على مر التاريخ، تكونت التقنية البشرية من
أدمغتنا، النار، والعصيّ الحادة.
بالرغم من أن النار والعصي الحادة تحولت إلى محطات كهرباء وأسلحة نووية
التحديث الأكبر كان لأدمغتنا
منذ ستينات القرن الماضي، قدراتنا الذهنية أخذت بالتضاعف
مما سمح للكمبيوترات بأن تصبح أصغر وأقوى في الوقت ذاته.
ولكن هذه العملية مقبلة على حدودها الفيزيائية
أجزاء الحاسب الآلي تكاد تصبح بحجم الذرة
لإيضاح لماذا تعتبر هذه مشكلة، يجب توضيح بعض الأساسيات.
الحاسب الآلي مبني من أجزاء بسيطة جدًا تقوم بأشياء بسيطة جدًا،
تمثيل البيانات، إمكانية معالجتها ، وآليات التحكم.
شرائح الحاسبات تحتوي على وحدات
والتي بدورها تحتوي على بوابات، وتحتوي تلك البوابات على "مقاحل"
المقحل (مقاوم النقل) هو أبسط أشكال معالجات البيانات في الكمبيوترات
بشكل أبسط، هو مفتاح من الممكن أي يفتح أو يغلق
الطريق على المعلومات المارة.
هذه المعلومات مكونة من وحدات تدعى Bits والتي يمكن أن تكون أحد القيميتين صفر أو واحد
سلسلة من هذه الوحدات (Bits) تستخدم لتمثيل معلومات أكثر تعقيدًا
المقاحل (مقاومات النقل) تعمل سوية لتمثل بوابات منطقية، والتي تقوم بأشياء بسيطة جدًا.
مثلًا، مخرجات البوابة المنطقية "وَ" تكون 1 في حالة جميع كانت المدخلات 1
في أي حالة أخرى يكون المخرج 0
مجموعات البوابات المنطقية تشكل الوحدات نافعة
مثلًا، لإضافة عددين
متى ما استطعت الجمع، ستتمكن من الضرب، ومتى ما تمكنت من الضرب،
ستتمكن من فعل أي شيء
وبما أن جميع العمليات الأساسية أسهل من رياضيات الصف الأول،
يمكنك تخيل الكمبيوتر كمجموعة من الأطفال بعمر السابعة
يقومون بالإجابة على أسئلة الرياضيات الأساسية
عدد كافٍ منهم سيتمكن من حساب أي شيء، من الفيزياء الفلكية لزيلدا.
وبما أن الأجزاء أصبحت أصغر وأصغر،
الفيزياء الكمية جعلت الأشياء أكثر تعقيدًا.
بشكل مختصر، المقحل هو مفتاح كهربائي.
الكهرباء هي إلكترونات تتحرك من مكان لآخر،
فالمفتاح هو ممر قادر على منع الإلكترونات من التحرك في اتجاه واحد.
اليوم، الحجم المعتاد لمقحل ما هو 14 نانومتر،
أي أقل من قطر فيروس الاتش آي في بثمان مرات
وأقل ب 500 مرة من خلية دم حمراء.
بينما تصغر المقاحل لتصبح بحجم عدد قليل من الذرات،
قد تقوم الإلكترونات بتحريك نفسها إلى الجزء المغلق من الممر
عن طريق عملية تدعى "النفق الكمي".
في العالم الكمي، الفيزياء تعمل بشكل مختلف تمامًا
عن الشكل القابل للتوقع الذي اعتدنا عليه
فلذلك الكمبيوترات التقليدية لا تصبح منطقية هنا.
نحن نقترب من عائق فيزيائي حقيقي لتطورنا التقني.
ولحل هذه المشكلة، يحاول العلماء أن
يستخدموا تلك الخصائص الكمية الغريبة لصالحهم
عن طريق بناء كمبيوترات كمية.
في الكمبيوترات العادية، ال Bits هي أصغر الوحدات لتمثيل المعلومات.
الكمبيوترات الكمية تستخدم الـ Qubits والتي يمكن أن تحمل واحدة من قيمتين
ال Qubit يمكن أن يكون أي نظام كمي ثنائي المستوى،
كدورة في حقل مغناطيسي أو كفوتون منفرد.
الصفر والواحد هما الحالتين الممكنة لهذا النظام،
كالاستقطاب العمودي أو الأفقي للفوتون.
في العالم الكمي، لا يجب على ال Qubit أن يكون في حالة واحدة فقط من هاتين الحالتين:
بل يمكن أي يكون في كلا الحالتين بنسب متفاوتة.
ويسمى هذا المفهوم بـ "مبدأ التراكب"
ولكن متى ما قمت بالتحقق من القيمة، مثلًا عن طريق إرسال الفوتون من خلال فلتر،
فيجب عليه أن يقرر ما إذا كان استقطابه عموديًا أو أفقيًا.
إذن، وطالما أنه لم يتم التحقق منه، فإن ال Qubit سيكون خاضعًا لمبدأ التراكب
فيما يتعلق بالصفر والواحد فلا يمكن التنبؤ بما ستكون الحالة عليه.
ولكن متى ما قمت بالتحقق منه، فسيتحول تلقائيًا لإحدى الحالات.
