ما هي لغات البرمجة الكمية؟

تحدثنا عزيزي القارئ عن الصراع الكمي في مقالات سابقة ووضحنا شراسته. فتحدي IBM للحوسبة الكمية في 2021 خير مثال، الذي شارك فيه 3100 مشارك من 94 دولة عن تطبيقات الحواسيب الكمية باستخدام Qiskit. إذ لم يقتصر التحدي على الحوسبة الكمية وكيفية استخدام Qiskit. بل في أي شيء متعلق بالحوسبة الكمية في الصناعة وذلك بتطبيق تكنولوجيا الكم في المجالات العلمية مثل الكيمياء والتعلم الآلي وغيرها وساهم أكثر من 1293 مشارك في تقديم مشاركة واحدة على الأقل لها أثرها وشاركت دول عدة جديدة في المنافسة وكانت السعودية هي الدولة الوحيدة في الشرق الأوسط. إذ حاز الدكتور إبراهيم المسلم على المركز الثاني عالميًا ونال المركز الأول «نافان بنشاشتابوسه-Naphan Bencgasattabuse» من كوريا الجنوبية. [1]

وكما للحوسبة التقليدية لغات برمجة تتعامل بها، أيضًا للحواسيب الكمية لغات. وهنا سيدور حديثنا حول ما هي لغات البرمجة الكمية؟ وكيف يمكنك ممارسة الحوسبة الكمية والتلاعب بالـ Quibts وبالتأكيد تبادر إلى ذهنك سؤال، ما الـ Qiskit؟ كل ذلك وأكثر سنجيب عنه في هذا المقال، فهيا بنا…

ما هو Qiskit؟

يمنح عملاقة التكنولوجيا مثل Google وIBM المستخدمون الذين لديهم شغف تعلم الحوسبة الكمية فرصة لمعرفة كيفية برمجة ومعالجة الدوائر الكمية. باستخدام لغات البرمجة الكمية ولتعلم فحص مفاهيم الحوسبة الكمية مثل التراكب والتشابك والتلاعب بالـ Qubits وإدارة الأجهزة الكمية والتحقق من الخوارزميات…

فـ Qiskit هو SDK -مجموعة أدوات تطوير البرامج في حزمة واحدة قابلة للتثبيت- مفتوح المصدر للعمل على الحواسيب الكمية من IBM. إذ يُترجم لغات البرمجة الشائعة مثل Python للآلة الكمية وأي شخص خارج مختبرات IBM يمكنه استخدامه. إذ تعد أداة تعليمية ممتازة لتطوير فهمك عمليًا حول المفاهيم الكمية، يوجد كذلك Cirq وهو من شركة Google ومشابه لـ Qiskit.

لكن وجب التنبيه أنه على الأقل وجب أن تكون لديك خلفية جيدة حتى تستطع البدء فهو مناسب لفئات مثل الخبراء في مجالات الكيمياء والذكاء الاصطناعي والمطوريين الذين لديهم معرفة بالدوائر الكمية ويودون في اختبار مزايا الكم وخبراء ميكانيكا الكم. [4,3]

علاقات لغات البرمجة الكلاسيكية باللغات الكمية؟

كما نحن البشر نتحدث بلغات مختلفة فالحواسيب لها لغاتها. تتيح لغات البرمجة في الحواسيب التقليدية إعطاء تعليمات للحاسوب بلغة يفهمها. فلغة البرمجة الكمية هي تلك التي يمكن استخدامها لكتابة برامج الحاسوب الكمي. فنظرًا لأن التحكم في أي آلة يكون بواسطة جهاز كلاسيكي. فإن لغات البرمجة الكمية الحالية تتضمن هياكل تحكم كلاسيكية أيضًا وتسمح بعملها على البيانات الكلاسيكية والكمية فسنجد لغة Python من اللغات المستخدمة والأساسية وكذلك C وJavascript وغيرهم. [2]

ما هي البيئات التي تتيح لك ممارسة الحوسبة الكمية؟

كما ذكرنا فور معرفتك بالأساسيات البرمجية وتعلم اللغات الكلاسيكية؛ يمكنك البدء مباشرةً في بيئات ستوفر لك التعامل مثل Qiskit وCirq. وإليك في السطور الآتية بعض لغات البرمجة الكمية المهمة في تنمية تدريبك على الحوسبة الكمية بجانب اللغات الكلاسيكية.

أشهر لغات البرمجة في الحوسبة الكمية

هنالك نوعان من لغات البرمجة الكمية، الأول لغات البرمجة الأساسية وتتكون من تعليمات تُنفذ خطوة بخطوة وتشمل اللغات الأساسية في الحواسيب الكلاسيكية مثل Python وC وJavascript وPascal، وإليك ثلاثة من أشهر اللغات [5]:

لغة QCL

هي واحدة من أولى لغات البرمجة الكمية وتشبه لغة C وPascal من حيث بناء الجملة Syntax وأنواع البيانات. فهي لغة تحكم عالية المستوى ومستقلة عن بنية الحواسيب الكمية ويمكن للمبرمجين الجمع بين كود C كلاسيكي وكود كمي… [8]

لغة QMASM

نشأت QMASM كلغة لتعريف الدائرة الكمية ومع تطور الحساب الكمي، اعتُمدت اللغة كطريقة لتحديد الدوائر الكمية كمدخلات في الحاسوب الكمي. لوصف العمليات على الـ Qubits وهي منخفضة المستوى، فتستخدم لوصف الدوائر البسيطة نسبيًا وهنالك لغات أخرى عالية المستوى مثل لغات سنذكرهم في السطور القادمة. [6] التي بإمكانها التعامل مع مليارات من Qubits.

لغة Silq

نشرت في عام 2020 وهي لغة عالية المستوى من ETH Zurich في سويسرا وتُحدث باستمرار. نبع الاحتياج لتلك اللغة لملاحظة الباحثين أن كل لغات البرمجة السابقة منخفضة المستوى خاصة في التعامل مع الـ Quibts. ففي كل مرة وجب عليك التفكير في جميع القيم الناشئة من العملية التي تقوم بها وذلك يستغرق وقتًا وينتج عن ذلك بالتأكيد أخطاء. [7]

النوع الثاني هو لغات البرمجة الوظيفية وهي لا تعتمد على تنفيذ التعليمات خطوة بخطوة بل على الدوال الرياضية. أي يتم تحويل المخرجات باستخدام تحويلات رياضية وتعد أقل شيوعًا من اللغات الأساسية وإليك أشهر اللغات:

لغة QML

هي لغة تعريفية مصممة لوصف واجهة مستخدم البرنامج ونُشرت في عام 2007 وتشبه Haskell وتُستخدم لغة Javascript كلغة برمجة نصية في QML وقبل التعمق فيها وجب أن تكون كما ذكرنا مرارنا لديك خلفية برمجية [9] وفهم للغات الويب الأخرى مثل HTML وCSS…

لغتا QPL وQFC

هما لغتان من لغات البرمجة الكمية حددهما «بيتر سيلينجر-Peter Selinger» وتعمل كل منهم على البيانات الكمية والكلاسيكية. [10]

لغة Quipper

هي لغة شهيرة ذات مستوى عال، وتستخدم لوصف الدوائر عالية المستوى ومعالجتها وتحوي مكتبات واسعة من الدوال الكمية بما في ذلك مكتبات الأعداد الصحيحة الكمية وتحويل فورييه الكمي ومكتبات لتحليل دقيق للدوائر والعديد من المزايا. [11]

فيما تتميز لغة Twist؟

هناك عزيزي القارئ العديد من اللغات لكن تحدثنا عن الأحدث والأشهر ولنختم جزء اللغات بلغة Twist التي أثارت ضجة في عامنا هذا 2022، فما هي تلك اللغة وما المميز فيها؟

سعى علماء من علوم الحاسوب والذكاء الاصطناعي CSAIL التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى إنشاء لغة خاصة بهم للحوسبة الكمية وتسمى (Twist). وتستطيع تلك اللغة أن تصف أجزاء البيانات المتشابكة في برامج الكم والتحقق منها. ويمكن للمبرمج الكلاسيكي فهمها وتستخدم اللغة مفهوم يسمى Purity أو النقاء ويفرض ذلك المفهوم عدم وجود التشابك وينتج عنه برامج أكثر سهولة والأخطاء أقل بكثير. فالمميز هنا أنه لطالما تطلبت برمجة الحواسيب الكمية فهم للتشابك ولكن تأتي Twist لتسهل الأمر على المبرمجين بفرضها عدم وجوده بمفهوم Purity. إضافة إلى أن اللغات البرمجية الكمية لا تزل تربط عمليات منخفضة المستوى معًا مستبعدة أحيانًا معايير مهمة مثل أنواع البيانات… لكن التحدي الذي تتخذه Twist حاليًا هو تسهيل البرمجة الكمية. نهاية فقد دعمت الجهود عليها جزئيًا من قبل MIT-IBM Waston AI lab والمؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب البحوث البحرية. [12]

المصادر

1. IBM
2. quantiki
3. .ibm
4. quantumai
5. aimultiple
6. github
7. sliq
8. github
9. qml
10. liquisearch
11. qcf
12. researchgate
13. mit

لعلك تتذكر جورجيو باريزي وسيوكورو مانابي وكلاوس هاسلمان الحائزين على نوبل 2021 في الفيزياء ومساهماتهم في فهم الأنظمة المعقدة، ففي كل مجال سواء في الرياضيات أو الفيزياء أو الأحياء أو الاقتصاد… هنالك بعض الأنظمة التي لم يستطع العلماء تفسيرها مثل مجموعات النمل التي تراها، الاقتصاد البشري أو المناخ أو حتى الوعي البشري، الذي ينظر إليه كونه خاصية ناشئة لشبكة معقدة من الخلايا العصبية في أدمغتنا والكثير من الأمثلة، فقد أطلق العلماء على تلك الأنظمة اسم (الأنظمة المعقدة) فهنالك قول أرسطو الشهير: “الكل أكبر من مجموع أجزائه”. إذ إن الأنظمة المعقدة يستلزم فيها السلوك الجماعي لأجزائها لظهور خصائص يصعب استنتاجها. فيأتي علم الأنظمة المعقدة (نظرية التعقيد) ليقدم لنا طرقًا لفهم الكون من حولنا. فدراسة التعقيد نظرية علمية جديدة وفي هذا المقال سنوضح ما هي نظرية الأنظمة المعقدة وخصائصها.

كيف نفهم الأنظمة المعقدة؟

الساعة التي ترتديها بيدك، السلوك المنتظم لها هو الذي سمح لنا بإنشاء جهاز ضبط الوقت. لكن هناك بعض الأنظمة مثل الطقس أو الإنترنت. نحن نفهم هيكلهم لكن من الصعب التنبؤ بسلوكهم، كذلك دماغك معقدة من حيث التركيب والسلوك. فما يتضح لنا أن كلمة التعقيد (معقد) تُطلق على العديد من المكونات المتفاعلة التي من الصعب فهم سلوكها أو هيكلها.

فالأنظمة المعقدة ليست جديدة، لكن لأول مرة في التاريخ تُتاح أدوات لدراسة مثل هذه الأنظمة بطريقة علمية محكمة. فقديمًا، كانت دراسة الأنظمة المعقدة في البيئة أو الاقتصاد تستغرق وقتًا طويلًا أو خطيرة أو باهظة الثمن وغير علمية. لكن الآن وباستخدام الحواسيب، يمكن بناء على سبيل المثال بدائل سيليكون كاملة لهذه الأنظمة ويمكن التلاعب فيها.

