مع التنظيم الصحيح للترانزستورات والدوائر المنطقية ، يمكن فعل أي شيء تقريبًا! أم لا؟
المعالجات الحديثة هي عمل فني تقني ، وراءها عشرات ، إن لم يكن مئات السنين من البحث الأساسي. وهذا واحد من أكثر الأجهزة عالية التقنية في تاريخ البشرية! لقد تحدثنا بالفعل عنهم أكثر من مرة ، تذكر على الأقل عملية إنشائها!
تتطور المعالجات باستمرار ، وتتزايد القدرات ، وتتزايد كمية البيانات ، وتتعامل مراكز البيانات الحديثة مع مئات بيتابايت من البيانات (من 10 إلى 15 قوة = 1،000،000،000،000،000 بايت). ولكن ماذا لو قلت أن جميع أجهزة الكمبيوتر لدينا ليست كلي القدرة على الإطلاق!
على سبيل المثال ، إذا كنا نتحدث عن BigData (البيانات الضخمة) ، فقد تستغرق أجهزة الكمبيوتر العادية سنوات ، أو حتى آلاف السنين لمعالجة البيانات وحساب الخيار المطلوب وتحقيق النتيجة.
وهنا يأتي دور أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولكن ما هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية حقًا؟ كيف هم مختلفون عن العاديين؟ هل هم حقا بهذه القوة؟ هل ستذهب CS: GO إلى 100 ألف إطار في الثانية عليها؟
بداية صغيرة - سنخبرك كيف يمكن لأي منكم محاولة استخدام الكمبيوتر الكمومي اليوم!
اجعل نفسك مرتاحًا ، صب الشاي ، سيكون ممتعًا.
الفصل 1. لماذا أجهزة الكمبيوتر العادية سيئة للغاية؟
لنبدأ بمثال كلاسيكي بسيط للغاية.
لنفترض أن لديك أقوى كمبيوتر عملاق في العالم. هذا هو كمبيوتر Fugaku. أداؤها هو 415 بيتافلوبس.
لنطرح له المشكلة التالية: نحتاج إلى توزيع ثلاثة أشخاص في سيارتين أجرة. كم عدد الخيارات لدينا؟ من السهل أن نفهم أن هناك 8 مثل هذه الخيارات ، أي 2 * 2 * 2 أو 2 إلى الدرجة الثالثة.
ما السرعة التي سيتعامل بها حاسبنا الفائق مع هذه المهمة؟ فورا! المهمة أساسية.
الآن لنأخذ 25 شخصًا ونضعهم في سيارتين فاخرتين ، نحصل على 2 إلى 25 درجة ، أو 33،554،432 خيارًا. صدقوني ، هذا الرقم هو أيضًا مسألة تافهة بالنسبة لجهاز الكمبيوتر العملاق لدينا.
والآن 100 شخص وحافلتين ، كم عدد الخيارات؟
ضع في اعتبارك: 2 أس 100 هو تقريبًا 1.27 × 1030 أو 1،267،650،600،228،229،401،496،703،205،376 خيارًا.
سيحتاج حاسوبنا العملاق الآن إلى حوالي 4.6 * 10 ^ + 35 (4.6 × 10 إلى 35 قوة) لفرز جميع الخيارات. وهذا بالفعل كثير جدًا. سيستغرق هذا الحساب وقتًا أطول من العمر الإجمالي لمئات الأكوان.
العمر الكلي لكوننا: 14 مليار سنة ، أو 14 × 10 أس 9.
حتى لو وحدنا جميع أجهزة الكمبيوتر في العالم من أجل حل مشكلة تبدو بسيطة مثل جلوس 100 شخص في حافلتين - فسنحصل على حل ، تقريبًا!
و ماذا؟ كل شىء؟ لا يوجد مخرج؟
نعم ، لأن الحواسيب الكمومية ستكون قادرة على حل هذه المشكلة في ثوان!
وصدقوني - لن يتم استخدامها على الإطلاق لجلوس 100 شخص في حافلتين!
الفصل 2. مقارنة. بت و Qubits
دعونا نرى ما هو الاختلاف الأساسي.
