الحوسبة الكمومية

الملخص
الحوسبة الكمومية هي مجال متعدد التخصصات يسعى إلى فهم معالجة المعلومات باستخدام مبادئ ميكانيكا الكم. الحوسبة الكمومية هي استغلال خصائص الحالات الكمية مثل التراكب والتشابك لإجراء العمليات الحسابية. لقد أظهرت تفوقها على الحوسبة التقليدية. يمكن أن يتفوق أداء الحوسبة الكمومية على أجهزة الكمبيوتر الحالية. على هذا النحو ، فإنه يمثل نقلة نوعية لتكنولوجيا الحوسبة في تاريخ تطورها. حاليًا ، تعد تكنولوجيا المعلومات الكمومية بحثًا تقوده الدولة وتعتبر صناعة ناشئة. على الرغم من عدم تطوير جهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق بعد ، إلا أنه يتمتع بإمكانات نمو كبيرة.

مقدمة
هناك اتجاه متزايد نحو تطبيق ميكانيكا الكم ، وهو علم لدراسة الجسيمات المجهرية مثل البروتونات والإلكترونات ، في الحوسبة والتواصل والاستشعار. الحوسبة الكمومية هي مجال متعدد التخصصات يسعى إلى فهم معالجة المعلومات ونقلها باستخدام مبادئ ميكانيكا الكم. الحوسبة الكمومية هي استغلال خصائص الحالات الكمية مثل التراكب والتشابك لإجراء العمليات الحسابية. تسمى الأجهزة التي تقوم بالحسابات الكمومية بأجهزة الكمبيوتر الكمومية. تُحدث تقنيات الكم نقلة نوعية هائلة في تكنولوجيا الحوسبة. اليوم ، أدرجت اتجاهات الصناعة الرئيسية ، بما في ذلك الصناعة 4.0 ، الثورة الرقمية في العالم المادي ، وفي الوقت نفسه عززت التقنيات الجديدة مثل الذكاء الاصطناعي ، والحوسبة الكمومية ، وتكنولوجيا النانو . يمكن أن تكون الحوسبة الكمومية أحد محركات الصناعة 4.0 ، والتي تسخر مفاهيم ميكانيكا الكم مثل التراكب والتشابك لإجراء العمليات الحسابية ، على الرغم من عدم تطوير كمبيوتر كمي واسع النطاق بعد

ظلت تقنيات الكم قيد التطوير في جميع أنحاء العالم لأكثر من 20 عامًا ، مما أدى إلى نتائج واعدة وتقدم. موضوع البحث الرئيسي لتكنولوجيا الكم هو موضوع متعدد التخصصات لميكانيكا الكم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات (ICT). تعد تقنية المعلومات الكمية مجالًا متعدد التخصصات يسعى إلى فهم معالجة المعلومات ونقلها باستخدام مبادئ ميكانيكا الكم. ويشمل البحث النظري والدراسة التجريبية في فيزياء وحسابات الكم. فهو يجمع بين تأثيرات الكم في الفيزياء وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. تعتبر تقنية المعلومات الكمومية الآن تقنية رائدة تجمع بين فيزياء الكم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. تم تطويره بسرعة إلى موضوع متعدد التخصصات ناشئ يعتمد بشكل أساسي على المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات.

في عام 2003 ، تنبأ سبيلر أن موضوعًا جديدًا يسمى تقنية المعلومات الكمية (QIT) يمكن أن يظهر في المستقبل ، بناءً على البحث في التأثيرات الكمومية في الفيزياء ، ومعالجة المعلومات الكمومية ، والاتصالات. في QIT ، تلعب الظواهر الكمومية الأساسية دورًا مركزيًا. تتم معالجة المعلومات ونقلها وتخزينها وفقًا لقوانين فيزياء الكم. توقع سبيلر أن فريق تحسين الجودة يمكن أن يؤدي مهام لم يتم تحقيقها من قبل في مجال تكنولوجيا المعلومات الحالية.

