ما هو الكيوبت (Qubit)؟ الوحدة الأساسية لترميز البيانات في الحوسبة الكمومية

ما هو الكيوبت؟

الكيوبت، أو البت الكمومي، هو الوحدة الأساسية للمعلومات المستخدمة لترميز البيانات في الحوسبة الكمومية. ويمكن فهمه على أفضل وجه باعتباره المكافئ الكمومي للبت التقليدي الذي تستخدمه الحواسيب الكلاسيكية لترميز المعلومات بالنظام الثنائي.

يُنسب مصطلح “كيوبت” إلى الفيزيائي النظري الأمريكي بنيامين شوماخر. تُصنع الكيوبتات عمومًا، وإن لم يكن حصريًا، عن طريق معالجة وقياس الجسيمات الكمومية (أصغر اللبنات الأساسية المعروفة للكون المادي)، مثل الفوتونات والإلكترونات والأيونات المحصورة والدوائر فائقة التوصيل والذرات.

بفضل الخصائص الفريدة لميكانيكا الكم، تستخدم الحواسيب الكمومية الكيوبتات لتخزين بيانات أكثر من البتات التقليدية، مما يُحسّن أنظمة التشفير بشكل كبير. كما أنها قادرة على إجراء عمليات حسابية متقدمة قد تستغرق آلاف السنين، أو حتى تكون مستحيلة، بالنسبة للحواسيب العملاقة التقليدية.

بفضل تقنية الكيوبت، قد تثبت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قريباً أنها محورية في معالجة العديد من أكبر التحديات التي تواجه البشرية، بما في ذلك السرطان والأبحاث الطبية الأخرى، وتغير المناخ، والتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي.

فهم الحوسبة الكمومية

تمثل الحوسبة الكمومية الجيل القادم من حيث القدرة الحاسوبية، إذ تستخدم تقنيات متخصصة، تشمل أجهزة حاسوب وخوارزميات تستفيد من مبادئ ميكانيكا الكم. هذه القدرة تمكنها من حل المشكلات المعقدة التي تعجز الحواسيب التقليدية أو الحواسيب العملاقة عن حلها، أو التي لا تستطيع حلها بالسرعة الكافية.

تطورت الحواسيب الكمومية، التي طُرحت فكرتها لأول مرة في ثمانينيات القرن الماضي، تطوراً ملحوظاً، إذ انتقلت من مجرد أفكار نظرية إلى تطبيقات عملية على أرض الواقع. واليوم، تُتيح IBM Quantum أجهزة كمومية حقيقية. وهي أداة لم يبدأ العلماء بتخيلها إلا قبل ثلاثة عقود، لمئات الآلاف من المطورين.

عندما يواجه الفيزيائيون والمهندسون مشاكل معقدة، يلجؤون إلى الحواسيب العملاقة. مع ذلك، حتى هذه الحواسيب العملاقة هي أجهزة تعتمد على نظام العد الثنائي وتقنية الترانزستور التي ظهرت في القرن العشرين، وتواجه صعوبة في حل المشاكل شديدة التعقيد.

تخضع هذه الحواسيب التقليدية أيضاً لقيود مادية، كارتفاع درجة الحرارة، مما يفرض حدوداً صارمة على قدرتها على معالجة المعلومات. وهناك بعض المشكلات المعقدة، مثل نمذجة الذرات الفردية في الجزيء، التي لا نعرف كيفية حلها باستخدام الحواسيب التقليدية على أي نطاق.

تُملي قوانين ميكانيكا الكم نظام العالم الطبيعي. ينبغي أن تكون الحواسيب التي تُجري الحسابات باستخدام الحالات الكمومية للبتات الكمومية، في كثير من الحالات، أفضل أدواتنا لفهم وحلّ أكثر مشاكلنا تعقيدًا.

