حوسبة الكم: تحقيق الفعالية والتحول الكمومي في عالم التكنولوجيا

ساهمت الثورة المعلوماتية في توسيع نطاق البيانات المتاحة وتنويعها بشكل كبير، مما خلق تحدياً جديداً أمام الحواسيب التقليدية في التعامل مع حجم البيانات الهائل. ولتلبية هذه الحاجة الملحة، نشأت حاجة ماسة إلى ابتكار نوع جديد من أجهزة الحوسبة تعرف باسم حوسبة الكم، والتي تمتاز بقدرتها على معالجة البيانات المعقدة بكفاءة فائقة وبطريقة أسرع وأكثر دقة.

ما المقصود بالحوسبة الكمي؟

حوسبة الكم هي نوع جديد من التكنولوجيا الحاسوبية تستند إلى مفاهيم الفيزياء الكمومية. تتيح حوسبة الكم استخدام الكمية وحالات الجسيمات الصغيرة مثل الإلكترونات والفوتونات للقيام بعمليات الحسابات.

تتميز حوسبة الكم بالقدرة على معالجة البيانات بسرعة هائلة وتحليل الأنماط المعقدة بكفاءة عالية لا يمكن للحواسيب التقليدية تحقيقها.

تمثل حوسبة الكم تقدمًا هائلاً في مجال التكنولوجيا وتطبيقاتها متنوعة، بما في ذلك التشفير والذكاء الاصطناعي والمحاكاة الكمومية وغيرها.

يتوقع أن تحدث حوسبة الكم تغييرًا جذريًا في العديد من الصناعات والقطاعات، من خلال تحقيق تقدم هائل في الأداء والفعالية في حل المشكلات المعقدة.

ويمكن القول ايضا أن حوسبة الكم هي تقنية حاسوبية مبنية على نظريات الفيزياء الكمية، حيث تستخدم لتمثيل ومعالجة البيانات.

تعتمد أجهزة الحوسبة التقليدية على النظام الثنائي الذي يمثل البيانات باستخدام البت (Bit) الممثل بالرمز "0" أو "1". أما الحوسبة الكمية، فتعتمد على الكيوبت (Qubit) وتتميز بقدرتها على اتخاذ قيمة "0" أو "1" أو كلاهما في الوقت نفسه بواسطة خاصية الترابط الكمي (Entanglement Quantum) والتراكب الكمي (Superposition Quantum).

تتميز أجهزة الحوسبة الكمية أيضًا بخاصية التشابك الكمي التي تسمح بترابط عدة عناصر كمية (كيوبتات)، مما يمكّن تنفيذ عمليات حسابية أكثر تعقيدًا وفعالية.

ماهو تاريخ حوسبة الكم؟

تعود أصول حوسبة الكموم إلى النظريات الرياضية والفيزيائية التي طُوِّرت في النصف الثاني من القرن العشرين. في عام 1980، قدم العالم الفيزيائي الأمريكي بول بينيو أفكارًا حول ما يمكن أن تبدو عليه الحوسبة بناءً على قوانين الفيزياء الكمومية. منذ ذلك الحين، شهدت الحوسبة الكمومية تقدمًا ملحوظًا، وأدت الأبحاث والتجارب إلى تطوير أجهزة حوسبة كمية تجريبية وتطبيقية.

البداية:

في عام 1969 م، اقترح العالم في مجال الفيزياء ستيفن ويزنر استخدام فيزياء الكم في معالجة المعلومات بهدف تحسين مهام التشفير. وفي بدايات الثمانينيات من القرن الحالي، قدم كل من ريتشارد فاينمان وبول بنيوف ويوري مانين نماذج أولية لحوسبة الكم، التي تمكنت من تنفيذ العمليات التي تعجز الحواسب التقليدية عن تنفيذها. لم يتم تسليط الضوء على حوسبة الكم إلا في عام 1994، عندما قدم بيتر شور خوارزمية قادرة على فك تشفير الأرقام الكبيرة بكفاءة عالية.

في العام 2007، كشفت شركة دي ويف الكندية عن حاسب كمي يتألف من 28 كيوبتا. ومنذ ذلك الحين وحتى اليوم، بدأت عدة شركات عملاقة مثل آيون كيو ورجيتي وآي بي أم وجوجل وعلي بابا ومايكروسوفت وإنتل في التنافس لبناء أول حاسب كم بإمكانيات قوية. في عام 2019، أعلنت كل من جوجل وناسا عن توصلهما إلى ما يعرف بالسيادة الكمية أو التفوق في مجال الكم، حيث أجرت جوجل تجربة لمقارنة قدرات حاسب الكم في حل مسألة معقدة يتطلب حلها 10 آلاف عام باستخدام أسرع حاسوب موجود بالعالم، واستغرق حلها على حاسب الكم الجديد 200 ثانية فقط.

في عام 2020، تمكن فريق صيني من استخدام تقنية مشابهة لحل معادلة في 200 ثانية فقط باستخدام حاسب الكم، في حين كان من الممكن أن تستغرق 2.5 بليون سنة لو استخدمت تقنيات الحاسب التقليدية. كما استخدم فريق صيني آخر حوسبة الكم لإجراء عمليات حسابية لم يكن من الممكن إجراؤها على الحواسب التقليدية، وأكد الفريق أن العملية الحسابية التي أجروها لها تطبيقات عملية محتملة في كيمياء الكم وتعلم الآلة.