مثال على النظرة غير العلمية

افترض أن مستثمرًا فرديًا يتفاعل مع البورصة وبذلك يؤثر على سعر السهم أثناء اتخاذ قرار بالشراء أو البيع أو الاحتفاظ، فيرى هذا المستثمر السوق على أنه معقد أو بسيط اعتمادًا على مدى إدراكه لتغير الأسعار. لكن لتلاحظ هنا أن البورصة أيضًا تعمل على المستثمر. فما يحدث فيها مؤثر على قرارات المستثمر، فهنا السوق يحكم بأن المستثمر لديه درجة معينة من التعقيد؛ تؤثر على تصرفاته مثل التوتر أو الهدوء أو عدم الاستقرار. فهنا يكمن التعقيد في عين المستثمر بقدر ما يكمن في بنية وسلوك النظام نفسه. فمفهوم التعقيد هنا من نظرة أي شخص غير علمية، فالبعض يرى أن الأميبيا أبسط من الفيل.

الخصائص المختلفة المرتبطة بالأنظمة البسيطة والمعقدة

عادة ما تستخدم كلمة التعقيد كاسم لشيء مخالف للحدس أو لا يمكن التنبؤ به أو صعب في فهمه. لذلك وضعت خصائص لوصف الأنظمة المعقدة بعيدًا عن المفاهيم غير العلمية. لنتطرق الآن لبعض تلك الخصائص…

«التنبؤ-Predictability»

لا مفاجآت في الأنظمة البسيطة، أسقط حجرًا؛ فسيقع. ضع أموالك في حساب بنكي فائدته ثابتة؛ ستتراكم الأموال بانتظام… فمثل هذه السلوكيات التي يمكن التنبؤ بها هي من خصائص الأنظمة البسيطة، أما الأنظمة المعقدة لا سلوك متوقع فيها ومليئة بالمفاجآت مثل فتح طرق سريعة جديدة؛ سيؤدي إلى زيادة أوقات التنقل واختناقات مرورية…

«الترابط-Connectedness»

تحوي الأنظمة البسيطة عددًا قليلًا من المكونات مع عدد قليل من المتغيرات مع سيطرة على الروابط بين تلك المتغيرات مثل منظمة ما تتميز بالاستقرار الوظيفي أو المقايضة البدائية حيث تداول عدد قليل من السلع وهي أبسط في الفهم من الاقتصاديات المتقدمة للدول الصناعية التي نعدها من الأنظمة المعقدة.

«التحكم المركزي-Centralized control»

يتركز التحكم في الأنظمة البسيطة في موقع واحد أو عدة مواقع قليلة على الأكثر مثل الشركات المملوكة للقطاع الخاص. على العكس تمامًا، تُظهر الأنظمة المعقدة انتشارًا للسلطة الحقيقة وقد يبدو لك أن لها سيطرة مركزية فتشمل الأنظمة اللامركزية للحكومات والجامعات والإنترنت كذلك… فتميل الأنظمة المعقدة إلى التكيف على نحو أسرع مع الأحداث غير المتوقعة وتُعد أكثر مرونة.

«التحلل-Decomposability»

التفاعلات بين النظام البسيط قليلة أو ضعيفة بين مكوناته المختلفة. فيتصرف النظام على نحو أكثر أو أقل كما كان عليه سابقًا عند قطع بعض الاتصالات. من الناحية الأخرى، فالعمليات المعقدة غير قابلة للاختزال أي لا يمكن أن يتحلل النظام إلى أنظمة فرعية دون خسارة، فإهمال جزء من عملية ما أو قطع الاتصال الرابط بين أجزائها؛ سيُدمر الجوانب الأساسية لسلوك النظام أو هيكله.

وترجع آليات توليد المفاجآت إلى السلوكيات التي تظهرها الأنظمة المعقدة مثل:

«المفارقة-Paradox»

تنشأ المفارقات عادة من الافتراضات الخاطئة التي تؤدي إلى تناقضات بين السلوك المرصود والمتوقع وتحدث في مواقف غير منطقية.

«عدم الاستقرار-Instability»

عند حدوث اضطرابات صغيرة في الأنظمة غير المستقرة، تتولد المفاجآت مثل انهيار أسواق الأسهم.

«غير قابلة للحوسبة-Uncomputability»

إن السلوكيات التي تُظهرها نماذج الأنظمة المعقدة هي نتيجة اتباع مجموعة من القواعد. لأن تلك النماذج مجسدة في حواسيب التي بالضرورة تتبع لقواعد محددة. مع أن آلات الحوسبة تتبع قواعد، فلا يوجد سبب للاعتقاد بأن أي عمليات في الطبيعة أو بشرية تستند بالضرورة لقواعد. فإذا كانت هناك عمليات غير قابلة للحوسبة موجودة في الطبيعة مثل حركة الكتل الهوائية في الغلاف الجوي، فإن الظاهرة الحقيقة لأي نظام لن تظهر على الحاسوب أبدًا لأن تلك الكميات غير القابلة للحوسبة موجودة فعلًا خارج عالم الرياضيات.

«الاتصال-Connectivity»

يتميز النظام بالروابط والتفاعلات بين مكوناته وكذلك تأثير تلك الروابط على سلوكه وهذه إحدى الخصائص. فمثلًا العلاقة بين رأس المال والعمل هي التي توجد الاقتصاد، فالنظام المعقد مترابط ومتصل جيدًا ويكمن التعقيد والمفاجأة في الأنظمة المعقدة في تلك الروابط.

«التولد-Emergence»

تشير إلى الخصائص غير المتوقعة في أية أنظمة فرعية فردية التي تنشأ من التفاعلات. مثل الماء، فخصائصه المميزة في شكله في صورة سائل وعدم القابلية للاشتعال وذلك بالطبع يختلف عن خصائص الغازات المكونة له. فيكمن الاختلاف بين التعقيد الناشئ عن «التوليد-Emergence» في طبيعة التفاعلات بين المكونات.

فلا تركز فقط على ما إذا كان هناك نوع من التفاعلات بل أيضًا على طبيعة تلك التفاعلات فمثلًا لا يمكنك التمييز بين (ماء الصنبور العادي) الذي يتضمن تفاعلًا بين جزيئات الهيدروجين والأكسجين و(الماء الثقيل) الذي يتضمن تفاعلًا بين نفس المكونات لكن مع وجود نظير لمادة الهيدروجين يدعى (ديوتريوم) في هذا المزيج؛ فالتولد من شأنه التمييز، إذ تظهر خصائص معينة (المتولدة) عند تفاعل تلك الأنظمة.

فهذه العناصر هي الخصائص التي هي مصدر توليد المفاجآت.

وهكذا نختم حديثنا عن ذلك العلم الواسع الذي تعرفت فيه على نُبْذَة من شأنها أن تساعدك في فهم المقالات القادمة في الحوسبة الكمية، إذ سنتحدث عن نظرية التعقيد الحسابي؛ فتابعنا.

المصادر

uwaterloo

cssociety

britannica

قبل أن نتعرف عن ما هي الخوارزميات الكمية، وجب أن نعرف أن مصطلح الخوارزمية مشتق من اسم عالم الرياضيات الفارسي محمد بن موسى الخوارزمي من القرن التاسع، وظهرت الفكرة الحديثة للخوارزمية في اللغة الإنجليزية في القرن التاسع عشر وأصبحت أكثر شيوعًا منذ خمسينيات القرن الماضي.

تستخدم الخوارزميات في كل جزء من علوم الحاسوب، وهي التي تسمح للحاسوب بفعل كل شيء، فيتمثل جزء كبير من برمجة الحاسوب في معرفة كيفية صياغة الخوارزمية. إذ أنها تعتبر القدرة على تحديد خطوات واضحة لحل مشكلة ما، أيضًا فهي أمرًا مهمًا في العديد من المجالات، لذلك فنحن نستخدم الخوارزميات التي تسمح لنا بتفكيك المشكلات ووضع تصور للحلول. [5]

بعد تلك المقدمة البسيطة، لنلقى نظرة أوسع على ماهية الخوارزميات الكمية.

بعد وقت قصير من إثبات جودل عدم اكتماله الشهير، نُشرت العديد من الأوراق البحثية لتميز بين الدوال التي يمكن حسابها والتي لا يمكن حسابها. فأظهرت الأوراق أن هنالك البعض منها لا يمكن حسابه ويتطلب إثبات مثل هذه النظرية تعريفًا رياضيًا وكانت التعريفات مختلفة. في النهاية، أدى هذا إلى اقتراح أطروحة «تشرش-تورينغ»، سميت على اسم العالمين الرياضيين ألونزو تشيرش وآلان تورينج. إذ كان يرى معظم علماء الحاسوب أن الحوسبة الكلاسيكية هي كل ما في الأمر، ولا تستطيع الآلات الكلاسيكية إجراء كل هذه الحسابات بكفاءة مثل السلوك الكيميائي للجزئ، إذ يرتبط هذا السلوك بسلوك الإلكترونات، فتعتمد الحالة الكمية لكل إلكترون على حالات الآخرين بسبب ظاهرة ميكانيكا الكم، فحساب هذه الحالات معقد للغاية. [1،2]

انتهاك أطروحة تشرش-تورينغ!

يشير المبدأ الأساسي لأطروحة تشرش-تورينغ إلى حل مشكلة حسابية على نحو أسرع من خلال:

• تقليل الوقت لتنفيذ خطوة واحدة.

• تنفيذ العديد من الخطوات بالتوازي أو تقليل إجمالي الخطوات.

لكن اكتشاف حواسيب كمية انتهك الأطروحة من خلال حل بعض المهام الحسابية بخطوات أقل بكثير من أفضل خوارزمية كلاسيكية أيضًا لنفس المهمة وفتح الباب أمام طرق جديدة لحل المشكلات الحسابية.

فصور الخوارزميات القادرة على حل حسابات معقدة ليس بالأمر الهين. لكن في عام 1994، اقترح موظف شاب في مختبرات بيل يسمى بيتر شور خوارزمية كمية تحلل الأعداد الصحيحة على نحو أسرع من أي خوارزمية كلاسيكية وتخترق العديد من أنظمة التشفير الشائعة. بعدها بعامين فقط، ابتكر زميل شور في مختبرات بيل ويُدعى لوف جروفر خوارزمية تسرع العمليات الكلاسيكية للبحث من خلال قواعد البيانات غير المصنفة. [4]

ما هي خوارزمية الكم ببساطة؟

الخوارزمية هي إجراء عملية حسابية تبعًا لمجموعة من الخطوات المتتالية أو سلسلة من التعليمات لحل مشكلة ما. إذ يمكن تنفيذ كل خطوة على حاسوب، لذلك تنفذ الخوارزمية الكمية على حاسوب كمي. كذلك من الممكن تشغيل جميع الخوارزميات الكلاسيكية على الحاسوب الكمي. يرجع ارتباطها بكلمة (الكم) نظرًا لتمتعها بمبادئ ميكانيكا الكم مثل التراكب والتشابك…

ما هي دوائر الكم؟

توصف الخوارزميات الكمية على نحو أكثر شيوعًا بواسطة دائرة الكم، فالدائرة الكمية هي نموذج للحسابات الكمية، إذ تكون خطوات حل المشكلة عبارة عن بوابات كمية، تُجرى على كيوبت أو أكثر. فتكمن القيمة المضافة للخوازميات الكمية في قدرتها على بعض المشكلات بسرعة مثل خوارزمية شور وجروفر المذكورتين. [3]

أشهر الخوارزميات الكمية

• «Deutsch-Jozsa».
• «Bernstein-Vazirani».
• «Simon’s».
• «Shor’s».
• «Grover’s».