عند دراسة الحواسيب الكمومية، من المهم فهم أن ميكانيكا الكم تختلف عن الفيزياء التقليدية. فوصف سلوك الجسيمات الكمومية يمثل تحديًا فريدًا، إذ تفتقر معظم النماذج المنطقية الشائعة للعالم الطبيعي إلى المصطلحات اللازمة لفهم السلوكيات التي تبدو منافية للمنطق للجسيمات الكمومية.

الكيوبتات (Qubits) مقابل البتات (Bits)

هناك أنواع عديدة ومختلفة من البتات والكيوبتات، ولكن يجب أن تلتزم جميع الكيوبتات بقوانين الفيزياء الكمية وأن تكون قادرة على الوجود في حالة تراكب كمي.

يمكن أن توجد البتة الكلاسيكية إما في الموضع 0 أو الموضع 1. أما الكيوبتات، فيمكنها أيضاً أن تشغل حالة ثالثة تُعرف بالتراكب. يُمثل التراكب الحالات 0 و1 وجميع المواضع بينهما مجتمعة في آن واحد، أي ثلاثة مواضع منفصلة.

على الرغم من قدرة الكيوبتات على ترميز ثلاثة مواقع منفصلة، ​​إلا أنها لا تزال تُستخدم لنقل المعلومات عبر نظام ثنائي. في هذه الأنظمة، قد يشير مصطلح “بت” إلى المادة أو العملية المستخدمة لتمثيل 0 أو 1، أو إلى قياس ذلك البت، أي ما إذا كان 0 أو 1.

الخاصية	الكيوبت (Qubit)	البت (Bit)
الحالة	0 أو 1 أو التراكب (0 و1 معاً)	0 أو 1
المعالجة	احتمالية متعددة في آن واحد	عملية واحدة في كل مرة
الاستخدام	الحوسبة المتقدمة، الذكاء الاصطناعي، التشفير	الحوسبة اليومية، معالجة النصوص
السرعة	أسرع بكثير في المسائل المعقدة	أبطأ في العمليات المتوازية

1. فهم البِت (Bit)

في الحوسبة التقليدية أو الكلاسيكية، يمكن اعتبار البت الواحد بمثابة جزء من المعلومات الثنائية، ويتم تدوينه إما على أنه 0 أو 1. عادةً ما تمثل أجهزة الكمبيوتر الحديثة البتات إما كجهد كهربائي أو نبضة تيار (أو عن طريق الحالة الكهربائية لدائرة القلب والقلاب – Electrical state of A flip-flop circuit).

في هذه الأنظمة، عندما لا يمر تيار كهربائي، يمكن اعتبار الدائرة مطفأة ويتم تمثيل هذه الحالة بالرقم 0. وعندما يمر تيار كهربائي، تعتبر الدائرة قيد التشغيل ويتم تمثيل هذه الحالة بالرقم 1.

مصطلح “بت” هو في الأصل كلمة مركبة من “رقم ثنائي”، والبتات الثنائية هي الأساس الذي تقوم عليه جميع عمليات الحوسبة. سواءً أكان الأمر يتعلق بتسجيل فيديو رقمي، أو تحريك نموذج ثلاثي الأبعاد، أو تشغيل آلة حاسبة، فإن جميع البيانات، من أنظمة التشغيل إلى البرامج، مبنية من الشفرة الثنائية، وهي عبارة عن مجموعة من البتات.

تتكون بايتة الكمبيوتر من ثمانية بتات، وهو الحد الأدنى لعدد البتات اللازمة لنقل حرف نصي واحد بالنظام الثنائي.

يمكن تمثيل البتات كهربائياً، عن طريق تمرير (أو عدم تمرير) تيار كهربائي عبر شريحة سيليكون، على سبيل المثال. كما يمكن تمثيل البتات مادياً، كثقب أو عدم وجود ثقب في ورقة، كما كان يُستخدم في الحوسبة القديمة باستخدام البطاقات المثقبة (Punch-card computing).

يوجد أي نظام ثنائي المستوى يمكن فيه وصف حالة النظام في أحد وضعين محتملين فقط (على سبيل المثال، أعلى أو أسفل، يسار أو يمين، تشغيل أو إيقاف). ويمكن استخدام هذا النظام لتمثيل البت.