نحن نعلم أن المعالج الكلاسيكي يتكون من ترانزستورات ويمكن أن تمر أو لا تمرر التيار ، أي أن تكون في حالة 1 أو 0 - هذا هو BIT للمعلومات. بالمناسبة ، أوصي بمشاهدة الفيديو الخاص بنا حول كيفية عمل المعالجات.
لنعد إلى مثالنا مع سيارتي أجرة وثلاثة أشخاص. يمكن أن يكون كل شخص إما في جهاز واحد أو في جهاز آخر - 1 أو 0.
وإليك جميع الحالات:
لحل المعالج ، من الضروري استعراض جميع الخيارات واحدًا تلو الآخر وتحديد الخيارات التي تناسب الشروط المحددة.
تُستخدم البتات أيضًا في أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، فقط الحواسيب الكمية ، وهي تختلف اختلافًا جوهريًا عن الترانزستورات العادية.
يطلق عليهم بت الكم ، أو Qubits.
ما هي الكيوبتات؟
الكيوبتات هي أجسام كمومية خاصة ، صغيرة جدًا لدرجة أنها تخضع بالفعل لقوانين العالم الكمي. خاصيتهم الرئيسية هي أنهم قادرون على أن يكونوا في نفس الوقت في حالتين ، أي في حالة خاصة - التراكب.
في الواقع ، هذا هو الفرق الأساسي بين البتات الكمومية والبتات العادية ، والتي يمكن أن تكون 1 أو 0 فقط.
التراكب مذهل. ضع في اعتبارك أن الكيوبتات عبارة عن باب مفتوح ومغلق ، أو مصباح مشتعل ولا يحترق ...
في حالتنا ، كلاهما 1 و 0!
لكن ميكانيكا الكم تخبرنا أن الجسم الكمي ، أي كيوبت ، في حالة تراكب حتى تقوم بقياسه. تذكر عملة - هذا مثال رائع على التراكب - أثناء وجودها في الهواء ، فهي عبارة عن رأس وذيول ، ولكن بمجرد أن أمسكها - كل شيء: إما رأس أو ذيول! تم تحديد الشرط.
نحن بحاجة إلى فهم أن هذه الكيوبتات وسلوكها لا يتم اختيارهما بالصدفة - فهذه الأنظمة الكمومية محددة بدقة شديدة وسلوكها معروف. إنهم يطيعون قوانين ميكانيكا الكم!
كمبيوتر الكم بالداخل
بالحديث عن الجهاز نفسه ، إذا اعتدنا على استخدام أشباه الموصلات والسيليكون في المعالجات التقليدية ، ففي حالة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، لا يزال الناس يبحثون عن الأشياء الكمية الأفضل استخدامها لجعلها تعمل كوحدات كيوبت. يوجد الآن الكثير من الخيارات - يمكن أن تكون إلكترونات لها دورانها الخاص أو ، على سبيل المثال ، الفوتونات واستقطابها. هناك العديد من الخيارات.
وهذه ليست الصعوبة الوحيدة التي يواجهها العلماء! النقطة المهمة هي أن الكيوبتات الكمومية غير مستقرة تمامًا ويجب الاحتفاظ بها في مكان بارد ليتم التحكم فيها.
وإذا كنت تعتقد أن التبريد المائي لوحدة نظامك سيكون كافيًا لهذا ، فأنت على حق جزئيًا ، فقط إذا قمت بملئه بالهيليوم السائل ، الذي تقل درجة حرارته عن مائتين وسبعين درجة مئوية تحت الصفر! وللحصول عليها ، يتم استخدام هذه البراميل الصحية.
في الواقع ، تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من أبرد الأماكن في الكون!
كيف يعمل الكمبيوتر الكمومي
دعنا نعود إلى مشكلتنا المتعلقة بثلاثة أشخاص وآلتين ونفكر فيها من وجهة نظر الكمبيوتر الكمومي:
لحل مثل هذا النظام ، نحتاج إلى كمبيوتر به 3 كيوبتات.