مبدأ التراكب سيغير كل شيء.
أربعة Bits تقليدية يمكن أن تكون في واحدة من 2 مرفوعة للقوة الرابعة
تراتيب مختلفة في أي وقت معطى
أي 16 ترتيب محتمل يمكنك أن تختار واحد منها فقط.
ولكن، أربعة Qubits في مبدأ التراكب،
قادرة على أن تكون في جميع الترايب ال 16 في نفس الوقت
ويتزايد الرقم بشكل تضاعفي مع كل Qubit إضافي.
20 Qubit قادرة على تخزين مليون قيمة بشكل متوازٍ.
كما أن هناك خاصية غريبة وغير بديهية لل Qubits
هي "التشابك"، وهي رابط قوي يجعل كل Qubit
يتفاعل مع التغير في حالة ال Qubit الآخر بشكل لحظي،
مهما بلغت المسافة بينهما.
ذلك يعني أنه بالتحقق من حالة Qubit متشابك واحد،
يمكن حساب خصائص ال Qubit المتشابكة معه بشكل مباشر دون الحاجة للتحقق منها.
التلاعب بال Qubit عملية مدهشة أيضًا.
البوابة المنطقية العادية، تستقبل مجموعة بسيطة من المدخلات
وتُنتج مُخرجًا محددًا واحدًا.
البوابات الكمية، تستقبل مدخلات متراكبة،
ثم تقوم بتدوير الاحتمالات، وتنتج مخرج متراكب.
إذن، الكمبيوتر الكمي يقوم بإنشاء Qubits، ثم يقوم بتمريرها عبر البوابات الكمية لتتشابك
وللحصول على الاحتمالات، ليقوم أخيرًا بالتحقق من المخرج،
معيدًا المتراكبات إلى سلسلة من الأصفار والواحدات.
وذلك يعني أنك تحصل على جميع الحسابات الممكنة
بناء على مدخلاتك دفعة واحدة بنفس الوقت.
في النهاية، يمكنك أن تقيس أحد النتائج
ويحتمل أن تكون الوحيدة التي تريدها أنت،
ولذلك ربما ستضطر لإعادة التحقق والتجربة مرة أخرى.
ولكن باستغلال التراكب والتشابك بشكل ذكي،
قد يكون ذلك أكثر كفاءة بأضعاف
مما سيكون ممكنًا بكمبيوتر حالي على الإطلاق.
إذن، ورغم أن الكمبيوترات الكمية لن تحل محل كمبيوتراتنا المنزلية،
إلا أنها ستكون أكثر كفاءة بشكل كبير في جوانب أخرى.
أحد هذه الجوانب هي البحث في قواعد البيانات.
لإيجاد شيء ما في قاعدة بيانات،
قد يضطر الكمبيوتر العادي لاختبار كل واحدة من البيانات المدخلة.
الكمبيوترات الكمية تحتاج مدة مساوية للجذر التربيعي للوقت الذي يحتاجه الكمبيوتر العادي
وذلك يمثل فارق شاسع جدًا بالنسبة لقواعد البيانات الكبيرة
الاستخدام الأكثر شيوعًا للكمبيوترات الكمية ، هو تخريب أمن تقنية المعلومات
حاليًا، تصفحك للإنترنت، والبريد الإلكتروني، والبيانات البنكية
يتم تأمينها عن طريق نظام تشفير، بحيث تعطي الآخرين
مفتاح عام، لفك شفرة رسائل أنت فقط يمكنك تشفيرها.
المشكلة هي أن هذا المفتاح العام من الممكن أن يستخدم
لحساب مفتاحك الخاص السري.
لحسن الحظ، القيام بالحسابات الضرورية لذلك على كمبيوتر عادي
سيستغرق - حرفيًا - سنوات من التجربة والخطأ.
ولكن الكمبيوتر الكمي، ذو السرعات المضاعفة
سيتمكن من القيام بها بلحظات.
استخدام آخر شيّق للكمبيوترات الكمية هو في المحاكاة
المحاكاة للعالم الكمي ثقيلة جدًا على الموارد
وحتى في البنى الأكبر مثل الجزيئات
غالباً تفتقد للدقة
إذا لماذا لا تتم محاكاة الفيزياء الكمومية مع الفيزياء الكمومية الحقيقة؟
المحاكي الكمي يمكن أن يوفر رؤى جديدة على البروتينات
مما يساهم في ثورة في الطب
الآن لا نعلم إذا كانت الحواسيب الكمومية ستكون
فقط أداة متخصصة أو ثورة بشرية ضخمة
ليس لدينا فكرة ما هي حدود التكنولوجيا
وهناك طريقة واحدة لمعرفة ذلك!
هذا الفيديو برعاية الأكاديمية الأسترالية للعلوم
والتي ترعى وتشجع التفوق في العلم
لمعرفة أكبر عن هذا الموضوع ومواضيع آخرى على
العمل معهم كان دفعة قوية لنا، قم بزيارة موقعهم
فيديوهاتنا أصبحت موجودة بفضل دعمكم على Patreon.com
إذا أردت أن تدعمنا وتكون جزء من فريق Kurzgesagt
قم بزيارة صفحتنا على Patreon