bilgisayarı uk:Квантовий комп'ютер vi:Máy tính lượng tử zh:量子计算机