الحوسبة الكمومية تُغير مسار العلم: قراءة متعمقة لأحدث إنجازات IBM

في الوقت الذي يتطلع فيه المجتمع العلمي بشغف إلى أجهزة حوسبة كمومية أكبر وأقوى، يحاول كل من شركة IBM إلى جانب عدد من الباحثين إثبات أن هذه الأنظمة يمكن استخدامها فعليًا في الوقت الحالي. وقد نجحوا.

تُظهر ورقة بحثية مرفوعة على منصة arXiv يوم الأربعاء، أنها (البروتوكول المعروض كمسودة بحثية) أُجريَت بالتعاون بين IBM ومختبرَين وطنيَّين و3 جامعات، حيث نجح العلماء في استخدام الحوسبة الكمومية لمحاكاة عملية لا يمكن للعين المجردة رصدها، لكنها تحمل قيمة تطبيقية في مجال علوم المواد.

استخدم الباحثون تقنية حيود/تشتت النيوترونات (أي تمرير حزمة نيوترونات عبر العينة) لقياس خصائص البلورات المغناطيسية، ثم أجروا مقارنة مباشرة بين نتائج القياس والمحاكاة التي تعمل على حاسوب IBM الكمومي. وفي النهاية، نجح المعالج الكمي في إظهار أنماط السلوك التي يفترض أن يَظهرها هذا البلور.

إذا بدا هذا الوصف شديد التعقيد بعض الشيء، فإليك تفسير الباحثين أنفسهم: قال الفيزيائي آلن شاي من مختبر لوس ألاموس الوطني إن هذا الإنجاز “يرفع عتبة التوقعات بشأن قدرات الحوسبة الكمومية”.

(اليسار: نتائج تجربة تشتت النيوترونات؛ اليمين: نتائج محاكاة IBM للحاسوب الكمومي) صورة من: IBM

تُعد أنظمة المواد على المستوى الكمومي شديدة التعقيد، وغالبًا ما يجد الحاسوب التقليدي صعوبة في نمذجتها. لكن الحاسوب الكمومي نجح في إنجاز هذه المهمة، ما يشير إلى أن مثل هذه الأنظمة أصبحت قوية بما يكفي لدعم تطوير مواد جديدة.

ويدعم ذلك أيضًا، من جانبٍ غير مباشر، التوقعات بشأن آفاق تطبيق التقنيات الكمومية في علوم المواد—إذ إن علوم المواد تُعد دعامة أساسية تقريبًا لمعظم الاختراعات الحديثة، ولا غنى عنها بدءًا من الأجهزة الطبية، مرورًا بالأنصاف النواقل، وصولًا إلى البطاريات.

تتضح تدريجيًا سيناريوهات تطبيق الحوسبة الكمومية. ففي بداية هذا الشهر، أصدرت IBM مخططًا لمركز بيانات يخطط لدمج الحوسبة الكمومية مع وحدات GPU وCPU الحالية. وبالإضافة إلى علوم المواد، من المتوقع أن يُحدث هذا التوجه تأثيرًا عميقًا على قطاعي التمويل والأدوية. ويعتقد بعض المتفائلين داخل الصناعة أنه يمكنه أيضًا خفض استهلاك الطاقة للمهام عالية القدرة الحسابية بشكل كبير.

في الوقت الراهن، خفّض خبراء القطاع ومستثمرو مجال الكم جميعًا توقعاتهم. وقبل أن تتحقق الحوسبة الكمومية بصورتها الواسعة القابلة للتسويق، يصعب اعتبارها “قابلة للاستخدام” فعليًا. ولتحقيق ذلك، يجب أن يتم الوصول إلى توسيع نطاقها على نطاق واسع.

ورغم ذلك، فإن هذه القدرة التي عرضتها IBM في أحدث تجربة كانت—بحسب التقديرات—ستتحقق فقط عند ظهور حواسيب كمومية كبيرة الحجم وقادرة على تحمل الأخطاء، أي تلك الآلات التي يمكنها الاستمرار في العمل بشكل طبيعي حتى إذا حدثت أعطال في مكونات محددة أو تعرضت لتشويش/تداخل.

كما أن الحاسوب التقليدي يَشفر المعلومات الأساسية باستخدام وحدات البِت (bit)، تعتمد الحوسبة الكمومية على وحدات البِت الكمومية. لكن بينهما فرق جوهري: تُنشأ وحدة البِت الكمومية (qubit) عادةً عن طريق التحكم في الجسيمات وقياسها، مثل الفوتونات أو الإلكترونات أو الأيونات المأسورة.

وعلاوة على ذلك، تختلف وحدات البِت الكمومية عن البِتات التقليدية بأن حساسية وحدات البِت الكمومية لتغيرات البيئة تكون أعلى بكثير—فأي عوامل، بدءًا من الحرارة وحتى التشويش الكهرومغناطيسي، قد تعرقل حالة الكم الهشة، ما يؤدي إلى حدوث أعطال في الحاسوب.

يتمثل هدف IBM في تسليم أول حاسوبها الكمي الفائق المتسامح مع الأعطال في عام 2029، تحت الاسم الرمزي “Starling”، ويتوقع أن تكون قدراته المعالجة أكبر بمقدار 20000 مرة من قدرات الحواسيب الكمومية الحالية.

قد يحدث—وبالضرورة سيحدث—الكثير من التغير خلال السنوات الثلاث المقبلة. إن التجربة الأحدث لدى IBM ليست سوى بداية.