فستتفوق الخوارزميات الكمية عزيزي القارئ على نحو كبير خاصة في محاكاة أنظمة تتمتع بدرجات حرية كمية عالية. فتطبيقاتها ستشمل حل المشاكل في الكيمياء وعلوم المواد والفيزياء النووية… فتلك مقدمة في الخوارزميات الكمية. فتابعنا؛ لمعرفة المزيد عن الخوارزميات الكمية وكيفية عملها.

المصادر

1. Proceedings of Symposia in Applied Mathematics 58, 143-160, 2002‏
2. quantumagazine
3. quantum inspire
4. nap.edu

انتهيت من عملك أخيرا بعد يوم طويل ومرهق وتتمنى الآن أن تنقلك آلة إلى سريرك مباشرة بدلًا من المشي أو استعمال المواصلات المزدحمة؟

ذُكر أول جهاز للانتقال عن بعد في كتاب إدوارد بيج ميتشل «The Man Without a Body» والذي نُشر في صحيفة «The Sun» في عام 1877 وهي صحيفة تنشر يوميًا في نيويورك. حيث أشار الكاتب إلى ما يسمى «الانتقال الآني» لكن باسم آخر«نقل المادة» وكان ذلك بعد ثلاث سنوات من كتابة «إتش جي ويلز» عن «Techypomp». وهو جهاز مصمم للسفر بسرعة لانهائية ولكن هذا ليس مفهوم الانتقال الآني بالتحديد.

إذ ظهر الانتقال الآني لأول مرة كطريقة للقفز من كوكب إلى آخر في محاكاة ساخرة للكاتب «فريد تي جين» عام 1897. وظهرت عبارة الانتقال عن بعد في كتابات «تشارز فورت» كذلك، فقد اقترح أن النقل الآني هو طريقة لتفسير ظهور بعض الأشياء في أماكن فجأة واختفائها المفاجئ أيضًا.

ذلك ما يحدث في الخيال العلمي، لكن ما رأي العلم بذلك؟ في هذا المقال سنتحدث عن الانتقال الآني الكمي. ما هو بالتحديد؟ وكيف يحدث؟ وما دوره؟

ما هو الانتقال الآني الكمي؟

ربما عرفنا النقل الآني في أفلام الخيال العلمي، لكننا نتحدث الآن عن نقل المعلومات عن بعد، إذ يستخدم في التشفير الكمي لضمان أمن الاتصالات. لكن كيف بإمكانك نقل معلومة بين شخصين دون إرسالها عبر شيء مثل كابل الألياف البصرية! هذه هي روعة الفيزياء الكمية وهذا ما سنعرفه في السطور التالية. [1]ىن

يوجد عدة أنواع من الانتقال الآني لكن النوع الذي نتحدث عنه في هذا المقال هو الانتقال الآني الكمي الذي يعد تطبيقًا للتشابك الكمي. فالتشابك الكمي ببساطة يعتمد على تحديد أحد الحالات التي تحدد في الوقت نفسه الحالة الأخرى كذلك.

فبعد أن طلب «أليكس» شطيرة برغر ودجاجا مشويا وصله طلبه في صندوقين مغلقين، لن يعرف «أليكس» في أي صندوق يقبع الدجاج والشيطرة إلا عند فتح أحدهما. فإذا فتح صندوق ووجده يحتوي على الدجاج المشوي فالآخر بالتأكيد يحتوي على الشطيرة والعكس صحيح.

الأمر نفسه ينطبق على الجسيمات الكمية؛ إذا كان لديك جسيمان متشابكان، فإن معرفة حالة أحدهما ستبين حالة الآخر بغض النظر عن المسافة بينهما.

هكذا يمكننا استخدام التشابك كطريقة للانتقال الآني. يستمر تشابك الفوتونات حتى بعد فصلها، وفي حال تغير أحدها فإن الفوتون الآخر الذي يوجد في موقع آخر يتغير أيضا.[2]

فإذا أخذنا جسيمين وشابكناهما وأرسلنا أحدهما إلى القمر، يمكننا الاستعانة بالتشابك الكمي لنقل معلومات من خلالهما. فالأمر يتعلق فقط بالجسم الذي تريد نقله عن بعد، والذي يرسل المعلومات إلى الجسيم المتشابك الآخر على القمر. عزيزي القارئ، رغم هذا، من غير المحتمل أن يحدث النقل الآني للأشياء الكبيرة أو الأشخاص، أو إبقاء الجسيمات متشابكة لفترة طويلة رغم بعد المسافة. ذلك لم يحدث حتى الآن، وكل ما قام به العلماء هو نقل العديد من الإلكترونات والفوتونات وحتى الجزيئات لعشرات الأميال. فمحاولات العلماء تركز على نقل جسيم واحد وليس مليارات المليارات من الجسيمات التي تشكل الإنسان.[2]

كيف تنقل جزيئا ما عن بعد؟

لنعد مرة أخرى إلى الجسيمين المتشابكين، إذا تفاعل جسيم ثالث مع أول جسيم متشابك فإن التغير الذي سيحدث في الجسيم المتشابك سيلاحظ في توأمه الذي سيأخذ معلومات الجسيم الثالث ووجوده بفعالية.

لكن استحال إنشاء رابط بعيد المدى بين أي جسيمين متشابكين لأن سفر الفوتون المتشابك لا يمكنه قطع مسافات بعيدة كما وضحنا.

لطالما رأى الباحثون الإلكترونيون إمكانية الارتباط بقمر صناعي ما، لأن الفوتونات يمكن أن تنتقل بسهولة كبيرة عبر الفضاء. لكن الصعوبة تكمن في نقلها عبر الغلاف الجوي للأرض إضافة إلى الظروف الجوية المتغيرة التي قد تؤدي إلى انحراف الجسيمات. لكن هناك محاولات ناجحة بالفعل!

• فقد قام فريق صيني بإنشاء 4000 زوج من الفوتونات المتشابكة كميًا في الثانية وأطلقوا كل زوج من الفوتونات في شعاع من الضوء باتجاه قمر صناعي يسمى «ميسيوس-Micius» -على اسم فيلسوف صيني قديم-. مما مكن مسيوس من اكتشاف الحالات الكمية للفوتونات المفردة التي سنبعثها من كوكبنا، وكان ذلك إنجازًا كبيرا كسر حاجز المسافات البعيدة التي كان من الصعب تحقيقها.[3]
• مؤخرًا كذلك، حقق فريق في ناسا ولأول مرة نقلا آنيًا كميًا مستدامًأ لكيوبتات وعلى مدى بعيد. إضافة إلى الدقة التى وصلت لأكثر من 90٪ وعلى بعد 44 كيلومترًا عبر ألياف ضوئية باستخدام أحدث الأجهزة للكشف عن الفوتون الفردي. صرح الفريق بأن الإنترنت الكمي قابل للتطبيق ومن شأنه أن يدخلنا عصرا جديدا من الاتصالات.[4]

ما الهدف من الانتقال الآني؟

إن الهدف الرئيس من النقل الآني الكمي في وقتنا هو إنشاء شبكات اتصالات غير قابلة للاختراق. ففي مدينة «جينان-Jinan» الصينية كان هناك تجارب فعلية لشبكة آمنة تعتمد على تكنولوجيا الكم. ويجرى تطوير شبكة تربط بين بكين وشنغهاي بما تسمى «العقد الموثوق» وأنها أول انترنت كمي وهي مهمة لتحديث المفتاح الكمي لإرسال معلومات مشفرة.[3]

نحن الآن في عصر الحوسبة الكمية الذي سيسطو قريبًا وستكون إمكانية كالانترنت الكمي متاحة في كل مكان! ولكن هل من الممكن أن تتحقق أمنيتنا في الانتقال الآني للبشر كما في أفلام الخيال العلمي ذات يوم؟

المصادر

1. qt
2. popularmachanics
3. bbc
4. nasa

ما الفرق بين البوابات المنطقية والبوابات الكمية؟

صرحت مؤخرًا شركة IBM بأنها بحلول 2023، ستكون حواسيبها من 1000 كيوبت ومع هذا التقدم الهائل والتصارع بين الشركات والمؤسسات العلمية في الحوسبة الكمية، سنعرف في هذا المقال كيف تتم العمليات داخل الحواسيب الكمية، ما الذي يتحكم في الكيوبت؟ وقبل البدء في اللبنات الأساسية للحوسبة الكمية، فلعلك سألت نفسك يومًا كيف تتدفق المعلومات في الحاسوب الكلاسيكي وتخرج إلينا؟ إنها «البوابات المنطقية-Logical gates»! فما هي وكيف تعمل وما أهميتها؟

البوابات المنطقية

تُعد البوابات المنطقية اللبنة الأساسية للإلكترونيات الرقمية داخل الحاسوب. فهنالك ما يقارب من 100 مليون بوابة تمر المعلومات عبرها وهذه البوابات مصنوعة من الترانزستورات مع مكونات كهربائيّة أخرى مثل المقاومات والثنائيات، فهي وحدات من الجهاز العصبي المركزي للحاسوب وتحتوى الدوائر المنطقية على أجهزة مثل ALU أو وحدة الحساب المنطقي أو معدات الإرسال أو التسجيل.

فمثلًا عندما تقوم الخلايا العصبية بتمرير المعلومات الكهروكيميائية في جميع أجزاء أجسامنا، تقوم البوابات المنطقية بنفس الفعل لكن عن طريق تمرير المعلومات الإلكترونية في جميع أنحاء الحاسوب.

فتتخذ البوابات المنطقية قرارًا بناءً على مجموعة من الإشارات الرقمية القادمة من مدخلاتها، ومعظم البوابات المنطقية تحتوي على مدخلين ومخرج واحد، وتعتمد على الجبر البوليني. فتقوم بإجراء عمليات منطقية على مدخلات ثنائية أي في الحواسيب التي تعتمد على النظام الثنائي -وهو نظام يستخدم لتمثيل القيم العددية متكون من رمزين أو حالتين 0 (إطفاء، خطأ) و1 (صح، تشغيل). فتتكون من مدخلات ومخرجات في الأسلاك داخل الحاسوب.

الآن لنتعرف على الأنواع المختلفة من البوابات المنطقية.

بوابة (NOT)

هي أبسط البوابات المنطقية وتعرف أيضًا باسم العاكس، حيث تقبل إدخالًا واحدًا ويخرج منها قيمة معاكسة لهذا الإدخال، فمثلًا إذا أدخلت 1 فإن الناتج (الخرج) سيكون 0 والعكس صحيح. قد يبدو لك ذلك أمر هين ولكن في الحواسيب يمكننا بناء منطق معقد من خلال الجمع بين العديد من العمليات الصغيرة.

بوابة (AND)

تقبل تلك البوابة اثنين من المدخلات وإذا كان كل منهما قيد التشغيل أو 1 و1 فإن الخرج سيكون 1 وإذا كانت المدخلات في حالة توقف أي 0 و0 فإن الخرج سيكون 0. أما إذا كان مدخل قيد التشغيل والأخر متوقف فإن الخرج سيكون 0. فهي تُعامل كعملية الضرب أي 11=1، 10=0 وهكذا… وتتمثل عملية فهم العمليات المنطقية في إنشاء جدول الحقيقة لجميع المدخلات والمخرجات الممكنة.