2. فهم الكيوبتات (Qubits)

مع أن تقنيات الكم تستخدم الشفرة الثنائية، فإن البيانات الكمومية المستمدة من نظام كمومي – مثل الكيوبت – تُشفّر البيانات بطريقة مختلفة عن البتات التقليدية، ما يمنحها بعض المزايا الملحوظة.

وقد طوّر الباحثون طرقًا عديدة إما لإنشاء الكيوبتات أو استخدام الأنظمة الكمومية الموجودة في الطبيعة ككيوبتات. مع ذلك، تتطلب الحواسيب الكمومية في معظم الحالات تبريدًا شديدًا لعزل الكيوبتات ومنع التداخل.

نظرياً، يمكن استخدام أي نظام كمومي ثنائي المستوى لصنع كيوبت. يُوصف النظام الكمومي بأنه ثنائي المستوى عندما يمكن قياس خصائص معينة فيه بقيم ثنائية، مثل أعلى أو أسفل. أما الأنظمة الكمومية متعددة المستويات، فيمكن استخدامها لصنع كيوبتات عندما يمكن عزل جانبين من جوانب هذا النظام بشكل فعال لإنتاج قياس ثنائي.

كما تستخدم الحواسيب التقليدية أنواعًا متعددة من البتات: مثل التيار الكهربائي، والشحنة الكهربائية، أو الثقوب المثقوبة (أو غير المثقوبة) في ورقة لحسابات البطاقات المثقبة – فإنها تعتمد على تمثيلات فيزيائية مختلفة. وبالمثل، تستطيع الحواسيب الكمومية استخدام أنواع متعددة من البتات. بعض البتات أنسب لوظائف معينة، ومن المرجح أن يستخدم الحاسوب الكمومي المتقدم مزيجًا من أنواع البتات لإنجاز عمليات مختلفة.

لأن كل بت يمكن أن يمثل إما 0 أو 1، فمن خلال إقران رقمين ثنائيين من المعلومات، يمكننا إنشاء ما يصل إلى أربعة تركيبات ثنائية فريدة:

• 0 0
• 0 1
• 1 0
• 1 1

بينما يمكن أن تكون كل بتة إما 0 أو 1، يمكن أن يكون الكيوبت الواحد إما 0 أو 1 أو حالة تراكب. يمكن وصف حالة التراكب الكمومي بأنها إما 0 أو 1، أو بأنها جميع الحالات الممكنة بين 0 و1، لأنها تمثل احتمالية حالة الكيوبت.

على المستوى الكمومي، تُقاس احتمالية الكيوبت كدالة موجية. ويمكن استخدام سعة احتمالية الكيوبت لترميز أكثر من بت واحد من البيانات وإجراء حسابات معقدة عند دمجها مع كيوبتات أخرى.

عند معالجة مسألة معقدة، مثل تحليل عدد أولي كبير، تصبح البتات التقليدية مُثقلة بحمل كميات هائلة من المعلومات. أما البتات الكمومية فتتصرف بشكل مختلف. فبفضل قدرتها على استيعاب حالة التراكب، يستطيع الحاسوب الكمومي الذي يستخدمها معالجة كميات أكبر من البيانات.

لتوضيح الفرق بين البتات والكيوبتات، تخيل أنك تقف في وسط متاهة معقدة. للخروج من هذه المتاهة، يجب على الحاسوب التقليدي تجربة جميع المسارات الممكنة للوصول إلى المخرج. يستخدم هذا النوع من الحواسيب البتات لاستكشاف مسارات جديدة وتذكر المسارات المسدودة.

بالمقارنة، قد يتمكن الحاسوب الكمومي، مجازيًا، من استخلاص نظرة شاملة للمتاهة دفعة واحدة، واختبار مسارات متعددة في آن واحد، وكشف الحل الصحيح. مع ذلك، لا تختبر الكيوبتات مسارات متعددة دفعة واحدة، بل تقيس الحواسيب الكمومية سعة احتمالية الكيوبتات لتحديد النتيجة.

