تعالج الحوسبة الكمومية البيانات باستخدام مبادئ ميكانيكا الكم. نتيجة لذلك ، تتطلب الحوسبة الكمومية نهجًا مختلفًا عن الحوسبة التقليدية. المعالج المستخدم في أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو أحد الأمثلة على هذا التمييز.
بينما تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية معالجات قائمة على السيليكون ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية أنظمة كمومية مثل الذرات أو الأيونات أو الفوتونات أو الإلكترونات. يستخدمون ميزات كمومية لتمثيل البتات التي يمكن إنشاؤها في تراكبات كمومية مختلفة من 1 و 0.
إذن ، ماذا يعني مصطلح "الكم" بالضبط في هذا السياق؟ هل هي قفزة كبيرة؟
مصطلح الكم مشتق من الكلمة اللاتينية الكم ، والتي تعني "الكمية". إنها "كمية منفصلة من الطاقة تتناسب من حيث الحجم مع تردد الإشعاع الذي تمثله" في الفيزياء. يشير المنفصل إلى شيء ليس مستمرًا ولا متميزًا. يشير الكم إلى كميات فريدة أو مهمة بهذا المعنى.
ما هي الحوسبة الكمومية؟
الاحصاء الكمية يستخدم الطرق الجبرية لبناء خوارزميات للحسابات ، والتي غالبًا ما تكون مماثلة أو مشابهة لتلك المستخدمة في فيزياء الكم. تشير ميكانيكا الكم بدورها إلى نظرية فيزيائية أساسية تتعمق في تفسير الصفات الفيزيائية للطبيعة بحجم الذرات والجسيمات دون الذرية.
A الكمبيوتر الكم وبالتالي فهو جهاز كمبيوتر افتراضي قادر على تنفيذ مثل هذه الخوارزميات. نتيجة لذلك ، تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل أساسي على وحدات البت الكمومية ، والمعروفة أيضًا باسم الكيوبتات ، والتي يمكن إنشاؤها من إلكترون واحد.
تتصرف المادة الكمومية وفقًا لقواعد ميكانيكا الكم ، مستفيدة من مفاهيم مثل الحساب الاحتمالي والتراكب و تشابك. تعمل هذه الأفكار كأساس للخوارزميات الكمومية ، التي تستخدم قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة المشكلات المعقدة.
في هذه المقالة ، سأناقش كل ما تحتاج لمعرفته حول التشابك الكمومي.
ما هو التشابك الكمومي؟
يحدث التشابك الكمي عندما يرتبط نظامان ارتباطًا وثيقًا لدرجة أن معرفة أحدهما يمنحك معرفة فورية بالآخر ، بغض النظر عن المسافة بينهما.
لقد حير العلماء مثل أينشتاين من هذه الظاهرة ، التي أطلق عليها اسم "عمل مخيف عن بعد" لأنها كسرت القاعدة التي تنص على أنه لا يمكن إرسال أي معلومات أسرع من سرعة الضوء. التجارب الإضافية باستخدام الفوتونات والإلكترونات ، أثبتت التشابك.
التشابك هو حجر الزاوية في الحوسبة الكمومية. يشير التشابك الكمي في الفيزياء إلى ارتباط قوي للغاية بين الجسيمات الكمومية. هذا الارتباط قوي جدًا لدرجة أنه يمكن ربط اثنين أو أكثر من الجسيمات الكمومية بشكل لا يرحم أثناء فصلها بمسافات هائلة.
لفهم هذا الأمر بشكل أكبر ، ضع في اعتبارك مقارنة بسيطة لا تتعلق بالفيزياء أو الحوسبة. ضع في اعتبارك ما سيحدث إذا لم يتم إلقاء عملات واحدة ، ولكن تم رمي عملتين. عادة ، ما إذا كانت عملة ما على الوجه أو الذيل ليس له تأثير يذكر على نتيجة القرعة الثانية للعملة.
ومع ذلك ، في حالة التشابك ، فإن كلا الجزأين متصلان أو متشابكان ، بغض النظر عما إذا كانا منفصلين جسديًا. في هذه الحالة ، إذا سقطت عملة واحدة على الوجه ، فإن العملة الثانية ستظهر أيضًا رؤوسًا ، والعكس صحيح.
فهم التشابك الكمي (مع مثال)
التشابك الكمي هو في الواقع حالة يكون فيها نظامان (عادةً إلكترونات أو فوتونات) مرتبطين ارتباطًا وثيقًا لدرجة أن الحصول على معلومات حول "حالة" نظام واحد (اتجاه دوران الإلكترون ، لنقل "لأعلى") من شأنه أن يؤدي إلى معرفة فورية بالنظام الآخر. "الحالة" (اتجاه دوران الإلكترون الثاني ، قل "أسفل") بغض النظر عن مدى تباعد هذه الأنظمة.