جدول الحقيقة -وهو جدول رياضي مستخدم في الجبر البوليني ويتم تمثيل (1 بصح أو True و0 بخطأ أو False-:

بوابة (OR)

تقبل البوابة المنطقية OR -أو تُسمى “أو”- مدخلين وإذا كان كلا مدخلين 1 فإن الخرج 1، وإذا كان كلا المدخلين 0 فإن المدخل 0… وإليكم جدول الحقيقة لتوضيح باقي القيم.

بوابة (NAND)

هي مزيج من البوابة AND و NOT. وإليك جدول الحقيقة والرسوم التوضيحية التالية: بوابة (NOR) هي مزيج من البوابة OR و NOT. وإليك جدول الحقيقة والرسوم التوضيحية التالية:

بوابة (NOR)

هي مزيج من البوابة OR و NOT. وإليك جدول الحقيقة والرسوم التوضيحية التالية:

بوابة (XOR)

وX من Exclusive وهي تتضمن NOT, OR, AND وإليك جدول الحقيقة والرسوم التوضيحية التالية:

الآن بعد ما عرفنا عن ماهية البوابات المنطقية، لننتقل إلى صلب موضوعنا وهو البوابات الكمية، ماذا تعني، ما الفارق بينها وبين البوابات المنطقية؟ هذا ما سنعرفه في السطور التالية.

ما الفرق بين البوابات المنطقية والبوابات الكمية؟

تتعامل الحواسيب الكلاسيكية مع البتات باستخدم البوابات المنطقية التي ذكرناها، بالمثل تمثل الكيوبتات وحدة بناء الحواسيب الكمية باستخدام بوابات الكم. فتُطبق البوابات الكمية على الكيوبتات وتتغير حالات الكيوبت اعتمادًا على البوابة التي يتم تطبيقها. فيوجد حاللت للكيوبت ويمكن تمثيله بواسطة نظام ثنائي الأبعاد.

فالفارق بين البوابات المنطقية والكمية هو البنية الأساسية لهما البت والكيوبت، الكيوبت في الحالة الكمية له حالات مميزة ومختلفة كالتراكب وإليك البوابات الرئيسة في الحواسيب الكمية.

تمثل المصفوفات بعض الدوائر الكمية شائعة الاستخدام؛ لذلك فالمعرفة بالجبر الخطي مهمة وهذا ما سنراه…

البوابات الكمية

بوابات باولي Pauli gates

هي مصفوفات باولي الثلاثة وهي تمثل كيوبت واحد، حيث Pauli-X,Pauli-Y, Pauli-Z تمثل دوران الكيوبت حول محاور Y, X, Z في كورة بلوخ. بوابة X هي البوابة المكافئة لبوابة NOT في الحواسيب الكلاسيكية، ويتم تمثيلها بواسطة مصفوفة Pauli-X وكرة بلوخ:

بالمثل بوابة Y هي تشبه لحد كبيرة X ولكن مع وجود i بدلًا من 1 وعلامة سالبة أعلى اليمين.

أما بوابة Z فهي مشابهة أيضًا لكن مع وجود علامة سالبة.

•فتقوم Y, Z بتغيير دوران الكيوبت أيضًا.

بوابة Hadamard

لجعل الجسيم في حالة تراكب، تُطبق بوابة معينة وهي بوابة Hadamard وهي بوابة معروفة في الحوسبة الكمية ومثل Pauli-X تعمل على كيوبت واحد وبمصفوفة 2*2 أيضًا. فهي لا تحول فقط دوران الإلكترون بل تخلق تراكب لكل حالة.

يوجد العديد من البوابات الأخرى لكن ما ذكرناه هو الرئيس، تعمل بمصفوفات على نظم 4*4 و8*8… لكن ليس بكم البوابات فتذكر أنه طالما عرفت الأساس يمكنك استخدامه مثل بوابات OR, NOT, AND هم أساس البوابات المنطقية وبقية البوابات هي فرع منها. فتبعنا عزيزي القارئ، لمعرفة المزيد من التفاصيل عن الحوسبة الكمية.

المصادر

• quantum computing for the quantum curious (49:55)

• qistit

• khanacademy

• byjus

يتكون دماغ الإنسان من حوالي 100 مليار خلية عصبية على عكس الخلايا الأخرى، لا تتكاثر الخلايا العصبية أو تتجدد وترسل الخلايا العصبية إشارات إلى دماغك وتستقبلها ومن بين كل الخلايا فهي حقًا فريدة من نوعها من الناحية الهيكلية والوظيفية. وأوضحت الدراسات أنه يعاني حوالي 2.5 مليون فرد من إصابات الدماغ ويتوفى تقرييًا 50.000 ويعاني 80.000 من إعاقة دائمة كل عام. وفي هذا المقال سنتعرف عزيزي القارئ على تلف الدماغ وأعراضه وأسبابه وتشخيصه والعلاج… وقبل الدخول في موضوعنا علينا دعنا بداية نتعرف على مكونات وأنواع الخلية العصبية.

مكونات الخلية العصبية

تختلف أجزاء الخلايا العصبية في الحجم والشكل والبنية حسب دورها وموقعها وبالرغم من ذلك فجميع الخلايا العصبية تحتوي على ثلاثة أجزاء رئيسية وهم:

جسم الخلية

جسم الخلية يعرف أيضًا باسم «Soma» وهو جوهر الخلية العصبية، فهو يحمل المعلومات الجينية ويحافظ على بنية الخلايا العصبية ويوفر الطاقة للقيام بالأنشطة اليومية. ومثل أجسام الخلايا الأخرى يحتوي على نواة وعضيات متخصصة ومحاط بغشاء يحميه.

محور الخلية العصبية

المحوار أو المحور عبارة عن هيكل طويل يشبه الذيل وتحتوي كل الخلايا العصبية بشكل عام على محور عصبي واحد يرتبط بجسم الخلية عند تقاطع يسمى رأس المحور العصبي وتُعزل العديد من المحاور بمادة تسمى «المايلين-Myelin» ويساعد المايلين المحاور العصبية في توصيل الإشارات الكهربية.

التشعبات العصبية

التشعبات العصبية أو الزوائد الشجرية هي جذور ليفية تتفرع من جسم الخلية، تستقبل وتعالج الإشارات من المحاور العصبية ويختلف عددهم بناء على دورهم. فمثلًا خلايا «بركنجي-Purkinje» نوعًا خاص من الخلايا العصبية المتواجدة في المخيخ فهي متطورة للغاية وتسمح باستقبال آلاف الإشارات.

ما هي أنواع الخلايا العصبية؟

تختلف أنواع الخلايا العصبية في التركيب والوظيفة وبالنظر إلى ذلك العدد الهائل من الخلايا العصبية فهناك آلاف من الأنواع المختلفة مثل وجود آلاف الكائنات الحية على الأرض. وهي الوحدات الأساسية للدماغ والجهاز العصبي.

فمن حيث الوظيفة يصنف العلماء الخلايا العصبية إلى ثلاثة أنواع:

الخلايا العصبية الحسية

الخلايا العصبية الحسية هي من تساعدك على التذوق والشم والسماع والرؤية… تجعلك تشعر بالعالم من حولك.

فمثلًا ركضك على الرمال الساخنة ينشط الخلايا العصبية الحسية في باطن قدميك. فترسل هذه الخلايا رسالة إلى عقلك تجعلك تدرك تلك الحرارة.

الخلايا العصبية الحركية

الخلايا العصبية الحركية تلعب دورًا في الحركات الإرادية واللاإرادية، وتسمح للدماغ والحبل الشوكي بالتواصل مع العضلات والأعضاء والغدد في جميع أنحاء الجسم. هناك نوعان منها العلوي والسفلي، فالخلايا العصبية السفلية تحمل الإشارات من الحبل الشوكي إلى العضلات الملساء والعضلات الهيكلية بينما الخلايا العصبية العلوية تحمل إشارات من الدماغ إلى الحبل الشوكي (حيث الخلايا العصبية السفلية التي تأخذ الإشارات منها).

فمثلًا عندما تأكل ترسل الخلايا العصبية الحركية السفلية في الحبل الشوكي إشارات إلى العضلات الملساء في المريء والمعدة والأمعاء؛ فتنقبض تلك العضلات مما يسمح للطعام بالمرور عبر جهازك الهضمي.

الخلايا العصبية الداخلية

الخلايا العصبية الداخلية هي وسيط عصبي بين الدماغ والحبل الشوكي، وهي أكثر أنواع الخلايا العصبية شيوعًا وتنقل إشارات من الخلايا العصبية الحسية إلى الخلايا العصبية الحركيّة، فتعتبر وسيط بين الخلايا وبعضها.

فمثلًا عند تلمس كوبًا من الشاي الساخن، ترسل الخلايا العصبية الحسية في أطراف أصابعك إلى الخلايا العصبية الداخلية في الحبل الشوكي، فتقوم الخلايا العصبية الداخلية بتمرير تلك الإشارات للخلايا العصبية الحركية في يدك، مما يجعلك تحرك يدك.

فبعد تلك المقدمة البسيطة عن الخلايا العصبية، لنبدأ الآن في معرفة ما هو تلف الدماغ | أسبابه وأعراضه والعلاج.

ما هو تلف الدماغ؟

يحدث تلف الدماغ عندما يصاب دماغ الشخص بإصابة رضحية كالسقوط أو حادث سيارة أو إصابات غير رضحية كالسكتة الدماغية. أو ربما بسبب الاكتئاب، إذ يعاني 280 مليون شخص في العالم من الاكتئاب، وتشير الدراسات إلى أن الاكتئاب يسبب ضمور الخلايا -موت الخلايا وفقدانها تدريجيًا- (يتم علاج ذلك بأدوية المضادة للاكتئاب) ولكز حتى بعد العلاج من الاكتئاب يستمر الضرر في صورة صعوبات في التذكر والتركيز.

فلا يعود الدماغ كما كان سابقًا فهو ليس كالجروح أو الإصابات الأخرى بجسدك وفي السطور التالية سنوضع أنواع وأسباب وأعراض والعلاج لإصابات الدماغ التي تؤدي لتلفه.

ما هي أنواع الإصابات التي تؤدي لتلف الدماغ؟ وما هي أسبابها؟

الإصابات الرضحية

الإصابات الرضحية أي المتعلقة بصدمة ما والإصابات غير الرضحية. فتحدث إصابات الدماغ الرضحية بسبب ضربة أو إصابة قوية في الرأس تؤدي إلى إتلاف الدماغ وأنواعها:

• إصابة الرأس المغلقة وهي تحدث عندما تخترق قوة خارجية الرأس مثل ضربة في الرأس أو الجمجمة وتسبب إصابة وتورمًا في الدماغ.

• إصابة مخترقة وهي نوع تسببه رصاصة أو سكين أو أي أداة حادة أخرى وتعرف بإصابة الرأس المفتوح كذلك.

• ارتجاج في المخ ويكون نتيجة لإصابة في الرأس المغلقة أو المخترقة وتسبب ضعفًا في وظائف المخ.

• الكدمة هي إصابة تسبب نزيف في الدماغ وهي ناتج عن ضربة في الرأس.

• متلازمة هز الرضيع وتعرف باسم صدمة الرأس المؤذية وذلك نتيجة هز طفل بقوة.

الإصابات غير الرضحية

الإصابات غير الرضحية ويطلق عليها الأطباء أيضًا الإصابات الدماغية المكتسبة وأنواعها:

• نقص الأكسجين مثل الاختناق أو الغرق…

• التهاب الدماغ وهناك عدة أسباب للإصابة به ولكن أكثرهم شيوعًا هي العدوى الفيروسية وغالبًا ما يتسبب التهاب الدماغ في ظهور علامات وأعراض شبيهة بالإنفلونزا الخفيفة -مثل الحمى أو الصداع- أو عدم ظهور أيه أعراض.

