أصبحت الحوسبة الكمومية ساحة المعركة المميزة للتنافس التكنولوجي في القرن الحادي والعشرين بين الولايات المتحدة والصين.
تتجاوز المخاطر السرعة الحسابية: في القضية هو من الذي سيبني البنية التحتية التكنولوجية للمستقبل ، من سلاسل التوريد الذكية والطب الشخصي إلى التواصل بين الآثار الكمومية والروبوتات المحسّنة AI.
الحوسبة الكمومية ليست فقط معركة الأجهزة. إنها معركة للبنية التحتية في القرن الحادي والعشرين.
يجمع الحوسبة الكمومية بين مبادئ الحوسبة مع تلك الموجودة في ميكانيكا الكم. في عام 1981 ، أشار الفيزيائي الكمومي الأمريكي ريتشارد فاينمان إلى أن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، سواء كانت التناظرية أو الرقمية ، تكافح لمحاكاة الظواهر الكمومية بكفاءة.
وقال إن نظام الكم فقط هو الذي يمكنه محاكاة نظام كمي آخر باستخدام السلوكيات الغريبة للجزيئات دون الذرية كموارد حسابية. سأل فاينمان: “هل يمكننا بناء جهاز كمبيوتر يعمل مثل الكون نفسه؟”
بدأت هذه الرؤية في اتخاذ شكل ملموس في عام 1985 ، عندما نشر الفيزيائي البريطاني ديفيد دويتش ورقة بارزة بعنوان “نظرية الكم ، مبدأ ترن الكنيسة ، والكمبيوتر الكمومي العالمي”.
اقترح Deutsch إطارًا نظريًا لجهاز كمبيوتر كمي عالمي ، حيث قدم مفهوم البوابات والدوائر الكمومية ، ولبنات البناء من الخوارزميات الكمومية. وضعت Deutsch الهندسة الأساسية للحقل الكامل للحوسبة الكمومية.
في جوهر أجهزة الكمبيوتر الكم هو Qubit ، أو بت الكم. على عكس البتات العادية في أجهزة الكمبيوتر الرقمية (الثنائية) ، والتي هي إما 0 أو 1 ، يمكن أن تكون Qubit 0 و 1 في نفس الوقت ، وذلك بفضل خاصية ميكانيكية الكم الخاصة تسمى التراكب.
يمكّن ذلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية من حل مشكلات محددة ، مثل جزيئات النمذجة ، أو تحسين الأنظمة ، أو تأمين البيانات ، أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية. يمكن إنشاء Qubits بطرق مختلفة ، مثل استخدام تدور جزيئات صغيرة مثل الإلكترونات أو خصائص الضوء ، اعتمادًا على المهمة المحددة.
عادةً ما يتم تصور Qubit على أنها كرة ، تُعرف باسم Bloch Sphere ، والتي يمكن اعتبارها بوصلة ثلاثية الأبعاد. يوفر الهيكل المنفصل (الأقطاب 0 و 1) السقالات الحسابية: البوابات والدوائر والخوارزميات.
سواء كانت 0 أو 1 قد يعتمد على السياق. العمليات الحسابية داخل كرة Bloch التناظرية. تعتمد خوارزميات الكم على هذا التفاعل لتحقيق سرعات أسية في حل مشاكل محددة.
وصلت أول أجهزة الكمبيوتر الكمومية التجريبية في أواخر التسعينيات. في عام 1998 ، قام الباحثون في Oxford و MIT ببناء كمبيوترًا كميًا أساسيًا من مساعدين يستخدمون تقنيات الرنين المغناطيسي النووي (الرنين المغناطيسي النووي).
على الرغم من أنه محدود في الوظيفة ، إلا أنه كان بمثابة دليل على المفهوم. منذ عام 2000 فصاعدًا ، أصبحت الحوسبة الكمومية سباقًا تكنولوجيًا عالميًا ، يشمل الأوساط الأكاديمية والحكومات وعمالقة التكنولوجيا والشركات الناشئة.
تفوق الكم
في عام 2006 ، الصين دخلت سباق الحوسبة الكمومية عندما أعلنت الحكومة عن خريطة طريق للعلوم والتكنولوجيا لعام 2020 ، مع تحديد “التحكم الكمومي” كمجال رئيسي في البحث الأساسي.