العبارات "فورية" و "بغض النظر عن المسافة بينهما" مهمة. لقد حيرت هذه الظاهرة العلماء مثل أينشتاين ، لأن الحالة لا يتم تعريفها حتى يتم قياسها ، ونقل المعلومات يتحدى قاعدة الفيزياء الكلاسيكية التي تنص على أنه لا يمكن نقل المعلومات أسرع من سرعة الضوء.
ومع ذلك ، فقد ثبت أن التشابك يستخدم كلاً من الفوتونات والإلكترونات منذ الثمانينيات ، وذلك بفضل البحث والاختبار الذي بدأ في الثمانينيات.
يمكن إنتاج جسيمين دون ذريين (إلكترونات) بحيث يمكن وصفهما بواسطة دالة موجة واحدة. يمكن تحقيق التشابك بطريقة واحدة عن طريق السماح لجسيم أصلي مع صفر يدور بالتحلل إلى جسيمين ابنتين متشابكين مع دوران متساوي ولكن متعاكس.
إذا لم يتفاعل جسيمان ابنتان مع أي شيء ، فإن وظائفهما الموجية ستبقى متساوية ومتعارضة بغض النظر عن المسافة التي يتم قياسها بها. قرر العلماء من خلال الاختبار أن وقت التشابك لم يكن له أي تأثير على المعلومات.
بدلاً من ذلك ، يتم إرسال المعلومات إلى الجسيم الآخر بمعدل أسرع من سرعة الضوء فقط عند قياس معلومات أحد الجسيمات.
نتيجة لذلك ، تتدفق المعلومات بهذه الوتيرة. لكن ليس لدينا سيطرة عليه - هذا الافتقار إلى التحكم يقيد استخدامات التشابك الكمومي ، مثل إرسال رسالة أو معلومات أخرى أسرع من سرعة الضوء.
ما هو الدور الذي يلعبه التشابك في الحوسبة الكمومية؟
يؤدي تغيير حالة الكيوبت المتشابك إلى تغيير حالة الكيوبت المقترن في أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الفور. نتيجة لذلك ، يعمل التشابك على تسريع سرعة معالجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
نظرًا لأن معالجة كيوبت واحد يكشف عن معلومات حول العديد من الكيوبتات ، فإن مضاعفة عدد الكيوبتات لا يؤدي بالضرورة إلى زيادة عدد العمليات (أي ، الكيوبتات المتشابكة).
التشابك الكمي ، وفقًا للدراسات ، مطلوب لخوارزمية كمومية لتقديم تسريع أسي على الحسابات الكلاسيكية.
تطبيقات التشابك في الحوسبة الكمومية
يمكن أن تستفيد العديد من التطبيقات من هذه الخاصية المادية الفريدة من نوعها ، والتي ستغير حاضرنا ومستقبلنا. قد يتم تمكين التشفير الكمي ، والتشفير فائق الكثافة ، وربما النقل الأسرع من الضوء ، وحتى النقل الآني عن طريق التشابك.
تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية القدرة على مواجهة تحديات الوقت ومعالجة تحديات الطاقة المكثفة في مجموعة متنوعة من الصناعات ، بما في ذلك التمويل والمصارف.
يعتبر التشابك الكمي ظاهرة قد تساعد مثل هذه الحواسيب عن طريق تقليل مقدار الوقت وقوة المعالجة المطلوبة للتعامل مع تدفق البيانات بين وحدات البت الخاصة بهم.
1. التشفير الكمي
في التشفير الكلاسيكي ، يقوم المرسل بتشفير الرسالة بمفتاح واحد ، بينما يقوم المستلم بفك تشفيرها بالمفتاح المشترك. ومع ذلك ، هناك خطر يتمثل في حصول طرف ثالث على معلومات حول المفاتيح ويكون قادرًا على اعتراض وتقويض التشفير.
إن إنشاء قناة آمنة بين الطرفين هو حجر الزاوية في التشفير غير القابل للكسر. يمكن أن يسبب هذا التشابك. نظرًا لأن النظامين متشابكان ، فإنهما مرتبطان ببعضهما البعض (عندما يتغير أحدهما ، كذلك يفعل الآخر) ، ولن يشارك أي طرف ثالث هذا الارتباط.
يستفيد التشفير الكمي أيضًا من عدم الاستنساخ ، مما يعني أنه من المستحيل إنشاء نسخة متماثلة متطابقة لحالة كمية غير معروفة. نتيجة لذلك ، من المستحيل تكرار البيانات المشفرة في حالة كمومية.
من خلال توزيع المفاتيح الكمومية الذي لا يمكن اختراقه ، تم بالفعل تحقيق التشفير الكمي (QKD). يستخدم QKD فوتونات مستقطبة عشوائيًا لتوصيل المعلومات حول المفتاح. يقوم المستلم بفك تشفير المفتاح باستخدام مرشحات الاستقطاب والتقنية المستخدمة لتشفير الرسالة.