• السكتة الدماغية وتحدث نتيجة عدم تدفق الدم إلى الدماغ بسبب جلطة دموية أو نزيف في المخ.

• الورم الدماغي ويشمل سرطان الدماغ والأمراض المرتبطة بالسرطان.

أعراض تلف الدماغ

الدماغ عضو معقد فكل جزء له وظائف مختلفة ويمكن أن تحدد المنطقة المتضررة أعراض الشخص ويمكن أن يتسبب تورم الدماغ في ظهور أعراض مختلفة.

فمثلًا من الأعراض:

• صعوبة الرؤية.

• تأثر التوازن.

• صداع في الرأس.

• النوبات.

• مشاكل في الذاكرة.

كذلك يمكن أن يتسبب تلف الدماغ في تغيرات في الشخصية بالإضافة للأعراض الجسدية. ففي بعض الأحيان، قد يكون الطبيب قادرًا على التنبؤ بالأعراض التي قد يعاني منها الشخص بناء على منطقة معينة تعرضت للتلف في الدماغ. أمثلة على أعراض الإصابة بأجزاء معينة في الدماغ:

• الفص الجبهي وهو الجزء الأمامي من الدماغ (تحت الجبهة) والمسؤول عن الوظائف التنفيذية مثل التخطيط للمستقبل والحكم ومهارات اتخاذ القرار وتحويل الأفكار إلى كلام والمهارات الحركية وتكوين الذكريات وفهم مشاعر الآخرين والتفاعل معها وتشكيل الشخصية…

• الفص الصدغي (تحت الأذنين) ويتمركز دوره حول المحفزات السمعية والذاكرة والعاطفة. فهو المسؤول عن تفسير المعلومات في شكل أصوات للأذنين. ويستقبل الترددات والأصوات والنبرات المختلفة ويعطيها معنى ويلعب دور في التعرف على الأشياء وفهم اللغة.
• الفص الجداري وهو المسؤول عن معالجة المعلومات الحسية والتي تتعلق بالحواس الخمس، ويقع في الجزء العلوي الخلفي من الجمجمة.

• الفص القذالي وهو المسؤول عن الإدراك البصري مثل اللون والشكل والحركة…

كذلك يمكن أن تكون إصابات جذع الدماغ -يقع في الجزء السفلي الخلفي من الرأس- كارثية، وهو المسؤول عن التنفس ومعدل ضربات القلب ودورات النوم.

كيف يتم تشخيص تلف الدماغ؟

ينظر الأطباء أولًا للأعراض والأحداث التي أدت إلى إصابته فعلى سبيل المثال قد يسألون ما إذا كان الأشخاص الآخرون قد رأو الشخص يفقد وعيه لفترة زمينة أم لا.

سينظرون أيضًا إلى سلوكياته وهل اختلفت عن ما كان معتاد أم لا. من ثم إجراء فحوصات لتحديد مدى الإصابة مثل فحوصات التصوير المقطعي أو الفحوصات الآخري التي تدل على وجود أورام أو نزيف أو أي أضرار أخرى في الدماغ.

كذلك تحاليل الدم التي قد تكشف عت علامات العدوى وآثار وأسباب الإصابات الرضحية وغير الرضحية. اختبارات الدماغ أيضًا، فقد طور الأطباء عددًا من الاختبارات التي تستهدف مناطق معينة من الدماغ مثل الذاكرة وحل المشكلات والتركيز.

أنواع العلاج حسب الأعراض

تعتمد علاجات تلف الدماغ على نوع الإصابة وأعراض الشخص. يمكن أن تختلف أيضًا بمرور الوقت، ووفقًا للمعهد الوطني للاضطرابات العصبية والسكتة الدماغية، فإن ما يقدر بنحو 50% من المرضى الذين يعانون من إصابات خطيرة في الرأس يحتاجون إلى جراحة. وذلك عندما يكون هناك نزيف كبير في الدماغ أو ورم في أو أجسام غريبة في الجمجمة أو الدماغ نفسه. فيضع الجراح أدوات لمراقبة ضغط الشخص داخل الجمجمة أو لتصريف الدم أو السائل الدماغي النخاعي ويمكن أن يساعد ذلك في تقليل الضغط في الدماغ ومنع الإصابة المستمرة.

إذا كانت إصابة الدماغ شديدة أو تعرض لإصابات أخرى في الجسم، فسيدخل الطبيب أنبوب تنفس لدعم تنفسه أثناء شفاء دماغه وجسمه. يمكن للأطباء أيضًا إعطاء مضادات حيوية لعلاج الالتهابات أو أدوية لعلاج اختلال التوازن.

بعد علاج أكثر مراحل الإصابة خطورة، يوصي الأطباء تحت إشرافهم المريض بعلاجات مثل

العلاج الطبيعي و النفسيى.

يمكن أن تستغرق إصابة الدماغ وقتًا وجهدًا للتعافي وقد لا تعود دماغ بعض الأشخاص أبدًا إلى وظائفهم المعرفية بشكل كامل عما كانت قبل إصابتهم.

كيف يمكنك الوقاية من الإصابات التي تؤول لتلف الدماغ؟

يمكنك الوقاية من خلال الأخذ بالإجراءات الاحترازية عند السفر أو خروجك من المنزل عامة أو ممارسة الرياضة كربط حزام الأمان عند ركوب سياراتك كذلك عند ممارستك أي رياضة. فمثلًا ركوب الدرجات يلزم ارتداء خوذة وإذا كان لديك أطفال تجنب متلازمة هز الرضيع وكذلك أجعل المكان المتواجدين به أمن. إذ سقطت أو تعرضت دماغك لأي ضرر -حتى لو طفيف بالنسبة لك- توجه إلى الطبيب فورًا وتذكر الأسباب السابقة التي عرضنها جيدًا.

المصادر

• healthline

• cdc

• sceincedaily

• healthline

• webmd

مدخل للمفاهيم الأساسية في الجبر الخطي وعلاقته بالحوسبة الكمية

في أواخر صيف 1949، كان الأستاذ بجامعة هارفارد «واسيلي ليونتيف-Wassily Leontief» لديه آخر الأوراق التي تحوي على معلومات حول الاقتصاد الأمريكي، إذ مثلت ملخصًا لأكثر من 250 ألف معلومة والتي أصدرها مكتب الولايات المتحدة لإحصاءات العمل بعد عامين من العمل المكثف. قسم ليونتيف الاقتصاد الأمريكي إلى 500 قطاع مثل قطاع صناعة الفحم، وصناعة السيارات، والاتصالات وهكذا… ولكل قطاع، من ثم كتب معادلة خطية وصف فيها كيف قام القطاع بتوزيع إنتاجه على قطاعات الاقتصاد الأخرى. ولأن مارك 2 أحد أكبر الحواسيب في ذلك العصر لم يستطع التعامل مع نظام من 500 معادلة في 500 مجهول، قام ليونتيف بترشيح المشكلة (وهي حل تلك المعادلات) واختزالها في نظام من 42 معادلة في 42 مجهول. 

ليونتيف والنمذجة الرياضية

تطلبت برمجة حاسوب مارك 2 جهد ضخم وكل ذلك لمعرفة المدة التي سيستغرقها الحاسوب في حل المشكلة. وها قد قام بها الحاسوب في 56 ساعة. ففتح ليونتيف الحائز على جائزة نوبل في العلوم الاقتصادية عام 1973 الباب على مصرعيه لعصر جديد في النمذجة الرياضية في الاقتصاد. إذ كانت جهوده في جامعة هارفارد عام 1949 بمثابة أول استخدام هام للحواسيب. ومنذ ذلك الوقت، استخدم الباحثون الحواسيب في المجالات الأخرى في تحليل النماذج الرياضية، وذلك يرجع إلى كمية البيانات الضخمة التي تتضمن نماذج رياضية وتكون موصوفة عادة بالمعادلات الخطية. فازدادت أهمية الجبر الخطي للتطبيقات بالتناسب مع قوة الحوسبة. إذ أدى كل جيل جديد من الأجهزة والبرامج إلى زيادة الطلب لقدرات أعلى. 

فترتبط علوم الحاسوب بالجبر الخطي وهو فرع من الرياضيات يهتم بدراسة الفضاءات المتجه والتحويلات الخطية والنظم الخطية. من خلال النمو المتزايد للمعالجة المتوازية والحسابات واسعة النطاق. يعمل المهندسون الآن على حل مشاكل أكثر تعقيدًا كان يحلم بحلها قبل عقود. اليوم، الجبر الخطي من أهم المواضيع التي يجب على الطلاب في المجالات العلمية والتجارية أن يهتموا بها. 

تطبيقات للجبر الخطي

سنجد الجبر الخطي في علم الوراثة وفي الاقتصاد ودراسة الأنظمة المقعدة وتحليل البيانات… كذلك هو لغة الحوسبة الكمية، فالفهم الجيد للمفاهيم الأساسية التي يُبنى عليها الجبر الخطي هام لفهم الحساب الكمي.

ومن الأمثلة الشهيرة كتطبيق له، التنقيب عن النفط مثلًا. عندما تبحث السفن عن رواسب نفطية، تحل حواسيب خاصة آلاف من المعادلات الخطية. أيضًا في الطيران، تقوم برامج خطية بجدولة الرحلات الجوية أو تخطيط الجداول الزمنية المتنوعة لخدمات الدعم مثل الصيانة. كذلك يستخدم المهندسون برامج المحاكاة لتصميم الدوائر الكهربائية والرقائق المعدنية التي تتضمن ملايين الترانزستورات فمثل تلك البرامج تعتمد على تقنيات الجبر الخطي وأنظمة المعادلات الخطية. 

تعتمد ميكانيكا الكم على الجبر الخطي، إذ تستخدم النظرية العامة المتجهات اللانهائية الأبعاد. لكن لوصف الدوران والاستقطاب للكيوبت لا نحتاج سوى أبعاد محدودة مما يسهل علينا الفهم. فبعض المفاهيم الأساسية التي سنقدمها هامة فيما بعد. 

سنستخدم تدوين «بول ديراك-Paul Dirac»، إذ استخدم على نطاق واسع في ميكانيكا الكم والحوسبة الكمية ولا يتم استخدامه خارج هذه التخصصات. سنستخدم الأرقام الحقيقة (الأعداد العشرية القياسية التي نعرفها جميعنا) في كتب أخرى يتم استخدام الأعداد المركبة. 

لماذا الأعداد الحقيقة وليست الأعداد المركبة؟ 

تعد الأعداد الحقيقة سهلة الاستخدام على عكس المركبة الأكثر تعقيدًا. يعتمد النموذج الرياضي للدوران ثلاثي الأبعاد على أعدادًا مركبة، بالرغم من ذلك فالحسابات الخاصة بالكيوبتات تحتاج قياس الدوران في بعدين فقط. 

 سنبدأ الآن بمناقشة أهم الكميات الرياضية في الحساب الكمي وهو المتجه. إذ لفهم الحوسبة الكمية يكون للكيوبت حالات 1 أو 0 أو تراكب أو كليهما باستخدام الجبر الخطي يتم وصف حالة الكيوبت على أنه متجه ويتم تمثيله بمصفوفة. والآن لنعرف بعض المفاهيم ونبدأ بالمتجه. 

ما هو المتجه؟ 

المتجه هو كمية لها مقدار واتجاه، وهندسيًا يمكننا تخيل المتجه كقطعة مستقيمة موجهة.