في عام 2021 ، كانت خطتها الرابعة عشرة لمدة خمس سنوات ، والتي احتلت المعلومات الكمية في المرتبة الثانية بين مجالات العلوم والتكنولوجيا المتطورة ، خلف الذكاء الاصطناعي (AI). في مارس من هذا العام ، أطلقت الصين صندوقًا وطنيًا تريليون يوان (حوالي 138 مليار دولار أمريكي) ، مستهدفًا بشكل صريح الحوسبة والتقنيات ذات الصلة.
كانت تقدم الصين في الحوسبة الكمومية مذهلة. في عام 2020 ، كشف العلماء في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) عن Jiuzhang ، وهو جهاز كمبيوتر كمي ضوئي قام بمهمة في 200 ثانية من شأنه أن يستغرق الحاسوب الفائق الكلاسيكي على مدار 2.5 مليار سنة. الإصدارات اللاحقة ، مثل Jiuzhang 2.0 ، تحسين الأداء.
في عام 2021 ، كشف الباحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) عن Zuchongzhi 2.1 ، وهو معالج كميات فائق الموصلات 66 مسافة أظهر ميزة كمية كبيرة على الحاسبات الفائقة الكلاسيكية.
في عام 2023 ، أعلن نفس الفريق عن Zuchongzhi 3.0 ، وهو معالج 105 مساعًا يزيد عن معايير الأداء المتقدمة ، يتفوق على المعايير السابقة ، بما في ذلك تجربة Sycamore لعام 2019 من Google ، بعامل يصل إلى مليون في مهام أخذ العينات المحددة.
تؤكد هذه الإنجازات على التقدم السريع للصين في تحجيم الأجهزة وتحسين النظام.
كما اتخذت الصين قفزة كبيرة إلى الأمام في بناء شبكة اتصال كمية عالمية من خلال إنشاء صلة توزيع مفتاح كمومي فائقة الثمن (QKD) بين بكين وجنوب إفريقيا.
يمثل الاختراق أحدث معلم في برنامج الكمية الطموحة في الصين على مقياس الفضاء (QUESS) ، والذي يتركز حول القمر الصناعي Micius (المعروف أيضًا باسم Mozi) ، الذي تم إطلاقه في عام 2016.
مكّن Micius العديد من الإنجازات البارزة في الاتصالات الكمومية ، بما في ذلك مكالمة فيديو مدفوعة الكموات لعام 2017 بين الصين والنمسا ، والتي تغطي 7600 كيلومتر ، وتجارب اتصال آمنة مع روسيا.
توزيع مفتاح الكم (QKD) هو وسيلة لنقل مفاتيح التشفير باستخدام جزيئات الكم ، مثل الفوتونات. إذا تم اعتراضها ، فإن هذه المفاتيح الكمومية تنهار ، وتنبيه المستخدمين إلى خرق ، وبالتالي ضمان مستوى من الأمان غير قابل للتصبح بالطرق الكلاسيكية.
استخدمت أحدث مظاهرة في الصين السفليات الدقيقة والميكرية في الصين جنبًا إلى جنب مع محطات أرضية متنقلة ، مما يشير إلى تحول من الإعدادات التجريبية إلى الأنظمة القابلة للنشر.
وفقًا لـ Yin Juan ، العالم الرائد وراء Micius ، فإن هذا العرض التوضيحي هو جزء من خطة الصين لإطلاق خدمة اتصال كمية عالمية بحلول عام 2027 ، واستهداف بلدان Brics والشركاء الاستراتيجيين الآخرين.
قوة أمريكا
في حين أن جهود الحوسبة الكمومية الصينية منسقة مركزية وتتقودها الدولة ، فإن الولايات المتحدة تزدهر على نموذج من الابتكار اللامركزي ، على مستوى القاعدة على مستوى صناعة التكنولوجيا الرائدة في العالم ، والمؤسسات الأكاديمية ، والنظام الإيكولوجي لرأس المال الاستثماري.
