الحدود الكمية

في مايو 1981 ، في مؤتمر استضافه مختبر معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لعلوم الكمبيوتر ، وصف ريتشارد فاينمان 39 جهازًا نظريًا أطلق عليه اسم الكمبيوتر الكمي ، والذي من شأنه إجراء الحسابات عن طريق تسخير السلوك الغريب للمادة في مقاييس صغيرة جدًا. تبنى الفيزيائيون النظريون الفكرة ، موضحين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها ، من حيث المبدأ ، أن تفعل أي شيء يمكن أن تفعله أجهزة الكمبيوتر العادية ، ويجادلون بأنهم قد يكونون قادرين على القيام ببعض الأشياء بشكل أسرع بكثير. ومع ذلك ، لأكثر من عقد من الزمان ، ظل الحساب الكمي ، بالنسبة لجميع المتحمسين باستثناء قلة منهم ، موضوعًا للتكهن الخامل فقط.

من اليسار: الأساتذة بيتر شور وسكوت آرونسون وإدوارد فارحي

بيل جيتس يأكل برجر

تغير ذلك بشكل مذهل في عام 1994 ، عندما وصف بيتر شور ، الحاصل على درجة الدكتوراه 85 ، والذي أصبح الآن أستاذًا للرياضيات التطبيقية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، خوارزمية كمومية لإيجاد العوامل الأولية لعدد ما. سيكون الكمبيوتر الكمي الذي يعمل بخوارزمية شور قادرًا على أداء مهام التحليل التي لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الحالية أن تنتهي منها في عمر الكون. نظرًا لأن صعوبة تحليل الأعداد الكبيرة هو كل ما يضمن أمان معظم أنظمة التشفير الحديثة ، كان على بقية العالم - وخاصة المنظمات مثل وكالة الأمن القومي - أن ينتبه. أظهر شور أنه إذا كان بإمكانك بناء أجهزة كمبيوتر كمومية ، فسيكون هناك أشخاص يريدون شرائها ، كما يقول سيث لويد ، أستاذ الهندسة الميكانيكية الذي يدرس الحوسبة الكمومية. شكلت خوارزمية شور التطبيق الرائع الذي أثار اهتمام الجميع.



على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الأغراض العامة تعمل بكامل طاقتها على الأرجح على بعد عقود ، فإن خوارزمية شور حولت الحساب الكمي إلى مجال بحث مزدحم. يقول لويد إن عدد الباحثين في جميع أنحاء العالم الذين يعملون على الحوسبة الكمومية ربما يكون في مكان ما اليوم حوالي 5000. أعتقد أنه إذا حصلنا على 300 عضو آخر في الجمعية الفيزيائية الأمريكية ، فسنكون قسمًا من الجمعية الفيزيائية الأمريكية ، كما يقول. ومن جميع النواحي ، من اكتشاف خوارزميات جديدة إلى تخيل أنواع جديدة من أجهزة الكمبيوتر ، فإن باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في خضم المعركة.

إمكانية الكم

الحساب الكمي متجذر في اللغز المركزي لفيزياء الكم: يمكن لجسيمات المادة الدقيقة أن تسكن حالات متعددة ، تبدو متعارضة في نفس الوقت. أطلق فوتونًا واحدًا - جسيم من الضوء - على حاجز بداخله شقان ، وسوف يمر عبر كلا الشقين في وقت واحد. للإلكترونات خاصية تسمى الدوران ، والتي يمكن اعتبارها دوران في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة - ولكن يمكن لإلكترون واحد أن يدور في نفس الوقت في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة. هذه القدرة على أن تكون في أكثر من حالة في وقت واحد ، والتي يسميها الفيزيائيون التراكب ، هي ، كما قال فاينمان ذات مرة ، من المستحيل ، من المستحيل تمامًا شرحها بأي طريقة كلاسيكية. لجعل الأشياء أكثر غرابة ، إذا كان لديك جسيم كمي في حالات متعددة في وقت واحد وقمت ببعض القياسات عليه ، فإنه يستقر على الفور في حالة واحدة فقط من تلك الحالات. وأي منهم يفترض أنه عشوائي تمامًا. (هذا هو الأساس لاقتباس فيزيائي مشهور آخر - إصرار أينشتاين ، ضد حكم فيزياء الكم ، على أن الله لا يلعب النرد مع الكون.)