تذكر أن الكمبيوتر الكلاسيكي يجب أن يمر بجميع الخيارات واحدًا تلو الآخر؟ لذلك ، نظرًا لأن الكيوبتات تحتوي على حالتين "1" و "0" في نفس الوقت ، فسيكون قادرًا على استعراض جميع الخيارات ، في الواقع ، في وقت واحد!
أعلم أنه سيبدو غريبًا قدر الإمكان ، لكن تخيل أنه في هذه الحالة ، تخلق الكيوبتات الثلاثة لدينا 8 عوالم متوازية مختلفة ، يوجد في كل منها حل واحد ، ثم يتجمعون جميعًا في واحد! حقا "المنتقمون" بعض!
ولكن ماذا يحدث؟ يعطي كل الخيارات دفعة واحدة ، ولكن كيف تحصل على الخيار الصحيح؟
هناك عوامل حسابية خاصة لهذا ، مثل عامل Groover ، الذي يسمح لنا بتحديد النتائج الصحيحة لحسابات الأنظمة الكمومية! هذه وظيفة خاصة ، من بين جميع الخيارات الممكنة ، تجد الخيار الذي نحتاجه.
هل تتذكر اللغز حول 100 شخص في حافلتين ، والذي لم تتمكن جميع أجهزة الكمبيوتر الحديثة معًا من حله؟ بالنسبة لجهاز كمبيوتر كمي يحتوي على 100 كيوبت ، فإن هذا اللغز يشبه النقر فوق بذرة! أي أن الكمبيوتر في نفس الوقت في 2
أس 100 من الحالات ، وهي: 1،267،650،600،228،229،401،496،703،205،376 - هذا هو عدد الحالات في نفس الوقت! الكثير من العوالم المتوازية!
هل تعتقد أن كل هذا يبدو جيدًا لدرجة يصعب تصديقها؟ نعم كلامك صحيح. هناك الكثير من الفروق الدقيقة والقيود. على سبيل المثال ، خطأ. تكمن المشكلة في أن الكيوبتات ، على عكس البتات العادية ، ليست محددة بدقة.
لديهم احتمالية معينة لكونهم في الحالة 1 أو 0. لذلك ، هناك احتمال للخطأ ، وكلما زاد عدد الكيوبتات في النظام ، زاد احتمال أن يعطي النظام إجابة غير صحيحة. لذلك ، غالبًا ما يكون من الضروري إجراء عدة حسابات لنفس المشكلة للحصول على الإجابة الصحيحة.
حسنًا ، هذا هو ، ما مدى وفية؟ سيحتوي دائمًا على حد أدنى من احتمال الخطأ نظرًا لطبيعته الكمومية المعقدة ، ولكن يمكن إهماله ببساطة عن طريق تشغيل الحساب عدة مرات!
أجهزة الكمبيوتر الكمومية اليوم
الآن دعنا ننتقل إلى الأكثر إثارة للاهتمام - ما هي حالة الكمبيوتر الكمي الآن؟ ومن ثم لا يتم ملاحظتها بطريقة ما على أرفف المتاجر!
في الواقع ، كل ما وصفته أعلاه ليس رائعًا. أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة بالفعل بيننا وهي تعمل بالفعل. تم تطويرها بواسطة GOOGLE و IBM و INTEL و MICROSOFT وشركات أخرى أصغر. بالإضافة إلى ذلك ، يوجد في كل معهد كبير مجموعات بحثية تعمل على تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية والبحث فيها.
[caption id = "attachment_148510" align = "aligncenter" width = "640"]
سوندار بيتشاي ودانيال سانك باستخدام كمبيوتر Google الكمي. أكتوبر 2019 [/ caption]
في أكتوبر الماضي ، في مجلة Nature ، نشرت Google مقالًا ضرب العالم بعناوين ضخمة - QUANTUM EXCELLENCE!
ابتكرت Google جهاز كمبيوتر كمي مع 53 كيوبت وتمكنت من حل مشكلة في 200 ثانية ، والتي سيستغرق حلها جهاز كمبيوتر عادي 10000 عام!
بالطبع ، شعرت شركة IBM بالإهانة الشديدة وبدأوا يقولون إن المهمة كانت خاصة للغاية ، ولم تكن بشكل عام 10000 سنة ، ولكن 2.5 يوم ، ولكن تظل الحقيقة - لقد تم تحقيق التفوق الكمي إلى حد معين!