يتقدم اللاعبون الرئيسيون ، بما في ذلك Google و IBM و Microsoft و Rigetti ، بتصنيع أجهزة كمية متنوعة ، مثل Qubits الفائقة ، والمنصات الهجينة التي تدمج المعالجات الكمومية مع الخلفية الحاسوبية الكلاسيكية.
حدثت واحدة من أبرز المعالم البارزة في عام 2019 ، عندما حقق معالج Sycamore من Google تفوقًا كميًا ، واستكمال مهمة حسابية في 200 ثانية من شأنه أن يستغرق الحوسبة الفائقة الكلاسيكية ما يقدر بنحو 10،000 عام. (يتم تعريف التفوق الكمومي على أنه يوضح تفوق الكمبيوتر الكمومي على الأنظمة الكلاسيكية في مهمة محددة.)
بناءً على هذا النجاح ، كشفت Google النقاب عن معالج الصفصاف في عام 2024 ، مما يدل على التقدم نحو الحوسبة الكمومية التي تتحمل الأخطاء من خلال تنفيذ Qubits المنطقية المصححة بالأخطاء-خطوة حاسمة نحو تطبيقات الكم القابلة للتطوير.
على الرغم من أن الولايات المتحدة لديها بعض التنسيق الوطني (قانون المبادرة الكمية الوطنية (2018) والتمويل الحكومي) ، فإن قوتها تكمن في نظام بيئي نابض بالحياة يتميز بتنوع المقاربات ، والتعاون متعدد التخصصات وثقافة التجربة عالية المخاطر والهجة.
يشجع نموذج الابتكار في Silicon Valley النماذج الأولية والتصميم التكراري والجداول الزمنية للتسويق العدوانية. تتلقى الشركات الناشئة الكمومية دعمًا كبيرًا من المستثمرين العامين والخاصين ، مما يتيح تجربة موازية عبر التقنيات المختلفة وحالات الاستخدام.
علاوة على ذلك ، تواصل الولايات المتحدة قيادة الأبحاث النظرية التأسيسية. يبقى في طليعة تصحيح الخطأ الكمومي ، وتطوير الخوارزمية الكمومية واستراتيجيات التكامل الكمومي والكمومي الهجين ، وكلها ضرورية لتحويل الحوسبة الكمومية من الفضول المرتبط بالمختبر إلى تقنية صناعية تحويلية.
تضع العلاقة بين البحث الأكاديمي ، والبحث والتطوير في الشركات وديناميكية تنظيم المشاريع الولايات المتحدة كقوة هائلة ومرنة في العصر الكمومي.
دمج التناظرية والرقمية
سيحول الحوسبة الكمومية كيفية تفاعل البشر مع الآلات.
من خلال دمج نقاط القوة لكل من الحساب التناظري والرقمي ، يعد بإعادة تشكيل واجهات الآلة البشرية (HMIS) وتسريع تقارب الذكاء الاصطناعي والروبوتات وتقنيات الاستشعار المتقدمة. تفتح هذه القدرة الهجينة الباب على آلات أكثر سهولة واستجابة وتكيفية يمكن أن تتعامل مع العالم بطرق أقرب إلى طريقة تفكير البشر ويشعرون بها.
تعتمد الحوسبة الثنائية التقليدية على البتات المنفصلة والمنطق الرمزي والمعالجة القائمة على القواعد. على النقيض من ذلك ، فإن التجربة الإنسانية تناظرية بطبيعتها: نشعر بالعالم في تدفقات ناعمة ومستمرة من الإدراك والحركة والعاطفة والنية. يحد هذا عدم التطابق الأساسي من قدرة الآلات الحالية على تفسير الحالات البشرية المعقدة مثل المزاج أو التركيز أو النية.
الحوسبة الكمية الجسور هذه الفجوة. كنظام مختلط ، فإنه يجمع بين سيولة الأنظمة التناظرية مع بنية المنطق الرقمي ، مما يوفر منصة جديدة قوية لبناء الآلات التي يمكن أن تعالج المدخلات الحسية المستمرة واتخاذ قرارات منفصلة حساسة للسياق.
في مجال الروبوتات ، يكون التوتر بين الأنظمة التناظرية والرقمية واضحًا بشكل خاص. تتضمن الحركة التي تشبه الإنسان حل مسارات الحركة المستمرة مع اتخاذ قرارات منفصلة في وقت واحد ، مثل وقت التوقف أو تشغيل أو فهم كائن. يصعب على هذا المزيج من ديناميات السوائل والمنطق الرمزي على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لإدارة بكفاءة.