في علوم الكمبيوتر ، تكون الوحدة الأساسية للمعلومات هي البت ، والتي يمكن أن تأخذ واحدة من قيمتين ، يتم التعبير عنها عادةً كـ 0 و واحد . أدرك رواد الحوسبة الكمومية أنه نظرًا لأن الجسيم الكمومي يمكن أن يكون في حالتين في وقت واحد ، فيمكن أن يمثل 0 و واحد في نفس الوقت. يمكن أن تمثل البتتان الكميتان - أو الكيوبتات - أربع قيم ، ثلاثة منها ثمانية ، وأربعة منها 16 ، وهكذا. عملية حسابية واحدة تنطوي على ن قد تكون الكيوبتات مثل عمل 2 ن الحسابات دفعة واحدة.

افترض ، مع ذلك ، أن لديك ثمانية كيوبتات ، تمثل نتائج 256 عملية حسابية متزامنة. إذا أجريت قياسًا على الكيوبتات ، فإن التراكب ينهار: كل كيوبت يفترض على الفور قيمة أي منهما 0 أو واحد . لم يتبق لك سوى احتمال واحد فقط من بين 256 احتمالًا أوليًا ، وهذا الخيار الذي تم اختياره عشوائيًا. كيف تضمن أنه الشخص الذي تريده؟

أول خوارزمية الكم

هذا هو السؤال الذي أجاب شور عنه ، فيما تبقى النتيجة الرئيسية في مجالنا ، وفقًا لإدوارد فارحي ، مدير مركز الفيزياء النظرية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، والذي يبحث أيضًا في الحساب الكمي.

عندما يفترض جسيم في حالة تراكب عشوائيًا حالة واحدة ، فإنه يفعل ذلك وفقًا لاحتمالات معينة: بمرور الوقت ، سوف تنجذب الجسيمات إلى بعض الحالات أكثر من غيرها. يمكن تصوير هذه الاحتمالات على أنها منحنى يشبه إلى حد كبير قمة الموجة. اتضح أن نفس الرياضيات التي تصف فيزياء الأمواج تصف أيضًا فيزياء الاحتمالات الكمومية.

عندما تصطدم الموجات ، فإنها تتداخل مع بعضها البعض ، إما بشكل بناء أو هدَّام. إذا تقاطع عرقتان ، تكون النتيجة قمة أكبر ؛ إذا تقاطع قمة مع حوض ، فإنهما يلغيان بعضهما البعض. وجد Shor طريقة بارعة لتمثيل مشكلة التحليل باستخدام موجات الاحتمال ، بحيث تميل الإجابات الصحيحة إلى تعزيز بعضها البعض بينما تختفي الإجابات الخاطئة أساسًا. لا تزال النتيجة موجة احتمالية ، ولكن عندما ينهار التراكب ، تكون الاحتمالات عالية جدًا في حصولك على الإجابة الصحيحة.

بدأ شور العمل على الخوارزمية في عام 1993 ، عندما كان يعمل في مركز أبحاث Bell Labs التابع لشركة AT & T ، بعد سماع حديث عن الحوسبة الكمية من قبل أوميش فازيراني 81 ، الأستاذ في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي. لا يعمل عليه بدوام كامل بالطبع ، كما يقول. في الواقع ، لم أخبر أي شخص أنني كنت أعمل عليه حتى توصلت إليه.

في الواقع ، أول خوارزمية كمومية أخبر شور أي شخص عنها ، في أبريل 1994 ، كانت واحدة لحساب اللوغاريتمات ، وهي مشكلة مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بالعوامل. لقد تحدثت عن الخوارزمية في Bell Labs يوم الثلاثاء ، كما يقول. في ذلك السبت ، كنت في المنزل مصابًا بنزلة برد شديدة ، واستدعاني أوميش فازيراني من كاليفورنيا ، متحمسًا جدًا ، وقال ، 'سمعت أنك تعرف كيف تتعامل مع الكمبيوتر الكمي.' في الواقع ، فعل ذلك: في الأربعة المتداخلة أيامًا ، قام بتكييف الخوارزمية الخاصة به مع هذه المشكلة بالذات. ال اقتصادي قال شور: أجرى مقابلة معي بعد ذلك بوقت قصير. سرعان ما تلقيت الكثير من رسائل البريد الإلكتروني حول الخوارزمية ، وما زلت لم أكتب الورقة بعد. عندما ألقى أول حديث علني له في كورنيل في أوائل مايو ، قال ضاحكًا ، تحدث معي شخص من وكالة الأمن القومي حول ذلك بعد ذلك.

تسخير تقنية التصوير بالرنين المغناطيسي

عندما جاء سيث لويد إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 1994 ، كنت قد كتبت مجموعة من الأوراق حول الحوسبة الكمومية ، كما يقول. ربما ، على سبيل المثال ، خمسة أو ستة أشخاص آخرين كنت أعمل على هذا قبل عام 1994. بالنسبة إلى لويد ، كان للإعلان عن خوارزمية شور تأثير ملموس للغاية: لقد جعل الحصول على المنصب أسهل كثيرًا.