تجاوزت الاستثمارات المعلنة في عام 2021 للشركات الناشئة في مجال حوسبة الكم 1.7 مليار دولار أمريكي (أي ما يقارب 6.3 مليار ريال سعودي)، وما زالت الدول الكبرى تنفق مئات الملايين من الدولارات على مشاريع البحث والتطوير المتعلقة بحوسبة الكم.

ماهي ابرز استخدامات حوسبة الكم؟

حتى الآن، تُعتبر حوسبة الكم تقنية حديثة عالية الكفاءة، ورغم عدم وجود تطبيقات عملية لها حتى الآن وحتى في المستقبل القريب، إلا أن هناك حالات استخدام مستقبلية واعدة في مجالات متعددة تشمل التشفير والتحسين والمحاكاة.

التشفير: يُمكن استخدام حوسبة الكم في عمليات التشفير، حيث تعتمد العديد من خوارزميات التشفير على عمليات حسابية معقدة لتفكيك الأرقام الكبيرة إلى عوامل أولية، وبالرغم من أن هذه العمليات تحتاج للكثير من الوقت باستخدام الحواسيب التقليدية، يمكن لحوسبة الكم إتمامها في وقت قصير جدًا، مما يساهم في زيادة الحفاظ على سرية البيانات ورفع مستوى أمان الاتصالات.

التحسين: تتطلب عمليات التحسين إيجاد أفضل النماذج، وتمثل تحديًا كبيرًا في اختيار النموذج الأمثل الذي يقدم أفضل النتائج بأقل نسبة خطأ. يمكن استخدام تقنية حوسبة الكم لإيجاد أفضل الحلول في وقت قصير جدًا مقارنة بأجهزة الحاسب التقليدية في مجالات متنوعة تشمل العمليات اللوجستية والتصميم والأسواق المالية والصناعة.

المحاكاة: يمكن استخدام حوسبة الكم لإجراء تجارب تصعب تطبيقها على أرض الواقع وتحتاج إلى الكثير من الوقت بالإضافة إلى قدرات حاسوبية عالية. وتشمل هذه المجالات الكيميائية والمالية وأبحاث المناخ.

البحث والتطوير: يمكن استخدام حوسبة الكم لتسريع البحث والتطوير وتقليل التكاليف المالية في مجالات متعددة كالأدوية والمواد الكيميائية والمركبات. فعلى سبيل المثال، تتطلب الأدوية الجديدة متوسط 2 مليار دولار أمريكي (7.5 مليار ريال سعودي) وأكثر من 10 سنوات للوصول إلى السوق بعد اكتشافها.

أبرز مخاطر حوسبة الكم:

على الرغم من الفوائد الجمة التي قد تجلبها حوسبة الكم عند تبنيها بصورة واسعة، إلا أن هذا التبني قد يرافقه بعض المخاطر من الناحية الأمنية وإساءة الاستخدام. تشكل قدرة حوسبة الكم الهائلة في معالجة البيانات خطراً على التقنيات الحديثة المتعلقة بالبيانات والذكاء الاصطناعي وخوارزميات التشفير الحالية، إذ يمكن فك الملفات المشفرة بسهولة وفي وقت قصير جدًا، مما يهدد أمن شبكات الاتصالات وتقنية المعلومات.

وفقًا لتقدير خبراء التشفير، تتطلب أقوى خوارزميات التشفير الحالية مئات السنين لفك شفرتها باستخدام أفضل أجهزة الحاسب التقليدية، في حين يمكن فكها خلال ثوانٍ فقط باستخدام حاسب الكم. لذا، ينظم المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتقنية (NIST) مسابقة لاختيار خوارزمية تشفير واحدة أو عدة خوارزميات تسمى "تشفير ما بعد الكم" بهدف تحديث معاييرها، ومن المقرر الإعلان عن الفائزين في عام 2022.

من جهة أخرى، قد تسخر قدرات حوسبة الكم لتطبيقات سيئة كاستخدامها في علم الكيمياء لتطوير مواد خطيرة ضارة بالبشر، كما يمكن دمج حوسبة الكم والذكاء الاصطناعي للقيام بالهجمات السيبيرانية سريعة وذات مدى واسع.

مستقبل حوسبة الكم:

مستقبل حوسبة الكم يبدو واعدًا ومثيرًا. مع التطور المستمر في هذا المجال، من المتوقع أن تشهد حوسبة الكم تطبيقات متنوعة ومتزايدة في مختلف الصناعات والمجالات.

تخطط شركة جوجل للإنفاق عدة مليارات دولار لبناء حاسب كم بحلول عام 2029م، والذي يمكنه إجراء عمليات تجارية وحسابات علمية على نطاق واسع.

تشير شركة ماكينزي إلى أن الاستثمار في استخدام حوسبة الكم لمعالجة مشاكل محددة سيكون مجديًا في عام 2030م، وأن حل المسائل المعقدة التي تتطلب عمل عدة كيوبتات معًا لن يكون ممكنًا إلا بعد عام 2035م.

وتتوقع شركة آي دي سي أن 25٪ من الشركات في قائمة فورتشن 500 لأكبر الشركات الأميركية ستستخدم حوسبة الكم في السنوات الثلاث المقبلة.

ومن المتوقع أن تشكل حوسبة الكم صناعة تبلغ قيمتها 1 تريليون دولار أمريكي في العقود المقبلة.