لا تزال البيانات السرية تُنقل من خلال خطوط الاتصال القياسية ، ولكن فقط المفتاح الكمي الدقيق يمكنه فك تشفير الرسالة. لأن "قراءة" الفوتونات المستقطبة تغير حالتها ، فإن أي تنصت ينبه أجهزة الاتصال بالتطفل.
تقنية QKD مقيدة حاليًا بكابلات الألياف الضوئية ، والتي يمكنها توصيل فوتون لحوالي 100 كيلومتر قبل أن يصبح باهتًا جدًا بحيث لا يمكن استقباله. في عام 2004 ، حدث أول تحويل بنكي متشابك QKD في النمسا.
التأكد من أن نقل الاتصالات غير القابلة للكسر والعبث والتي تكون آمنة بشكل مثبت استنادًا إلى المبادئ المادية لها تطبيقات واضحة في القطاعات المالية والمصرفية والعسكرية والطبية وغيرها. العديد من الشركات تستخدم الآن QKD المتشابك.
2. النقل الآني الكم
النقل الآني الكمي هو أيضًا طريقة لنقل المعلومات الكمومية بين طرفين ، مثل الفوتونات والذرات والإلكترونات والدوائر فائقة التوصيل. وفقًا للبحث ، يسمح النقل الآني لمراكز QCs بالعمل بالتوازي مع استخدام قدر أقل من الكهرباء لخفض استخدام الطاقة بنسبة 100 إلى 1000 مرة.
الفرق بين النقل الآني الكمي والتشفير الكمومي هو كما يلي:
- تبادل النقل الآني الكمي عبر قناة كلاسيكية ، يتم إرسال المعلومات "الكمية".
- تبادلات التشفير الكمي عبر قناة كمومية ، يتم إرسال المعلومات "الكلاسيكية".
تولد احتياجات الطاقة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الحرارة ، وهو تحدٍ نظرًا لأنه يجب أن تعمل في درجات حرارة منخفضة. يمكن أن يؤدي النقل الآني إلى حلول التصميم التي من شأنها تسريع تطوير الحوسبة الكمومية.
3. النظام البيولوجي
جسم الإنسان ، مثل جميع المخلوقات ، يتغير باستمرار بسبب تفاعل ملايين العمليات الكيميائية والبيولوجية. حتى وقت قريب ، كان يُفترض أنها خطية ، حيث يؤدي الحرف "أ" إلى "ب". ومع ذلك ، فقد كشفت بيولوجيا الكم والفيزياء الحيوية عن قدر كبير من التماسك داخل الأنظمة البيولوجية ، مع لعب التيسير الكمي دورًا.
طريقة الوحدات الفرعية المتنوعة هياكل البروتين تم تجميعها معًا للسماح بالتشابك الكمي المستمر والتماسك. لا يزال علم الأحياء الكمومي موضوعًا نظريًا مع العديد من المخاوف التي لم تتم الإجابة عليها ؛ عند معالجتها ، ستصبح التطبيقات في الطب مرئية بشكل متزايد.
من الناحية النظرية ، قد تشبه الحوسبة الكمومية الطبيعة (عن طريق محاكاة الترابط الذري) والأنظمة البيولوجية الكمومية أكثر من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
4. الترميز فائق الكثافة
الترميز فائق الكثافة هو طريقة لإرسال بتين تقليديين من المعلومات باستخدام كيوبت واحد متشابك. الكود شديد الكثافة يمكنه:
- يسمح للمستخدم بإرسال نصف ما هو مطلوب لإعادة بناء رسالة كلاسيكية في وقت مبكر ، مما يسمح للمستخدم بالتواصل بسرعة مضاعفة حتى نفاد الكيوبتات التي تم تسليمها مسبقًا.
- تتضاعف سعة القناة الكمومية ثنائية الاتجاه في اتجاه واحد.
- قم بتحويل عرض النطاق الترددي عالي الكمون إلى عرض النطاق الترددي بزمن انتقال منخفض عن طريق إرسال نصف البيانات عبر القناة ذات زمن الانتقال العالي لدعم البيانات الواردة عبر القناة ذات زمن الانتقال المنخفض.
دعا كل جيل من الاتصالات إلى نقل المزيد من البيانات. سيكون من الممكن تحقيق مكاسب مماثلة في المعلومات من خلال الترميز فائق الكثافة.
وفي الختام
قد يسمح لنا التشابك الكمي بالعمل مع البيانات بطرق لم يكن من الممكن تصورها سابقًا. من خلال دمج الحوسبة الكمومية مع التشابك ، سنتمكن من الإجابة على المشكلات التي تتطلب قدرًا هائلاً من البيانات بطريقة أكثر كفاءة وأمانًا.
مع إضافة التطبيقات البيولوجية والفلكية ، يمكن استخدام التيسير الكمي للإجابة على القضايا التي لطالما فكر فيها البشر: من أين أتينا وكيف بدأ كل هذا؟
كلما تقدمت التكنولوجيا ، زاد عدد التطبيقات التي سنجدها لها - ولديها وعود هائلة!
اترك تعليق