وبما أن هذه السعات تعمل كالموجات، فإنها تتداخل وتتشابك فيما بينها. وعندما تتداخل الموجات غير المتزامنة، فإنها تقضي فعلياً على الحلول الممكنة للمشاكل المعقدة، وتقدم الموجة أو الموجات المتماسكة المتكونة الحل.

ما هو التشابك الكمي؟

أشار أينشتاين لأول مرة إلى التشابك الكمومي بأنه “تأثير غريب عن بُعد”. يحدث التشابك الكمومي عندما يرتبط كيوبتان أو بشكل أعم، جسيمان كموميان. في هذه الحالة، لا يمكن تحديد خصائص أحدهما دون الرجوع إلى الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما.

عندما يتشابك كيوبتان، فإنهما يوجدان في حالة تراكب حتى يتم قياس أحدهما. بمجرد رصدهما، ينهار التراكب الكمومي لكليهما، ويأخذ الكيوبت الذي لم يُرصد الموضع المعاكس للكيوبت الذي رُصد.

على سبيل المثال، إذا تم قياس أحد نصفي زوج من الكيوبتات المتشابكة عند القيمة 1، فيمكن قياس الكيوبت الآخر فورًا عند القيمة 0. إن آثار التشابك الكمي واسعة بقدر ما هو محدود فهمنا لهذه الظاهرة. ويكفي القول إن البتات التقليدية لا تتشابك.

بهذه الطريقة، يمكن للكيوبتات المتشابكة أن تنقل المعلومات عبر مسافات تصل إلى سنوات ضوئية في لحظة، أسرع من سرعة الضوء. مع أن الكيوبتات لا تنقل البيانات بسرعة تفوق سرعة الضوء، إلا أن التشابك الكمي يمكن أن يزيد بشكل كبير من قوة الدوائر الكمومية.

أنواع مختلفة من الكيوبتات ومزاياها

يقوم الباحثون بتطوير أنواع عديدة من الكيوبتات من أنظمة الكم ثنائية المستوى، ويصممون كيوبتات معينة لتناسب تطبيقات محددة.

1. الموصلية الفائقة (Superconducting)

2. الأيونات المحبوسة (Trapped Ions)

3. النقاط الكمومية (Quantum Dots)

4. الفوتونات (Photons)

5. الذرات المتعادلة (Neutral Atoms)

تحديات الكيوبت

على الرغم من قوتها، فإن الكيوبتات حساسة أيضاً. لكي تعمل، يجب تبريد الكيوبتات إلى درجة حرارة أعلى بجزء بسيط من الدرجة من الصفر المطلق، وهو أبرد من الفضاء الخارجي.

الجسيمات الكمومية تتمتع بالتماسك عندما تكون خاضعة للتحكم الكافي لتؤدي وظائفها كوحدات بت كمومية (كيوبتات). وعندما تفقد وحدة البت الكمومية هذه القدرة، تُوصف بأنها غير متماسكة. ويُعدّ التبريد عالي الطاقة اللازم لخلق حالة التماسك لوحدات البت الكمومية العاملة تحديًا كبيرًا للحوسبة الكمومية.

حتى في أشد الظروف برودة، تظل أنظمة الكيوبت عرضةً للفشل الناتج عن فقدان الترابط الكمومي. ولحسن الحظ، فإن التطورات في مجال تصحيح الأخطاء الكمومية الخوارزمي الناشئ لديها القدرة على تثبيت الأنظمة الكمومية التي كانت هشة في السابق.

المصادر والمراجع

Cambridge University Press: الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية

IEEE: خوارزميات للحوسبة الكمومية – اللوغاريتمات المتقطعة وتحليل الأعداد

Physical Review A: آلية للحد من فقدان التماسك في ذاكرة الحاسوب الكمومي

Science: الدوائر فائقة التوصيل لمعالجة المعلومات الكمومية

Nature: التفوق الكمومي باستخدام معالج فائق التوصيل قابل للبرمجة