Quantum Computing in the NISQ era and beyond
مصطفى رائد زعاریر - تخصص علم الحاسوب - كلیة ھندسة الحاسوب و تكولوجیا المعلومات جامعة بولیتكنك فلسطین.
دراسة 2018 )john Preskill ( بعنوان :الحوسبة الكمیة في عصر)Noisy Intermediate-Scale Quantum NISQ((( وما بعده.
تھدف ھذه الدراسة الى التنبؤ بنتائج تجربة تقنیة NISQ لمعرفة ما یمكنھا فعلھ و المھام التي نستطیع القیام بھا بمساعدة ھذه التقنیة حیث بدأ بالاشارة و لیس الجزم ان الكمبیوترات الكمیة قادرة على أداء المھام التي لا تسطتیع الكمبیوترات الحالیة او ما یسمیھا جون بالكلاسیكیة و اوضح الباحث )الفیزیائي( انھ قضى ٢٠ عام في دراسة علم المعلومات الكمومیة بسبب ادراكھ أننا الآن في المراحل الأولى من استكشاف حدود جدیدة للعلوم الفیزیائیة ، ما یمكن أن نسمیھ حدود التعقید أو حدود التشابك والتي یعرفھ على انھ الإشارة إلى العلاقات الممیزة بین أجزاء النظام الكمي ، والتي تختلف تما ًما عن الارتباطات التي نواجھھا في الحیاة الیومیة و الذي یعتمد على مبدأین ھما )1( التعقید الكمي )2( تصحیح الخطأ الكمومي وما جعل جون بالاعتقاد ان اجھزة الكمبیوتر الكمیة لدیھا قدرات تفوق قدرات الاجھزة الكلاسیكیة و الاعتقاد بقوة الحوسبة الكمیة ھي ثلاث اسباب :)١(الخوارزمیات الكمیة للمسائل المستعصیة كلاسیكي ز)٢(حجج نظریة التعقید حیث اشار الى ان الحالات الكمیة التي یسھل تحضیرھا باستخدام الكمبیوتر الكمومي لھا خصائص فائقة الكلاسیكیة.)٣(عدم وجود خوارزمیة كلاسیكیة معروفة یمكنھا محاكاة جھاز كمبیوتر كمي حیث أننا لا نعرف كیفیة محاكاة جھاز كمبیوتر كمومي باستخدام جھاز كمبیوتر رقمي و الذي یساعد العلماء و خاصة علماء الفیزیاء لإیجاد طرق أفضل لمحاكاة الأنظمة الكمومیة.
اوضح جون في ھذه الدراسة وجود اختلاف بین علماء الفیزیاء بوب لافلین ودیفید باینز مع العالم الفیزیائي ریتشارد فاینمان حول قضیة وجود مشاكل صعبة من الناحیة التقلیدیة ولكنھا سھلة الكم و اوضح أن قوة الكمبیوتر الكمومي لیست غیر محدودة.وقال یمكن لأجھزة الكمبیوتر الكمومیة تسریع البحث الشامل .
اشار الكاتب الى السبب وراء ان الحوسبة الكمیة شدیدة التعقید و فال ان جوھر المشكلة ھو من السمة الأساسیة للعالم الكمي - وھي أننا لا نستطیع مراقبة نظام كمي دون إحداث اضطراب لا یمكن السیطرة علیھ في النظام. ھذا یعني أنھ إذا أردنا استخدام نظام كمي لتخزین المعلومات ومعالجتھا بشكل موثوق ، فنحن بحاجة إلى إبقاء ھذا النظام معزو ًلا تما ًما تقری ًبا عن العالم الخارجي. ومع ذلك ،فيالوقتنفسھ،نریدأنتتفاعلالكیوبتاتبقوةمعبعضھاالبعضحتىنتمكنمنمعالجةالمعلومات؛نحتاجأی ًضاإلىأننكون قادرین على التحكم في النظام من الخارج ، وقراءة الكیوبتات في النھایة حتى نتمكن من العثور على نتیجة حساباتنا. من الصعب للغایة بناء نظام كمي یلبي كل ھذه الرغبات.