ينشأ تحدٍ مماثل في واجهات الحاسوب الدماغ (BCIS). نشاط الدماغ هو التناظرية بطبيعته ، معبراً عنه من خلال الموجات المستمرة والتقلبات الدقيقة في الأنماط الكهربائية. يتطلب ترجمة هذه الإشارات إلى أوامر منفصلة للأنظمة الرقمية قوة ودقة هائلة.
تفتح الحوسبة الكمومية إمكانية التحكم العقلي في الوقت الفعلي للأجهزة الخارجية ، وحتى ظهور البيئات المعرفية المشتركة حيث تتدفق المعلومات بسلاسة بين الإنسان والآلة. في مثل هذه الأنظمة ، يمكن استشعار النية والاهتمام والعاطفة ، فك تشفيرها والاستجابة لها بسرعة غير مسبوقة وحساسية.
سيناريوهات المستقبل
إلى جانب منافسة الأجهزة ، ستركز القيادة طويلة الأجل في الحوسبة الكمومية على تكامل التقنيات المختلفة. لا تزال الصين تتخلف عن الولايات المتحدة في الأبحاث الأساسية ، بما في ذلك تطوير أنظمة تحمل الأخطاء.
ومع ذلك ، فإن الصين في وضع جيد لتلعب دورًا رائدًا في دمج الحوسبة الكمومية ، الذكاء الاصطناعي والروبوتات ، وذلك بفضل مزيجها الفريد من القدرات الصناعية ، وتنسيق السياسة ، والبنية التحتية العامة الحديثة.
على مستوى الأجهزة ، لا مثيل لها في قدرتها على إنتاج مكونات الكم و AI على نطاق واسع. لقد حققت اختراقات في التقنيات الرئيسية مثل معالجات الكم الفائقة ، والحوسبة الضوئية وأنظمة التحكم القابلة للتطوير.
في الوقت نفسه ، تقود الصين العالم في تصنيع الروبوتات ، وتنتج شركاتها المحلية رقائق أسرع منظمة العفو الدولية مثل صعود هواوي. تمنح سلسلة التوريد المتكاملة رأسياً الصين ميزة مميزة في بناء أنظمة كمية و AI والأنظمة الآلية المقترنة بإحكام.
تقوم الصين أيضًا بتوسيع تأثيرها الجيوسياسي من خلال صادرات التكنولوجيا ، مثل روابط التوزيع الرئيسية الكمومية مع النمسا وروسيا وجنوب إفريقيا ، وكذلك أنظمة الروبوتات وأنظمة الذكاء الاصطناعي في جميع أنحاء العالم العالمي.
لا يقتصر طموحها على إتقان هذه التقنيات ، بل لتشكيل المعايير والبنية التحتية العالمية ، وخاصة بين البريكس والبلدان على الطرق.
ستزيد الحوسبة الكمومية تدريجياً من قدراتها وتتوسع إلى المزيد من المجالات. سيكون المستخدمون الأساسيون هم الشركات الصيدلانية والكيميائية والمؤسسات المالية والعمالقة التقنية والحكومات ومؤسسات الأبحاث المشاركة في نمذجة المناخ.
قد يتمكن المستخدمون الأصغر وربما المستهلكين من استئجار “وقت الحوسبة الكمومية” في السحابة الكمومية. (لن يكون هناك جهاز كمبيوتر الكم على كل مكتب ، ولكن ربما محطة الكم.)
لا تزال هيئة المحلفين خارج من سيفوز بسباق الحوسبة الكمومية. لكن البلد الذي يمكنه دمج الحوسبة الكمية مع الأنظمة الواقعية ، من سلاسل التوريد الذكية إلى واجهات الحاسوب الدماغ ، ستلعب دورًا رائدًا في مستقبل الحساب.
قد لا يكون الفائز هو الشخص الذي يحمل أول كمبيوترًا كميًا عالميًا ، ولكن الجهاز الذي يبني أول بنية تحتية تعمل بالكمية في القرن الحادي والعشرين.