في الحوسبة التقليدية ، البتة هي الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة والاتصالات. يمثل البت حالة منطقية بإحدى القيمتين المحتملتين. يتم تمثيل هذه القيم إما “1” أو “0”. تعتمد تقنيات الحوسبة التقليدية بتات من 0 و 1 ، ويتم تسهيل الحساب بواسطة البتات. الحوسبة الكمومية هي نموذج جديد يستخدم نظرية الكم لتحل محل الحوسبة الحالية. تستغل الحوسبة الكمومية الخصائص الجماعية للحالات الكمية لإجراء العمليات الحسابية. يمكن للحوسبة الكمية معالجة بيانات أكثر من البيانات التقليدية التي تتكون من 0 و 1.

كما ذكرنا أعلاه ، يجب أن يكون القليل في حالة أو أخرى في نظام تقليدي. الكيوبت أو البت الكمي هو الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية في الحوسبة الكمومية. تسمح ميكانيكا الكم للكيوبت بأن يكون في تراكب متماسك لكلتا الحالتين في وقت واحد ، وهي خاصية أساسية لميكانيكا الكم والحوسبة الكمومية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية التراكب الكمي لمعالجة المعلومات بالتوازي ، مما يوفر ميزة حسابية أساسية على أجهزة الكمبيوتر التقليدية .

على هذا النحو ، تعتمد قوة الحوسبة الكمومية على ميكانيكا الكم مثل التراكب الكمي والتشابك . هذه الخصائص تجعل من المستحيل مقارنة الحوسبة الكمومية بالحوسبة التقليدية من حيث سرعة الحوسبة. إذا تم تطبيق تقنية الكم على الحوسبة ، فإنها تتيح إجراء عمليات حسابية سريعة ؛ من الواضح أنه يمكنه التغلب على قيود أجهزة الكمبيوتر الرقمية الحالية ، بما في ذلك الحوسبة الفائقة.

حاليًا ، تعد الحوسبة الكمومية مجالًا مهمًا للبحث ، مدعومًا بالنمو السريع للسوق. من المتوقع أن يصل سوق تكنولوجيا الكم العالمي إلى ما يقرب من 65 مليار دولار بحلول عام 2030 من 570 مليون دولار في عام 2019 ، بافتراض معدل نمو سنوي قدره 50.6٪. المعلومات الكمومية

من المرجح أن ينمو السوق أكثر ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه قد يعطل تقنية الحوسبة التقليدية
الحوسبة الكمومية هي نموذج حوسبي جديد يتبع قوانين ميكانيكا الكم للتحكم في وحدات المعلومات الكمومية للحساب. بالنسبة للحسابات التقليدية ، فإن نموذجها النظري هو آلة تورينج للأغراض العامة. الكمبيوتر الكمومي للأغراض العامة ، نموذجه النظري ، هو آلة تورينج للأغراض العامة مع قوانين ميكانيكا الكم. من منظور الحساب ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية فقط حل المشكلات التي يمكن لأجهزة الكمبيوتر التقليدية حلها. ومع ذلك ، من حيث الكفاءة الحسابية ، يمكن أن تكون الخوارزميات الكمومية أسرع في المعالجة بسبب وجود تراكب الكم. تقنيات الحوسبة التقليدية لها قيود بسبب تقييد البتات من 0 و 1. يجب أن يتم الحساب باستخدام وحدات البت في المعالجة أو التخزين. بعبارة أخرى ، لا يمكن أن تكون البتة الكلاسيكية إلا في حالة واحدة أو أخرى ، لكن الكيوبت يسمح لها بأن تكون في حالة تراكب من الحالات. يتيح مبدأ التراكب لحالات ميكانيكا الكم أن تكون حالات وحدات المعلومات الكمومية في حالة تراكب لإمكانيات متعددة ، مما يؤدي إلى أن تكون معالجة المعلومات الكمية ذات إمكانات أكبر من معالجة المعلومات التقليدية من حيث الكفاءة.