يمكننا تصور هذا المتجه كسهم ويشير في اتجاه 3 وحدات على طول المحور X و5 وحدات على طول المحور Y: 

ويُمثل المتجه بمجموعة من الأرقام وهي أبعاد المتجه وإذا كانت قائمة الأرقام مكتوبة بشكل عمودي فنسيمها متجهات العمود أو كيت «ket» وإذا كانت القائمة مكتوبة بشكل أفقي تسمى متجهات الصف أو برا «bra»: 

وكيت وبرا هما عبارة عن رمز براكيت، وهو رمز أدخله بول ديراك لتسهيل كتابة معادلات ميكانيكا الكم ولتوضيح الجانب المتجهي المُمثل للحالة الكمية.  

الأن هيا بنا لنتعرف على العمليات الأساسية للمتجهات… 

العمليات الأساسية على المتجهات 

جمع المتجهات  

القاعدة 

(a₁,b₁) + (a₂,b₂) = (a₁+a₂, b₁+b₂) 

على سبيل المثال: 

طرح المتجهات  

القاعدة 

(a,b) – (c,d) = (a-c, b-d) 

على سبيل المثال: 

 

الضرب القياسي للمتجهات 

القاعدة 

k⋅(a,b)=(k⋅a,k⋅b)  

على سبيل المثال:

مثال شامل:

ما هي المصفوفة؟ 

 هي ترتيب مستطيل من الأرقام وتكون مكونة من صفوف وأعمدة. 

فالمصفوفة A تتكون من 3 أعمدة وصفين. 

أنواع المصفوفات 

مصفوفة الصف 

هي مصفوفة تحوي صف واحد فقط. 

على سبيل المثال:

 مصفوفة العمود 

 هي مصفوفة تحوي عمود واحد فقط. 

على سبيل المثال:

المصفوفة الصفرية 

هي التي كل عناصرها صفر. 

المصفوفة الأفقية 

وهي مصفوفة عدد الصفوف فيها أقل من عدد الأعمدة. 

على سبيل المثال:

المصفوفة الرأسية 

 هي مصفوفة عدد الأعمدة فيها أقل من عدد الصفوف. 

على سبيل المثال:

المصفوفة المربعة 

 هي التي عدد الصفوف فيها مساوي لعدد الأعمدة. 

على سبيل المثال:

المصفوفة القطرية 

هي التي يكون فيها عناصر القطر الرئيس أرقام وباقي المصفوفة أصفار. 

المصفوفة العددية 

هي مصفوفة قطرية لكن عناصر القطر الرئيس تحتوي عدد ثابت. 

على سبيل المثال:

مصفوفة الوحدة 

هي مصفوفة قطرية جميع عناصر القطر الرئيس تكون واحد. 

على سبيل المثال:

المصفوفات المتساوية 

هي المصفوفات المتساوية من حيث عناصرها. 

المصفوفة المثلثية 

هي مصفوفة مربعة تكون فيها العناصر أعلى أو أسفل القطر الرئيس تساوي  صفر. 

على سبيل المثال:

المصفوفة المفردة وغير المفردة 

هي المصفوفة التي محددها يساوي صفر والمصفوفة غير المفردة هي التي محددها له قيمة غير الصفر. 

على سبيل المثال:

محدد المصفوفة هو أي من هذه الخيارات يعد محدد لها:  

فمثلا اذا حسبنا أي محدد منهم لن يعطينا صفر فالمحدد الأول سيساوي 40 (6*9-4*4=40). لذلك المصفوفة غير مفردة. 

المصفوفة المتماثلة 

 هي مصفوفة مربعة تساوي مدورها. 

 على اليمين المصفوفة الأصلية وعلى اليسار مدورها: 

المصفوفة شبه المتماثلة 

 هي مصفوفة مربعة تساوي سالب مدورها. 

العمليات على المصفوفات 

جمع المصفوفات 

طرح المصفوفات 

ضرب المصفوفات 

  لاحظ نقوم بضرب الصف الأول في العمود الثاني ونجمع والصف الثاني في العمود الثاني ونجمع وهكذا 

المتجهات والمصفوفات في الحوسبة الكمية 

في الحوسبة الكمية علمنا أن الكيوبت يمكن أن يكون في حالة 1 أو 0 أو تراكب أو كليهما. باستخدام الجبر الخطي، يتم وصف حالة الكيوبت على أنه متجه ويتم تمثيله بمصفوفة من عمود واحد 

ويجب أن تستوفي حالة الكيوبت شرط 

 
في الحواسيب والمحاكيات الكمية، تُستخدم العمليات الكمية لتعديل حالة الكيوبت. عندما يتم تطبيق عملية كمية على كيوبت، يتم ضرب المصفوفتين اللتين تمثلهما وتمثل الإجابة الناتجة الحالة الجديدة للكيوبت بعد العملية. 

الأن لنأخذ مثال بسيط ونمثل حالتين لكيوبت  

كل كيوبت عبارة عن فراغ متجه، لذا لا يمكن ضربه فقط. بدلاً من ذلك، يمكنك استخدام موتر (أحد الدالات الرياضية التي لا تتميز بوحدات للقياس. يتميز الموتّر بأنه يحتوي في خواصه خواص الأعداد المطلقة scalar، والمتجهات، والمعاملات الخطية)، وهي عملية ذات صلة تنشئ مساحة متجهية جديدة من مسافات متجهة فردية، ويتم تمثيلها بواسطة هذا الرمز التالي “⊗”

على سبيل المثال، حاصل الضرب الموتر لحالتين من كيوبتات:

ونتيجة ذلك مصفوفة رباعية الأبعاد، إذ يمثل كل عنصر احتمالًا. في المقالات القادمة سنتعرف على المزيد من العمليات التفصيلية للكيوبت.

المصادر

• Bernhardt Chris Quantum computing for everyone-The MIT Press-2019

• microsoft

• byjus

التجربة الثورية في ميكانيكا الكم: تجربة شتيرن-غيرلاخ

أحدثت تجربة شتيرن-غيرلاخ ثورة في ميكانيكا الكم، إذ أظهرت أن الكم المكاني موجود بالفعل وهو ظاهرة لا يمكن استيعابها إلا بميكانيكا الكم وسنتعرف في مقالنا على تلك التجربة لكن دعونا أولا نأخذ نبذة عن علمائها…

* (لمعرفة بعض من ظواهر ميكانيكا الكم تابع مقال ما الفرق بين البت الكمي والبت الكلاسيكي؟)

من هو «أوتو شتيرن-Oto Stern»؟

هو عالم ألماني، ولد في عام 1888 في Żary وهي مدينة غرب بولندا وتوفي في 1969 في Berkeley، حاز على جائزة نوبل للفيزياء عام 1943.

مراحل في حياة شتيرن

كان يدرس مبكرًا نظرية الديناميكا الحرارية الإحصائية وأصبح محاضرًا في الفيزياء النظرية بجامعة فرانكفورت ومن ثم أستاذًا في الكيمياء الفيزيائية في جامعة هامبورغ.

حينها أجرى شتيرن ووالتر جيرلاخ تجربتهما التاريخية في هامبورغ في أوائل عشرينيات القرن الماضي.

اضطر شتيرن في عام 1933 للمغادرة من ألمانيا بسبب وصول النازيين إلى السلطة وذهب إلى الولايات المتحدة. إذ أصبح باحثًا في الفيزياء في معهد كارنيجي للتكنولوجيا ومكث هناك لحين تقاعده عام 1945.

حصل على جائزة نوبل عام 1943 لدوره في التجربة الشهيرة شتيرن-غيرلاخ في حين استُبعد زميله والتر غيرلاخ لأنه استمر في العمل مع النازيين أثناء الحرب، وأحدثت تجربتهما ثورة في ميكانيكا الكم. [1]

من هو «والتر غيرلاخ-Walther Gerlach»؟

هو عالم فيزيائي ألماني ولد في 1889 في Biebrich am Rhein وتوفي في 1979 في Munich. اشتهر بشكل خاص بعمله مع أوتو شتيرن.

مراحل في حياة غيرلاخ

تلقى تعليمه في جامعة توبنغن، إذ أصبح محاضرًا عام 1916 وبعد فترات في غوتنغن وفرانكفورت عاد إلى توبنغن كأستاذ في الفيزياء في عام 1925. ومن ثم أستاذ في الفيزياء في ميونخ من عام 1929 إلى عام 1957.

قدم مساهمات عدة في مجالات الإشعاع والتحليل الطيفي ونظرية الكم وله عدة كتب مثل «Magnetismus (1931), Include Grundlagen der Quantentheorie (1921), Humaniora und Natur (1973)». [2]

ما هي تجربة شتيرن-غيرلاخ ببساطة؟

يدور الإلكترون حول النواة وينتج عنه تيار وتتصرف الذرة كما لو كانت مغناطيسيًا صغيرًا! أجرى كل من العالمان أوتو شتيرن ووالتر غيرلاخ تجرية في عام 1922 هدفها توضيح الاتجاه المكاني للجسيمات الذرية ودون الذرية ذات القطبية المغناطيسية. (أي إثبات أن الحركة المدارية للإلكترون كمية).

ما الذي استخدماه شتيرن وغيرلاخ في تجربتهما؟

•فرن كهربائي
•مجال مغناطيسي غير منتظم
•عينة من الفضة
•لوح زجاجي

خطوات التجربة

تم تسخين عينة الفضة في فرن كهربائي، لتنطلق حزمة من ذرات الفضة. وُجهت تلك الحزمة -استخدمت ذرات الفضة لأن غلافها الخارجي يحتوى على إلكترون واحد فقط- عبر مجموعة من الشقوق المحاذية. ومن ثم عبرت مجال مغناطيسي غير منتظم (كان القطب الشمالي مددب لتصبح شدة المجال المغناطيسي كبيرة والجنوبي مقعر لتقل عنده شدة المجال المغناطيسي). [3]

ومن ثم تترسب ذرات الفضة على اللوح الزجاجي ويحدث ما هو ليس متوقع؟

فيما خالف تلك التجربة الفيزياء الكلاسيكية؟

تعد ذرة الفضة محايدة كهربيًا فهي مغناطيس ذري يتسبب في دوران إلكترون غير مزدوج في أن ينشأ قطب شمالي وقطب جنوبي مثل إبرة البوصلة تمامًا. كذلك في المجال المغناطيسي غير المنتظم تكون القوى الموجودة على القطبين غير متساوية. فعند توجيه الحزمة تترسب ذرات الفضة في منطقتين فقط كما موضح بالشكل.

هذا ما خالف الفيزياء الكلاسيكية لأنه توقع العلماء أن تتوزع ذرات الفضة بشكل عشوائي. من خلال تلك التجربة توصل العلماء إلى أن للإلكترون حركة مدارية كمية حول النواة. وآنذاك لم يكن معروف عدد الكم المغزلي وكان معروف العزم المغناطيسي فقط، إذ تحتوى ذرة الفضة على 47 إلكترون وفي غلافها الخارجي 5s يظهر الـ Spin حيث جميع إلكتروناتها عزمها المغناطيسي صفر وذلك لإكتمال جميع الأغلفة عدا الذرة الأخيرة، فتتصرف الذرة كجسم عدده الكمي مقداره 1/2. [3,4]

تطبيقات تجربة شتيرن-غيرلاخ

طُبقت تجربة شتيرن-غيرلاخ لدراسة النيتروجين النشط وكذلك كان لها الفضل في اكتشاف الرنين المغناطيسي على يد العالم إيزيدو رابي.

