شرح الحواسيب الكمية: كيف تعمل الكيوبتات ولماذا يهمنا الآن

يخزن الحاسوب الكلاسيكي المعلومات في بتات تكون إما 0 أو 1، مثل مفتاح مضاء أو مطفأ. يستخدم الحاسوب الكمي بدلاً من ذلك كيوبتات، التي تمكنها من تمثيل 0 أو 1 أو مزيجاً مرجحاً من كليهما في نفس الوقت، وفقاً لشارح IBM الرسمي حول الحوسبة الكمية. تسمى هذه الخاصية التراكب، وهي أحد الأسباب التي تجعل الآلات الكمية قادرة على استكشاف عدة إجابات محتملة لمشاكل معينة بالتزامن بدلاً من واحدة تلو الأخرى.

الفيزياء وراء الجهاز

تحدد IBM أربع تأثيرات لميكانيكا الكم تجعل الحوسبة الكمية ممكنة: التراكب والتشابك والتداخل وفقدان الاتساق. يربط التشابك الكيوبتات بحيث يكشف قياس أحدها عن معلومات حول آخر، حتى عندما يكون الاثنان منفصلين فيزيائياً. يسمح التداخل بدائرة كمية بتضخيم الإجابات الصحيحة وإلغاء الإجابات الخاطئة، بنفس الطريقة التي تعزز بها الموجات المتداخلة بعضها أو تلغي. فقدان الاتساق هو التأثير المعاكس - انهيار الحالات الكمية إلى قيم كلاسيكية عادية - وهو العائق الرئيسي الذي يجب على المهندسين قمعه للحفاظ على معالج كمي مفيد، وفقاً لـ IBM.

يمكن بناء الكيوبتات من عدة أنظمة فيزيائية، منها الدوائر فائقة التوصيل المبردة إلى قرب الصفر المطلق، والأيونات المحاصرة، والنقاط الكمية والفوتونات. تعتمد معالجات IBM الكمية الخاصة على الدوائر فائقة التوصيل لأنه يمكن تصنيعها والتحكم بها باستخدام تقنيات تصنيع الرقائق الموجودة بالفعل، وفقاً لـ IBM.

ميزة قابلة للتحقق: شريحة Willow من جوجل

في 22 أكتوبر 2025، أعلنت جوجل أن معالج Willow بـ 105 كيوبت حقق ما أسمته الشركة أول ميزة كمية قابلة للتحقق، باستخدام خوارزمية أطلقت عليها Quantum Echoes، وفقاً لمدونة جوجل الرسمية. تُرسل الخوارزمية إشارة إلى مجموعة من الكيوبتات، وتشوه واحدة منها، ثم تعكس تطور الإشارة للاستماع لصدى مُضخّم ينشأ من التداخل البناء.

أبلغت جوجل أن Quantum Echoes عملت بسرعة أكبر بـ 13,000 مرة على Willow من أفضل خوارزمية كلاسيكية معروفة تعمل على أحد أسرع أجهزة الحاسوب العملاقة في العالم. أكدت الشركة أنه، بخلاف ادعاء الهيمنة الكمية في 2019، هذه النتيجة 'قابلة للتحقق' - يمكن تكرارها على أجهزة كمية مماثلة والتحقق من صحتها، بدلاً من الاعتماد على مهمة أخذ عينات بدون طريقة مستقلة للتحقق من النتيجة.

بالعمل مع باحثين من جامعة كاليفورنيا بيركلي، استخدمت جوجل الخوارزمية لدراسة إشارات الرنين المغناطيسي النووي (NMR) من جزيئات تحتوي على 15 و28 ذرة، مما يشير إلى استخدامات محتملة في المستقبل في اكتشاف الأدوية وتطوير مواد البطاريات وتصميم كيوبتات جديدة، وفقاً لنفس إعلان جوجل.

مسار IBM من 'الفائدة' إلى تحمل الأخطاء

تميز IBM بين عدة مراحل من التقدم. تقول الشركة إنها وصلت إلى 'الفائدة الكمية' في 2023، بمعنى أن معالجاتها الكمية تفوقت على الطرق الكلاسيكية التقريبية في مهام محددة. قالت IBM أنها تتوقع الوصول إلى 'الميزة الكمية' - التفوق على جميع الطرق الكلاسيكية المعروفة على مشكلة عملية - بحلول أواخر 2026، وفقاً لنظرة IBM الخاصة على الحوسبة الكمية.

بعد ذلك، نشرت IBM خريطة طريق نحو الحوسبة الكمية المتسامحة مع الأخطاء، حيث يتم الكشف عن الأخطاء وتصحيحها قبل أن تفسد الحسابات. تصف خريطة الطريق شريحة تسمى Quantum Loon أطلقت في 2025 مع اتصالية كيوبت محسّنة لتجارب إثبات المفهوم نحو رموز qLDPC عالية المعدل، ووحدة تسمى Quantum Kookaburra مخطط لها في 2026 تخزن المعلومات باستخدام ذاكرة فحص التكافؤ الكمي منخفضة الكثافة (qLDPC)، ونظام يسمى Starling موجه للعام 2029 تقول IBM إنه يجب أن يعمل 100 مليون بوابة كمية على 200 كيوبت منطقي. يستخدم نهج تصحيح الأخطاء في IBM ما تسميه 'رموز الدراجات ثنائية المتغير'، بما في ذلك 'رمز إجمالي [[144,12,12]]' تقول الشركة إنه يحتاج إلى ما يقرب من عشرة أضعاف عدد الكيوبتات الفيزيائية أقل من طرق رموز السطح السابقة لتحقيق نفس الحماية من الأخطاء.

لماذا يتم إعادة كتابة التشفير بالفعل

تهم الحواسيب الكمية خارج المعمل بسبب خوارزمية Shor، طريقة رياضية نشرها Peter Shor في 1994 توضح أن حاسوباً كمياً قوياً بما يكفي يمكنه تحليل الأرقام الكبيرة - وبالتالي كسر التشفير المستخدم على نطاق واسع بنمط RSA - أسرع بكثير من أي حاسوب كلاسيكي، كما تلاحظ نظرة IBM.

هذا الخطر ليس افتراضياً بالنسبة لهيئات المعايير. في 13 أغسطس 2024، أنهت المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) أول ثلاثة معايير تشفير ما بعد الكم: FIPS 203 (ML-KEM) للتشفير العام، و FIPS 204 (ML-DSA) و FIPS 205 (SLH-DSA) للتوقيعات الرقمية، وفقاً لإعلان NIST الرسمي. قال Dustin Moody، عالم الرياضيات في NIST، أن المنظمات يجب أن 'تبدأ دمجها في أنظمتها فوراً، لأن التكامل الكامل سيستغرق وقتاً.'.

ما الذي لا تمثله الحواسيب الكمية

تؤكد مواد IBM أن الحواسيب الكمية ليست ببساطة نسخ أسرع من أجهزة الكمبيوتر العادية؛ فهي مناسبة لفئات محددة من المشاكل - مثل محاكاة الجزيئات والتفاعلات الكيميائية وبعض مهام التحسين أو التعلم الآلي - حيث ينمو عدد المتغيرات المتفاعلة بحيث يصعب على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية تتبعها بكفاءة. بالنسبة للمهام اليومية مثل معالجة الكلمات أو تصفح الويب، تظل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أكثر عملياً.