إحدى الصحف التي نشرها لويد ، باللغة علم في عام 1993 ، اقترح أول تصميم عملي لجهاز كمبيوتر كمي. يمكن أن تفكر في الأمر على أنه فنجان مليء بالجزيئات ، كما يقول. في كل جزيء ، تم تمثيل الكيوبتات بأنواع مختلفة من الذرات ، وكل الجزيئات الموجودة في الكوب تؤدي نفس الحساب في نفس الوقت.

في بحث منفصل ، أظهر الأستاذ الزائر ديفيد كوري ونيل غيرشنفيلد ، رئيس مجموعة الفيزياء والوسائط في Media Lab ، أنه يمكن تحقيق تصميم لويد باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، وهي الظاهرة الكامنة وراء التصوير بالرنين المغناطيسي. سوف يعمل المغناطيس القوي على محاذاة لفات الذرات المكونة للجزيئات. يمكن للترددات المختلفة لموجات الراديو أن تضع بعض الذرات في حالة تراكب وتقلب دوران بعضها البعض. ستمثل الإلكترونات ذات السبينات المحددة البيانات ، وستمثل الدورات في حالة التراكب نتائج عمليات متعددة يتم إجراؤها على تلك البيانات.

في عام 1998 ، تعاون Gershenfeld مع Isaac Chuang '90، '91، SM '91 ، ثم في مركز أبحاث IBM Almaden في سان خوسيه ، كاليفورنيا ، و Mark Kubinec من جامعة كاليفورنيا في بيركلي لبناء أول نظام حوسبة يستخدم NMR لتنفيذ الكم. الخوارزمية. كان لديه اثنين من الكيوبتات.

في عام 2000 ، عاد تشوانغ إلى معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، حيث يعمل الآن أستاذًا للفيزياء والهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر. في العام التالي ، قام هو وزملاؤه في شركة IBM ببناء جهاز كمبيوتر NMR من سبعة كيوبت ونفذ بنجاح خوارزمية Shor لأول مرة. حددت أن العوامل الأولية للعدد 15 هي على الأرجح ثلاثة وخمسة.

تتمثل إحدى مشكلات الحوسبة الكمومية NMR في أنه نظرًا لأن الكيوبتات يتم تمثيلها بواسطة ذرات مختلفة في جزيء واحد ، فإن الحسابات الأكثر تعقيدًا تتطلب جزيئات أكثر تعقيدًا. لكن كلما زاد حجم الجزيء ، زاد مجاله الكهرومغناطيسي أقوى ، وزادت صعوبة التمييز بين الإشارة الكهرومغناطيسية التي تنتجها ذرة واحدة. يحقق بعض الباحثين في أجهزة استشعار صغيرة يمكنها قراءة الإشارات المغناطيسية من الجزيئات الفردية. لكن Chuang ، من بين آخرين ، تحول إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تستخدم الأيونات المحاصرة في المجالات الكهرومغناطيسية مثل الكيوبتات ، وهي تقنية اقترحها باحثون في جامعة إنسبروك النمساوية في عام 1995.

تستخدم الحوسبة الكمومية Ion-trap مجالات مغناطيسية دوارة لعزل الجزيئات الفردية ، وضوء الليزر بدلاً من نبضات الراديو لتغيير الحالات الكمومية للجزيئات. في حين أن ذلك يمنح الباحثين تحكمًا أكثر دقة في الكيوبتات مقارنة بتقنيات الرنين المغناطيسي النووي الحالية ، إلا أنه يتطلب ذلك أيضًا. يمكن أن تكون الإلكترونات التي تدور حول نواة في حالات طاقة مختلفة. أضف طاقة كافية إلى الإلكترون ، وسوف يطفو على السطح إلى مستوى الطاقة التالي ؛ إذا فقد القليل من الطاقة ، فسوف يتراجع. تتطلب الحوسبة الكمومية لمصيدة الأيونات إبقاء الإلكترونات في حالات طاقة مختلفة ومحددة بدقة. يعد هذا أمرًا صعبًا لدرجة أن بعض الباحثين بدأوا في التفكير فيما إذا كان يمكن أن يكون هناك كمبيوتر كمي ظل في أدنى حالة طاقة له.