المصادر

مصدر 1 2 3 4

هزم حاسوب «IMB Deep Blue» بطل الشطرنج «غاري كاسباروف» في عام 1997، إذ حسب 200 مليون حركة في الثانية، وكان ذلك بسبب خطأ في برمجيه الجهاز، ومن المثير أن الحاسوب الكمي سيكون قادرًا على حساب تريليون حركة في الثانية! في عام 2019، حقق فريق من جوجل إنجازًا ببناء حاسوب كمي باستخدام كيوبتات فائقة التوصيل، فحاسوب «Sycamore» حل مشكلة تستغرق 10 آلاف سنة بالحواسيب التقليدية في 200 ثانية فقط… في عام 2020، بنى فريق صيني حاسوب كمي باستخدام كيوبتات ضوئية، إذ تعتمد على الضوء وتجعل الحاسوب أسرع. [7،8]

أما في يوليو الماضي، قام فريق بحثي صيني أخر ببناء جهاز حاسوب كمي، إذ أكمل هذا الحاسوب عملية حسابية في ما يزيد قليلًا عن ساعة مقارنة بحاسوب تقليدي سيكملها في ثماني سنوات! إضافة إلى شركة IBM التي صرحت أنها بحلول 2023، ستبني حاسوبًا كميًا من 1000 كيوبت، حيث أنه كلما زاد عدد الكيوبتات زادت سرعة ومعالجة الحاسوب. أخيرًا، تأتي الإمارات بأنها ستدخل هذا السباق وتستعد ببناء حاسوب كمي. [6،9]

فوسط هذا الصراع الكمي، نقدم لكم سلسلة في الحوسبة الكمية وعملياتها…

ففي هذا المقال سنتحدث عن البنية الأساسية للحواسيب الكمية؛ لنخوض بعدها في تفاصيل العوامل التي نتلاعب فيها بتلك البنية، وتلك البنية الأساسية هي الكيوبت أو البت الكمي؟ فما هو البت الكمي وما الذي يميزه؟

وقبل الحديث عن ماهية الكيوبت، علينا معرفة بعض المصطلحات الهامة، ألا وهي: التراكب والتشابك والتداخل.

ما هو التشابك الكمي؟

هو أحد الظواهر الغريبة التي نراها داخل عالم الكم، عندما يرتبط جسيمان أو أكثر بطريقة معينة بغض النظر عن المسافة بينهما في الفضاء. ففي العقود الأولى من القرن العشرين، طور الفيزيائيون الأفكار الأساسية وراء التشابك أثناء دراستهم لميكانيكا الكم ووجدوا أنه لابد لوصف الأنظمة دون الذرية استخدام ما يسمى بالحالة الكمية.

ما هي الحالة الكمية؟

لا يوجد شيء مؤكد في عالم الكم فمثلًا لا نعرف أبدًا مكان وجود الإلكترون في الذرة بالضبط، فتأتي الحالة الكمية هنا لتلخص احتمالية قياس خاصية معينة لجسم ما مثل موضعه… فتصف جميع الأماكن التي قد نجد فيها الإلكترون.

ميزة أخرى للحالات الكمية

صدرت ورقة بحثية في عام 1935، حيث قام إلبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزن بفحص مدى قوة ارتباط الحالات الكمية مع بعضها. وجدوا حينها أنه عندما يرتبط جسيمان؛ فإنهما يفقدان حالتهما الكمية الفردية ويتشاركان في حالة واحدة. تلك الحالة الموحدة هي التشابك الكمي. إذ بسبب الترابط الشديد، فإن قياسات أحد الجسمان تؤثر تلقائيًا على الآخر بغض النظر عن بعدهما عن بعضهما.

كان إروين شرودنجر أول عالم فيزياء استخدم كلمة “تشابك” وهو أحد مؤسسي ميكانيكا الكم ووصف التشابك بأنه الجانب الأكثر أهمية في ميكانيكا.

طرق تشابك الجسميات

هناك العديد من الطرق إحداها تتمثل في تبريد الجسميات ووضعها بالقرب من بعضها بحيث تتداخل حالاتها الكمية مما يجعل من المستحيل تمييز جسيم عن الآخر.

تتمثل الطريقة الأخرى في اعتمادها على بعض العمليات دون الذرية مثل الاضمحلال النووي والذي ينتج عنه تلقائيًا جزيئات متشابكة. كذلك من الممكن إنشاء جزيئات متشابكة من الفوتونات أو جسيمات الضوء. يمكن استخدام التشابك الكمي في التشفير وكذلك في الحوسبة الكمية. [3]

ما هو التراكب الكمي؟

إحدى الخصائص التي يتميز بها الكيوبت هي حالة التراكب، فالتراكب أحد المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم. يمكن رؤية الموجة التي تصف نغمة موسيقية على أنها عدة موجات بترددات مختلفة في الفيزياء الكلاسيكية. فالتراكب هو إضافة حالتين كميتين أو أكثر لخلق حالة كمية أخرى. [1]

ما هو التداخل الكمي؟

استمر الجدل حول إذا ما كان الضوء جزيئات أم موجات إلى أكثر من ثلاثمائة عام. حتى أعلن إسحاق نيوتن في القرن السابع عشر أن الضوء يتكون من تيار من الجسميات. وابتكر توماس يونغ تجربة الشق المزدوج في أوائل القرن التاسع عشر؛ لإثبات أن الضوء عبارة عن موجات. على الرغم من صعوبة قبول نتائج التجربة إلا أنها قدمت دليلًا على التداخل الكمي. حينها صرح الفيزيائي ريتشارد فاينمان أنه يمكن استيعاب أساسيات ميكانيكا الكم من خلال تجربة الشق المزدوج. [4]

يمكن أن تتداخل حالات الكيوبت مع بعضها لأن كل حالة تُوصف بسعة احتمالية مثل اتساع الموجات. يوجد نوعان من التداخل، فالتداخل البناء يعزز السعة والهدام يلغي السعة. تُستخدم تلك التأثيرات في خوارزميات الحوسبة الكمية مما يجعلها مختلفة عن الخوارزميات الكلاسكية. [3]

ما هو الكيوبت؟

تتضمن جميع العمليات الحسابية إدخال للبيانات ومعالجتها وفقًا لقواعد معينة ومن ثم إخراج النتيجة النهائية لنا. والوحدة الأساسية للبيانات هي “البت” أما الوحدة الأساسية للحسابات الكمية هي “البت الكمي أو الكيوبت”.

فالكيوبت الكمي يشبه البت الكلاسيكي. إذ من حيث قدرة البت الكلاسيكي فله حالتين 1 أو 0 أما البت الكمي فله حالات متعددة مثل 1 أو 0 أو 2 أو تراكبًا للحالات. [5]

كيف تصنع الكيوبتات؟

يمكن تصنيع الكيوبتات من أيونات أو فوتونات أو ذرات اصطناعية أو حقيقة أو اشباه الجسيمات.

كيف يتم تمثيل الكيوبتات؟

تُمثل الكيوبتات من خلال تراكب حالات متعددة محتملة، إذ يستخدم الكيوبت ظواهر ميكانيكا الكم.

إذ يمنح التراكب الحواسيب الكمية قوة حوسبة فائقة، فيسمح للخوارزميات الكمية بمعالجة المعلومات في وقت أقل ويعمل كل من التراكب والتداخل والتشابك على إنشاء قوة حوسبة يمكنها حل المشكلات بشكل أسرع من الحواسيب الكلاسيكية. [2]

المصادر

[1] Quantum-inspire
[2] Azure-Microsoft
[3] Livescience
[4] Whatis
[5] Jack D. Hidary, Quantum Computing: An Applied Approach, Springer, 2019, (page 17-18)

[6] Wired

Ibm [7]

bbc [8]

[9] Ibm

فقدت شركة أوبر بيانات 57 مليون راكب بالولايات المتحدة، وذلك نتيجة اختراق بيانات الشركة عام2016م. وتعرضت بيانات 600000 سائق للقرصنة، مما جعل الشركة تدفع 100 ألف دولار للمخترقين لكي يدمروا البيانات. وعلاوة على ذلك دفعت 148 مليون دولار لتسوية اتهامات فيدرالية بخصوص الاختراق، كما تم تغريمها بـ385 ألف جنية إسترليني. بالإضافة إلى ذلك تم تغريمها 532 ألف جنية إسترليني من قبل منظمي البيانات في هولندا بسبب نفس الانتهاك. إذ تم سرقة معلومات 174 ألف عميل هولندي. [1,2]

ستساعد الحواسيب الكمية في اختراق المزيد. إذ يوجد حوالي 4.5 مليار مستخدم للإنترنت في عام 2020م، وكل منهم ينقل كمية هائلة من البيانات، في شكل اتصالات مثل البريد الإلكتروني والتفاعلات على شبكات التواصل الاجتماعي والمعاملات التجارية أو الخدمات المصرفية. وكل تلك البيانات حساسة وتحمل معلومات خاصة. كيف نتأكد إذن من سلامة وأمن اتصالاتنا؟ [6]

تجد في هذا المقال مقدمة في التشفير. وجوابا لكيف نحمي البيانات من الحواسيب الكمية؟ كما ستجد مدخلا هاما للتعرف فيما بعد على عمليات الحوسبة التي نحمي بها البيانات الهائلة بواسطة التشفير. لكن أولا ما هو التشفير؟

ما هو التشفير؟

يستخدم التشفير الأمن السيبراني لحماية المعلومات من الهجمات الإلكترونية. ويعمل على تأمين البيانات الرقمية المرسلة على السحابة وأنظمة الكمبيوتر. [6]

يُعد التشفير وسيلة لحماية البيانات الرقمية باستخدم تقنية رياضية أو أكثر، إذ تقوم عملية التشفير بترجمة المعلومات باستخدام خورازمية تجعل المعلومات الأصلية غير قابلة للقراءة. [4,5]

فمثلًا:
يمكن لعملية التشفير تحويل نص عادي إلى نص مشفر. يستطيع المستخدم المصرح له بذلك فقط قراءته، ويمكنه فك التشفير باستخدام مفتاح ثنائي (أو أي مفتاح أُنشأ من مُشفر الرسالة أو النص)، حينها يتحول النص المشفر إلى نص عادي حتى يتمكن المستخدم المصرح له بالاطلاع على البيانات.

التشفير إذن وسيلة مهمة للشركات لحماية معلوماتها الحساسة من القرصنة. فنجد أن مواقع الويب التي تنقل أرقام بطاقات الائتمان والحسابات المصرفية تقوم دائمًا بتشفير المعلومات لمنع السرقة والاحتيال عليك. [4,5]

شروط عملية التشفير

الخوارزميات

هي القواعد أو التعليمات الخاصة بعملية التشفير. ويوجد عدة خوارزميات خاصة بعملية التشفير مثل Triple DES, RAS, and AES.

فك التشفير

عملية تحويل نص مشفر غير قابل للقراءة لنص عادي قابل للقراءة.