لذا فالسؤال الآن ، في غضون سنوات ، متى سيبدأ استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية في كل مكان! أعلنت شركة IBM ، على سبيل المثال ، أنها ستبني حاسوبًا كميًا تجاريًا بسعة 1121 كيوبت في عام 2023!
لكي تفهم ، لا تحسب آلة حاسبة Google حتى مقدار 2 مقابل 1121 ، لكنها تقول ببساطة - اللانهاية! وهذا ليس الحد على الإطلاق.
يجري بالفعل تطوير أجهزة الكمبيوتر لملايين البتات الكمومية - وسوف تكشف عن الإمكانات الحقيقية للحوسبة الكمومية.
علاوة على ذلك ، يمكنك تجربة الحوسبة الكمية بنفسك الآن! تقدم شركة IBM الوصول المستند إلى السحابة إلى أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر تقدمًا. يمكنك استكشاف البرامج وتطويرها وتشغيلها باستخدام تجربة IBM Quantum Experience .
لكن لماذا نحتاج إلى أجهزة كمبيوتر كمومية على الإطلاق وأين سيتم استخدامها؟
بطبيعة الحال ، ليس لدفع الناس في الحافلات.
هناك العديد من المهام. الشيء الرئيسي هو قواعد البيانات والبحث من خلالها ، وسيصبح العمل مع BigData سريعًا بشكل لا يصدق. ستحصل كل من Shazam ، والتوجيه ، والشبكات العصبية ، والذكاء الاصطناعي على دفعة مذهلة! علاوة على ذلك ، قم بمحاكاة ومحاكاة أنظمة الكم! لماذا هذا ضروري - تسأل؟
هذا مهم للغاية ، حيث سيكون من الممكن بناء نماذج لتفاعل مركبات البروتين المعقدة.
ستكون هذه خطوة مهمة جدًا للطب ، حيث تفتح ببساطة مساحات تخطف الأنفاس لإنشاء أدوية مستقبلية ، وفهم كيفية تأثير الفيروسات المختلفة علينا ، وما إلى ذلك. المساحة ضخمة!
لإعطائك فكرة تقريبية عن مدى صعوبة الأمر ، سنعود إلى مثال العملة. تخيل أنك بحاجة إلى نمذجة ما سيأتي مسبقًا - الرؤوس أو الذيل.
من الضروري مراعاة قوة الرمي وكثافة الهواء ودرجة الحرارة ومجموعة من العوامل الأخرى. معقد؟ حسنًا ، ليس الأمر كذلك!
تخيل الآن أنه ليس لديك شخص واحد يرمي عملة معدنية ، ولكن هناك مليون شخص مختلف ، في أماكن مختلفة ، يرمون العملات بطرق مختلفة. وتحتاج إلى حساب ما سيحدث للجميع! هذا يتعلق بمدى تعقيد هذا النموذج لتفاعلات البروتين.
بالإضافة إلى ذلك ، ربما سمعت أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستجعل كلمات المرور الخاصة بنا سهلة للغاية بحيث يمكنك تخمينها في ثوانٍ. لكن هذا موضوع مختلف تمامًا ...
خاتمة
ما هو الاستنتاج الذي يمكننا استخلاصه من كل هذا ، أن الكمبيوتر الكمومي هو نظام جديد تمامًا. وهي تختلف عن أجهزة الكمبيوتر العادية في الأساس الذي تعمل عليه.
هم حقا لا يمكن مقارنتها! إنه يشبه مقارنة العداد وأجهزة الكمبيوتر الحديثة!
وبالطبع هناك شكوك كبيرة في قدرتك على القدوم إلى المتجر وشراء معالجك الكمي الصغير. لكنك لست بحاجة إليهم. بالنسبة للمستخدم العادي ، ستصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية مثل مراكز البيانات الحديثة ، أي مساعدينا غير المرئيين الموجودين بعيدًا والذين يجعلون حياتنا ببساطة أفضل أو على الأقل مختلفة!