نهج Adiabatic

في عام 2000 ، اقترح عالما الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إدوارد فارهي وجيفري غولدستون ، ومايكل سبسر من قسم الرياضيات ، وسام غوتمان من جامعة نورث إيسترن ، 73 ، دكتوراه 77 ، نوعًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يُدعى الكمبيوتر الكمومي الثابت ، والذي يكون دائمًا في أدنى مستوياته من حيث الطاقة. حالة. (تميل الكائنات إلى البحث عن أقل حالات الطاقة التي يمكن العثور عليها ، لذلك تميل حالات الطاقة المنخفضة إلى أن تكون أكثر استقرارًا من الحالات العالية.) لم تحدد الورقة كيفية تحقيق الكيوبتات. لكنها استندت إلى الاعتراف بأن حلول المشكلات الحسابية يمكن تمثيلها على أنها أقل حالات الطاقة في النظام المادي.

صور الجانب البعيد

يميل مغناطيسان ، على سبيل المثال ، إلى محاذاة القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي لأنه يستهلك طاقة أقل من إجبار القطبين الشماليين معًا. لذلك ، ستبدأ مجموعة من المغناطيسات الموضوعة بشكل تعسفي على لوح في التقليب بحيث يتم محاذاة أكبر عدد ممكن منها بين الشمال والجنوب. من الناحية النظرية ، إذا وضعت المغناطيس في النمط الصحيح وقمت بتعيين توجهاته الأولية بالطريقة الصحيحة تمامًا ، يمكنك تشفير مشكلة حسابية. عندما انقلبت المغناطيسات لإيجاد اتجاهها الأقل طاقة ، فإنها ستلتقي في حل المشكلة. الحوسبة الكمومية Adiabatic متشابهة ، لكنها يمكن أن تستكشف الكثير من الحلول الممكنة في وقت واحد ، لأنها ستستخدم الكيوبتات بدلاً من المغناطيس.

مع الحوسبة الكمومية الثابتة ، سيتم إنشاء نظام فيزيائي ميكانيكي كم في أدنى حالة طاقة ، تسمى الحالة الأرضية. في البداية ، سيقوم النظام بتشفير مشكلة أبسط بكثير من المشكلة التي ينوي حلها. ولكن بمرور الوقت ، فإن بعض معلمات التحكم في النظام - لنقل قوة مجاله الكهرومغناطيسي - ستتغير تدريجيًا ، حتى ينتهي الأمر بالنظام بتشفير المشكلة الأكثر صعوبة. إذا حدث التغيير ببطء كافٍ ، فسيظل النظام في حالته الأساسية ، لذلك سينتهي به الأمر لتمثيل حل المشكلة.

يعتقد بعض الناس أنه إذا كان لديك جهاز كمبيوتر كمي كان مطلوبًا للبقاء في حالته الأساسية - على سبيل المثال ، بجعله شديد البرودة - فقد يجعل ذلك النظام أقل عرضة للخطأ ، كما يقول فارحي. لأنه إذا كنت دائمًا باردًا ، وكنت دائمًا في حالة قاسية ، فمن المحتمل أن يكون هذا مكانًا أسهل للتواجد فيه مقارنة بحالة الإثارة التي يتعين عليك التحكم فيها بعناية.

تكمن مشكلة النهج الثابت في أن النظام يجب أن يتغير ببطء لمنعه من القفز إلى حالة طاقة أعلى ، ولا أحد يعرف مدى البطء الكافي. يقول فارحي إذا كان بطيئًا للغاية ، فنحن نعلم أنه سينجح. ولكن إذا كان على النظام أن يتغير ببطء شديد ، فلن يقدم أي مزايا على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

يواصل فارحي التحقيق في مسألة مدى السرعة التي يمكن أن يتغير بها نظام الحوسبة الكمومية الثابتة ، سواء من خلال النمذجة الحاسوبية للأنظمة البسيطة نسبيًا أو من خلال التحليل الرياضي. في غضون ذلك ، في عام 2002 ، اقترح لويد وبيل كامينسكي ، وهو طالب دراسات عليا في مجموعته ، طريقة لإنشاء كمبيوتر كمي ثابت الحرارة باستخدام دوائر كهربائية فائقة التوصيل ، حيث يمكن أن يكون تدفق التيار في حالة تراكب: بشكل فعال ، يتدفق التيار في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة عند ذات مرة. يمثل اتجاه التدفق الحالي قيمة الكيوبت ، وتعتمد الطاقة الإجمالية للنظام على اتجاه التدفق الحالي في الدوائر المجاورة. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي ، تدخل التيارات في التراكب. عند القياس ، يستقر النظام في أدنى حالة طاقة له ، ويكشف عن الإجابة. بعد ذلك بعامين ، لويد. ويم فان دام ، باحث ما بعد الدكتوراة في مجموعة فارحي ؛ وأربعة باحثين آخرين من أربع جامعات مختلفة أثبتوا أن الكمبيوتر الكمي ثابت الحرارة يمكنه ، من حيث المبدأ ، إجراء أي عملية حسابية يستطيع الكمبيوتر الكمومي التقليدي القيام بها.