باستخدام تقنية المعلومات الكمية ، يمكن لخصائص مثل التراكب والتشابك والضغط والتماسك وما إلى ذلك معالجة بيانات أكثر بكثير من ذي قبل. يجب أن يكون القليل في حالة أو أخرى في نظام تقليدي. ومع ذلك ، تسمح ميكانيكا الكم للكيوبت بأن يكون في تراكب متماسك لكلتا الحالتين في وقت واحد ، وهي خاصية أساسية لميكانيكا الكم والحوسبة الكمومية. في تقنية المعلومات الكمومية ، يتم التعبير عن وحدة معالجة البيانات بالكيوبت. الكيوبت أو البت الكمي هو الوحدة الأساسية لتكنولوجيا المعلومات الكمومية في الحوسبة الكمومية. من الناحية النظرية ، يمكن للبتات الكمومية ، أو الكيوبتات ، معالجة المعلومات بشكل أسرع من البتات الثنائية صفر-صفر المستخدمة في الحوسبة التقليدية. يمكن أن تتشابك وحدات البت المتعددة. وبالتالي ، يمكن أن تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل مختلف تمامًا عن الآلات التقليدية: البتة الكلاسيكية إما 1 أو 0 ، لكن البتة الكمومية ، أو الكيوبت ، يمكن أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد. مع زيادة عدد الكيوبتات ، بالنسبة لـ n كيوبت ، يمكن أن تكون المعلومات الكمومية في حالة تراكب. مع التوازي مع التطور الميكانيكي الكمومي ، يمكن أن تظهر سرعات معالجة أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. ركز البحث على استكشاف إمكانات كيوبت لتجاوز الحسابات التقليدية.

مقتطفات القسم
البحث في تكنولوجيا حساب الكم
تشمل المجالات التي تندرج تحت تقنية الحوسبة الكمومية الاتصالات الكمومية ، والاستشعار الكمومي ، والحوسبة الكمومية ، والمزيد. تتيح تقنيات المعلومات الكمومية قفزات غير مسبوقة في الاتصالات الكمومية ، والاستشعار الكمي ، والحوسبة الكمومية.

الاتصال الكمي: الاتصال الكمي هو طريقة اتصال جديدة تستخدم تأثيرات التراكب الكمي والتشابك لنقل المعلومات. وفقًا للتطبيقات ، يمكن تقسيم الاتصال الكمي إلى كم

الجهود التي تقودها الدولة في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الكمية
حاليًا ، تعمل دول مختلفة على تطوير وتنفيذ خطط تطوير للحوسبة الكمومية. أظهرت الدول الكبرى اهتمامًا قويًا وعزمًا على البحث الكمي. قامت روسيا والولايات المتحدة والصين والاتحاد الأوروبي وألمانيا والمملكة المتحدة وكندا واليابان برفع تكنولوجيا المعلومات الكمية إلى مستوى استراتيجي وطني.

حالة البحث والتطوير الصناعي
تعمل الصناعات على تطوير تكنولوجيا المعلومات الكمية من خلال البحث والتطوير الخاص بها.

أصدرت شركة IBM خارطة الطريق لأكثر من مليون جهاز كيوبت. تقوم شركة IBM بتطوير مجموعة من المعالجات القابلة للتطوير والأكبر بشكل متزايد مع جهاز يزيد عن 1000 كيلوبت ، يُطلق عليه IBM Quantum Condor ، ويستهدف نهاية عام 2023. تقوم شركة IBM ببناء معالجات كمومية ، وتشغيل الدوائر الكمومية

أصدرت إنتل لعبة Horse Ridge II في ديسمبر 2020 ، مضيفة إمكانات محسّنة ومستويات أعلى من التكامل لتحكم متطور في

التحدي والرؤية
الاتصال الكمي: يركز مجال الاتصال الكمي على قاعدة التشفير. ستصبح صناعة الاتصالات الكمومية بنية تحتية جديدة تحل محل الشبكات التقليدية. البحث عن معدات الشبكة التي تدعم الاتصالات الكمومية هو على جدول الأعمال.

الاستشعار الكمي: من المتوقع أن يؤثر الاستشعار الكمي على الصناعة كمبادرة لقياس الأشياء التي لم يتم قياسها في الماضي . تمت دراسة الاستشعار الكمي للتغلب على القيود

استنتاج
تلعب تقنية المعلومات الكمية دورًا مهمًا في كسر الحدود المادية لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات الحالية. قدمت تكنولوجيا المعلومات الكمومية طرقًا جديدة لتكنولوجيا المعلومات والاتصالات. تكنولوجيا المعلومات الكمومية هي مجال دراسي سريع النمو تُستخدم فيه النظرية الكمية للمادة لفهم وتطوير الأنظمة التي يمكنها معالجة المعلومات وتخزينها. تقدم هذه الورقة تقنية المعلومات الكمومية، بما في ذلك ثلاثة جوانب رئيسية: الاتصال الكمي ، والاستشعار الكمومي.