و اوضح انھ یتوقع ان نكون قادرین على حمایة الأنظمة الكمومیة وتوسیع نطاق أجھزة الكمبیوتر الكمومیة باستخدام مبدأ تصحیح الخطأ الكمومي . حیث ان الفكرة الأساسیة لتصحیح الخطأ الكمومي ھي أننا إذا أردنا حمایة نظام كمي من التلف ، فعلینا ترمیزه في حالة شدیدة التشابك, حالة المتشابكة لھا خاصیة أن البیئة ، التي تتفاعل مع أجزاء من النظام واحدة تلو الأخرى ، غیر قادرة على إلقاء نظرة خاطفة على المعلومات المشفرة وبالتالي لا یمكنھا إتلافھا. علاوة على ذلك ، لقد فھمنا من حیث المبدأ كیفیة معالجة المعلومات الكمیة المشفرة في حالة شدیدة التشابك. لسوء الحظ ، ھناك تكلفة عامة كبیرة لإجراء تصحیح الخطأ الكمي - تتطلب كتابة المعلومات الكمیة المحمیة في كتاب متشابك للغایة العدید من الكیوبتات المادیة الإضافیة - لذلك من غیر المحتمل أن تكون أجھزة الكمبیوتر الكمومیة الموثوقةالتيتستخدمتصحیحالخطأ الكموميمتاحةقریًباجًدا. وبدا جون بالحدیث عن عصر الNISQ و ما بعده حیث تحدث عن حاجز ال٥٠ كیوبت و عن مصطلح "المقیاس المتوسط" الذي یشیر ھنا إلى حجم أجھزة الكمبیوتر الكمومیة التي ستكون متاحة في السنوات القلیلة المقبلة ، مع عدد من البتات التي تتراوح من 50 إلى بضع مئات. .2 تؤكد كلمة "صاخبة" على أنھ سیكون لدینا سیطرة غیر كاملة على تلك الكیوبتات ؛ ستضع الضوضاء قیو ًدا خطیرة على ما یمكن أن تحققھ الأجھزة الكمومیة في المدى القریب.
ولكنعددالبتاتلیسھوالشيءالوحیدالذيیجباننھتمبھ.نحنیجباننھتمأی ًضابجودةالكیوبتاتوالتيتعنيتنفیذالبوابات الكمیة عملیات التشابك التي یتم التحكم فیھا جی ًدا والتي تعمل على أزواج من الكیوبتات. ھناك العدید من الطرق لتحقیق الكیوبت ماد ًیا بعدة طرق مختلفة. یمكن حملھا بواسطة ذرة واحدة ، أو إلكترون واحد ، أو فوتون واحد )جسیم من الضوء( , أو یمكن حمل كیوبت بواسطة نظام أكثر تعقی ًدا ، مثل دائرة كھربائیة فائقة التوصیل شدیدة البرودة حیث تتحرك العدید من الإلكترونات.عندما نتحدث عن التعقید الكمي ، فإن ما یتبادر إلى الذھن ھو التعقید المذھل لاستخدام البیانات الكلاسیكیة العادیة لوصف حالات كمومیة شدیدة التشابك للعدید من الكیوبتات. قد یتطلب إعطاء وصف كامل لجمیع الارتباطات بین بضع مئات من الكیوبتات عد ًدا من البتات أكثر من عدد الذرات في الكون المرئي.
مع أفضل الأجھزة المتوفرة لدینا الآن للتحكم في الأیونات المحاصرة أو الدوائر فائقة التوصیل ، یكون معدل الخطأ لكل بوابة لبوابتین كیوبت أعلى من مستوى 0.1٪ )وغال ًبا ما یكون أسوأ بكثیر(.
نوه الكاتب الى بعض الاشیاء المھمة ولاكن لن یتطرق لھا رغم اھمیتھا وساذكر اھمھا وھو التشفیر المقاوم للكم نتوقع تأثیرات مدمرة لأجھزة الكمبیوتر الكمومیة على كیفیة حمایتنا لخصوصیتنا - ستصبح أنظمة تشفیر المفتاح العام المستخدمة على نطاق واسع الیوم عفا علیھا الزمن في السنوات المقبلة لأنھ یمكن كسرھا بسھولة بواسطة أجھزة كمبیوتر كمومیة قویة بما فیھ الكفایة. یجب أن نفكر الآن في كیفیة حمایة خصوصیتنا في المستقبل. تتمثل إحدى الطرق الممكنة في استبدال أنظمة التشفیر الحالیة بأنظمة جدیدة والتي نثق بمقاومتھا لھجمات أجھزة الكمبیوتر الكمومیة .
ولكن الھدف الرئیسي من ھذه الدراسة ھو تسریع الكم حیث ان أجھزة الكمبیوتر الكمومیة ستستخدم على نطاق واسع في التطبیقات ، لا سیما على المدى القریب نسب ًیا. السؤال الرئیسي ھو: متى ستتمكن أجھزة الكمبیوتر الكمومیة من حل المشكلات التي نھتم بھا بشكل أسرع من أجھزة الكمبیوتر التقلیدیة .
ومن العوامل التي تعمل على تسریع الكم ھي :
١- محسنات الكم. ٢- كیف یمكن أن تساعد الاختبارات الكمومیة. ٣- التلدین الكمي. ٤- دارات كمومیة مقاومة للضوضاء. ٥-التعلم العمیق الكم. ٦- انعكاس المصفوفة الكمومیة. ٧- أنظمة التوصیة الكمیة. ٨- البرمجة الكمومیة شبھ المحددة. ٩- محاكاة الكم. ١٠- الرقمیة مقابل محاكاة الكم التناظریة. ١١- ألعاب الكم.