في عام 2007 ، عرضت شركة في برنابي ، كولومبيا البريطانية ، ما قالت إنه كمبيوتر كمي ثابت الحرارة بسعة 16 كيوبت يستخدم دوائر فائقة التوصيل. في نهاية عام 2008 ، أعلنت شركة D-Wave أنها حصلت على عدد كيوبت يصل إلى 128. كان العديد من الخبراء متشككين ، ولكن في طبيعة سجية أظهر باحثو D-Wave ، المنشور في وقت سابق من هذا العام ، أن خليتهم المكونة من ثمانية كيوبتات تظهر بالفعل تأثيرات كمية. جمعت الشركة أكثر من 65 مليون دولار من التمويل ، وفي مايو باعت أول جهاز تجاري لها ، 128-qubit D-Wave One ، إلى شركة Lockheed Martin.

تجاوز الحواسيب العملاقة

جزء من مشكلة العروض التوضيحية مثل D-Wave ، أو حتى مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية NMR مثل Chuang ، هو أن الدوائر الكمومية بسيطة للغاية لإجراء حسابات لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها. يحاول سكوت آرونسون ، الأستاذ المشارك في علوم الكمبيوتر والذي يبلغ من العمر 30 عامًا ، وهو أصغر باحثي الحوسبة الكمومية البارزين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، معالجة هذه المشكلة ، على حد تعبيره ، من خلال مقابلة التجريبيين في منتصف الطريق.

في عام 2011 ، اقترح آرونسون وتلميذه الخريج ألكسندر أركييبوف تجربة ، إذا نجحت ، فإنها ستؤدي عملية حسابية لا تستطيع حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم إجراؤها. يعتقد أن الإعداد التجريبي يجب أن يكون أبسط بكثير من بناء جهاز كمبيوتر كمي واسع النطاق.

ستستخدم التجربة سلسلة من مقسمات الأشعة ، وهي أجهزة مستخدمة في الشبكات الضوئية لتقسيم أشعة الليزر إلى قسمين. في عام 1987 ، اكتشف علماء الفيزياء في جامعة روتشستر أنه إذا وصل فوتونان إلى مقسم الحزمة في نفس الوقت بالضبط ، فإن التفاعلات الميكانيكية الكمومية ستجبر كلاهما على التحرك يمينًا أو يسارًا. لن يخرجوا أبدًا ، كما يتنبأ قانون الاحتمالات ، من مقسم الحزمة في اتجاهات مختلفة.

يقترح آرونسون وأرخيبوف توجيه عدد محدود من الفوتونات - لنقل 20 - عبر سلسلة من مقسمات الحزمة إلى مجموعة من كواشف الضوء - لنفترض أن حوالي 400. حساب التردد الذي ستصل به أعداد مختلفة من الفوتونات إلى كواشف مختلفة ربما يكون أبعد من القدرة الحسابية لجميع أجهزة الكمبيوتر في العالم. ولكن ، كما أثبت آرونسون وأرخيبوف ، يتم أيضًا حساب النتائج المعقولة إحصائيًا حتى بضع عشرات من التجارب. ومع ذلك ، فهذه مشكلة يمكن أن تحلها بضع عشرات من التجارب الناجحة.

عندما وصفوا تجربتهم لأول مرة ، قال تيري رودولف ، زميل أبحاث متقدم في مجموعة البصريات الكمومية وعلوم الليزر في إمبريال كوليدج لندن ، إن لديها القدرة على تجاوز ما أود تسميته 'التفرد الكمي' ، حيث نفعل أول شيء لا يمكننا القيام به كميًا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي.

تناول الفيزيائيون التجريبيون في العديد من الجامعات تحدي آرونسون وأرخيبوف وهم واثقون من أنه في وقت قصير نسبيًا سيحصلون على التجربة مع ربما أربعة فوتونات. سيستغرق إصدار يحتوي على 20 فوتونًا وقتًا أطول ، وقد يستغرق الكمبيوتر الكمومي الذي يعمل بكامل طاقته وقتًا أطول. ولكن عندما يتم بناء هذا الكمبيوتر أخيرًا ويتم كتابة تاريخ اختراعه ، سيتم ترصيع الفصول الأولى بأسماء أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

مؤشر With

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به