المفتاح

سلسلة عشوائية من البتات تستخدم لتشفير أو فك تشفير البيانات. فكل مفتاح يحوى أطوال من البتات مثل 128 بت و256 بت. ويوجد نوعان من المفاتيح: وهي المفاتيح المتماثلة والمفاتيح غير المتماثلة، ولمعرفتهم يجب التعرف على أنوع التشفير. يوجد العديد من الأنواع الأخرى، لكن النوعان الرئيسيان هما التشفير المتماثل والتشفير غير المتماثل. [6,5]

التشفير المتماثل:

هو تقنية يتم فيها تشفير البيانات وفك تشفيرها باستخدام مفتاح تشفير واحد وسري لا يعرفه سوى المستخدمون. يرجع تاريخ التشفير المتماثل للإمبراطورية الرومانية ويعد تشفير قيصر -سمى على اسم يوليوس قيصر- أقدم تشفير موجود، إذ استخدمه لتشفير مراسلاته العسكرية. والهدف من هذا النوع من التشفير هو تأمين المعلومات الحساسة. [5]

يعمل التشفير المتماثل بأسلوبين: التشفير التدفقي والتشفير الكتلي:

يحول التشفير التدفقي النص العادي إلى نص مشفر باستخدام واحد بايت في المرة الواحدة. أما التشفير الكتلي فيحول النص العادي إلى نص مشفر باستخدام وحدات أو كتل كاملة من النص. [5]

أمثلة على طرق التشفيرالمتماثل:

DES
عبارة عن خوارزمية تشفير كتل منخفضة المستوى، إذ تقوم بتحويل نص عادي من 64 بت لنص مشفر باستخدام مفاتيح من 48 بت.

التشفير غير المتماثل (تشفير المفتاح العام):

يستخدم التشفير غير المتماثل مفتاحين يعرفان باسم المفتاح السري (خاص) والمفتاح العام. يستغرق التشفير غير المتماثل وقتًا أطول وتعد البيانات غير المتماثلة أكثر أمانًا، لأنها تستخدم مفاتيح مختلفة لعملية التشفير وفك التشفير، كما أن التشفير غير المتماثل أحدث من التشفير المتماثل. [6,5]

أمثلة على طرق التشفير غير المتماثل:

RSA
وقد سميت على أسماء علماء الكمبيوتر Ron Rivest, Adi Shamir, and Leonard Adleman وهي خوارزمية شائعة لتشفير البيانات بمفتاح عام، وفك التشفير بمفتاح خاص لنقل البيانات بشكل آمن.

PKI
هي طريقة للتحكم في مفاتيح التشفير من خلال إصدار الشهادات الرقمية وإدارتها (الشهادة الرقمية هي بيانات اعتماد الكترونية تستخدم لإثبات الهوية في المعاملات الرقمية). [6,7]

كيف ستدمر الحواسيب الكمية التشفير؟

حذر الخبراء من الحواسيب الكمية بمجرد عملها. إذ ستؤدي العمليات الحسابية بشكل أسرع من الحواسيب التقليدية والتي ستدمر التشفير الذي يحمي بياناتنا، ابتداء بالسجلات المصرفية عبر الإنترنت إلى المستندات الشخصية. وهذا هو السبب الذي جعل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا مؤخرًا يحث الباحثين على التطلع “إلى ما بعد الكم”.

أثبتت شركة IBM طريقة تشفير طورتها مضادة للكم. إذ طور الباحثون خوارزميات الكم التي يمكن أن تتفوق على الخوارزميات الكلاسيكية والتي لها القدرة على حل نوعٍ من مشاكل التشفير. ويمكن لتقنية كمية تسمى خوارزمية شور أن تعمل بشكل أسرع في حل المشاكل من الآلات الكلاسيكية وتعني هذه القدرة أن الحاسوب الكمي يمكنه كسر أنظمة التشفير مثل RSA.

تسارع الباحثون لإيجاد طرق جديدة لا يستطيع الحاسوب الكمي معالجتها. وفي عام 2016 أطلق المعهد القومي للمعايير والتقنية (NIST) دعوة لحث الباحثين للبحث في خوارزميات ما بعد الكم المحتملة. في هذا العام أعلن المعهد أنه اختار 69 طلبًا وتم قبول 26 واحد منهم. وتتمثل خطتهم في تحديد الخوارزميات النهائية بحلول 2024.

ومع ذلك لم تنتظر IBM نتائج تلك المسابقة. ففي أغسطس 2019 أعلنت أن باحثيها استخدمو تقنية تسمى CRYSTALS لتشفير محرك تخزين شريط مغناطيسي.

قدمت IBM CRYSTALS إلى مسابقة NIST. على الرغم من أن NIST قد لا تختار في النهاية CRYSTALS كتقنية تشفير معيارية جديدة، إلا أن IBM لا تزال تأمل في استخدامها لمنتاجاتها الخاصة، وتأمل في استخدام هذا النظام لجعل IBM Cloud مقاومًا للكم. [8]

المصادر

[1] cnbc
[2] bbc
[3] edx
[4] investopedia
[5] trentonsystems
[6] ibm
[7] ibm
[8] scientificamerican

المغناطيسيات الكلاسيكية وميكانيكا الكم

ربما تبادر سؤال لذهنك وهو ما العلاقة بين المغناطيسيات وميكانيكا الكم؟ دعني أخبرك عزيزي القارئ بأن ميكانيكا الكم للمغنطيسيات هي واحدة من أهم الأنظمة في عالم الكم. لذا علينا قبل الانتقال إلى فهمها بأن نفهم أولًا كيف تتصرف المغنطيسيات الكلاسيكية. ففي مقالنا ( المغناطيسيات الكلاسيكية وميكانيكا الكم ) سنفهم ذلك. فسنتعرف عن ماهية المجال المغناطيسي والقوة المغناطيسية وكيف ينشأ المجال وتاريخ استكشافه…

سنصف الآن تفصيليًا ما يحدث عند وضع مغناطيس متحرك في مجال مغناطيسي غير منتظم وهذه أكثر الحركات تعقيدًا في الميكانيكا الكلاسيكية؛ لذا سنحلل كل جزء ببطء حتى نتمكن لاحقًا من فهم تجربة «stern-Gerlach» التي تجرى باستخدام الإبر المغناطيسية أو الحلقات ومن ثم نفهم سلوك النسخة الكمومية للتجربة، فهيا بنا.

ربما سمعنا عن مصطلح يسمى «القوة-Force» والمصطلحات دفع أو ضغط تعبر كذلك عن القوة, فإذا ضغطنا في نفس الاتجاه على جسم بالتساوي وفي مكانين مختلفين، فإنه سيتحرك موازيًا لوضعه الأول.

إذا طبقنا قوتين متساويتين في اتجاهين متعاكسين (بينهما مسافة) فإنهما سيتسببان في دوران ذلك الجسم وهذا ما نطلق عليه عزم الدوران.

فعزم الدوران هو القوة التي يمكن أن تتسبب في دوران جسم حول محوره.

لذا دعونا نلخص بعض الحقائق التي يجب أن نعرفها عن المغناطيس:

• يحتوى المغناطيس على قطبين شمالي وجنوبي.

• الأقطاب المختلفة تتجاذب.

• تقل القوة كلما ابتعدنا عن القطب المغناطيسي.

الأن لندخل في المجال المغناطيسي الذي يعد محورًا لحديثنا وهام فهمه لما هو قادم.

ما هو المجال المغناطيسيّ؟

قبل التعرف على المجال المغناطيسيّ وجب أن نعرف ما هي القوة المغناطيسية؟

القوة المغناطيسيّة هي نتيجة القوة الكهرومغناطيسية التي تنتج عن حركة الشحنات (الموجبة أو السالبة) وهي من القوى الأساسية الأربعة للطبيعة (القوة الكهرومغناطيسية وقوة الجاذبية والقوة النووية القوية والقوة النووية الضعيفة).

فالمجال المغناطيسيّ صورة لوصف كيفية توزيع القوة المغناطيسيّة حول أو داخل شيء مغناطيسيّ. أو المنطقة المحيطة بمادة مغناطيسية أو شحنة كهربائيّة متحركة تعمل فيها قوة مغناطيسيّة.

فالمغناطيس له قطبان والأقطاب المتعاكسة تتجاذب والمتشابهة تتنافر ويصف المجال المغناطيسيّ المنطقة المحيطة بالمغناطيس عند مرور تيار كهربي. دعونا نعرف كذلك ما هي القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة؟

الجاذبية

الجاذبية هي التجاذب بين جسمين لهما كتلة أو طاقة ونرى ذلك عند رمي صخرة من قمة برج وكان أول من اقترح فكرة الجاذبية هو إسحاق نيوتن وبعد قرون جاء ألبرت أينشتاين من خلال نظريته النسبية العامة. على الرغم من أنها تربط الكواكب والنجوم والأنظمة الشمسية إلا أنه قد تتبين أنها أضعف القوى الأساسية على المقياسين الجزيئي والذري.

القوة النووية الضعيفة

تعبر عن الجسيمات دون الذرية وهي أقوى من الجاذبية، فتصف البنية الأساسية للمادة، وأحد هذه الجسيمات هي الكوارك، إذ لم يرى العلماء ما هو أصغر منها والنوع الأخر من الجسيمات الأولية هو البوزون وهو الحامل للقوة ويتكون من حزم من الطاقة ويعتقد العلماء بوجود نوع أخر يسمى الجرافيتون وهذا لم يُعثر عليه بعد وهو مسؤول عن قوة الجاذبية.

القوة الكهرومغناطيسية

هي قوة تؤثر على الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات السالبة والبروتونات الموجبة. إذ أن الشحنات المتعاكسة تتجاذب والمتشابهة تتنافر وكلما زادت الشحنة، زادت القوة. تتكون من جزأين وهما القوة الكهربائية والقوة المغناطيسيّة، فتعمل القوة الكهربائية بين الجسيمات المشحونة سواء ثابتة أو متحركة وبمجرد أن تبدأ الجسيمات في الحركة، يأتي دور القوة المغناطيسيّة، إذ تخلق الجسيمات مجالًا مغناطيسيًا. تعد هي المسؤولة عن بعض الظواهر مثل الاحتكاك والمرونة والقوة التي تربط المواد الصلبة في شكل معين.

القوة النووية القوية

هي أقوى قوة في الأربعة قوى الأساسية وهي المسؤولة عن ربط الجسيمات الأساسية للمادة لتشكيل جسيمات أكبر. فكما ذكرنا أن الكوارك أصغر الجسيمات ولا يمكن تقسيمها وهي اللبنات الأساسية لفئة أكبر وهي الهادرونات التي تشمل البروتونات والنيترونات.

نبذة عن تاريخ المجال المغناطيسيّ

في عام 1269 رسم الباحث الفرنسي «بيتروس بيريجرينوس دي ماريكورت-Petrus Peregrinus de Maricourt» خريطة المجال المغناطيسي على سطح مغناطيس كروي باستخدام إبر حديدية. إذ لاحظ أن خطوط المجال الناتجة تتقاطع عند نقطتين، أطلق عليهما “الأقطاب” ووضح أن المغناطيس له قطبين شمالي وجنوبي. بعد ثلاثة قرون، جاء «ويليام جيلبرت-William Gilbert» بمغناطيسية الأرض أي أنها لها مجال مغناطيسي. في عام 1750، صرح رجل الدين والفيلسوف الإنجليزي جون ميتشل أن الأقطاب المغناطيسيّة تتجاذب وتتنافر.

وما زالت الاكتشافات تتوالي، تحقق تشارلز أوغستين دي كولوم في عام 1785 تجريبيًا من المجال المغناطيسي للأرض. بعدها في القرن التاسع عشر، ابتكر عالم الرياضيات والهندسة الفرنسي سيميون دينييس بواسون أول نموذج للحقل المغناطيسيّ والذي قدمه في عام 1824.

في عام 1819، اكتشف الفيزيائي والكيميائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن التيار الكهربائي ينشأ حوله حقل مغناطيسي. وفي عام 1825، اقترح أمبير نموذجًا للمغناطيسية، إذ كانت القوة الناشئة عن التيار الكهربي المتدفق، بدلًا من الأقطاب المغناطيسية. أظهر الإنجليزي فاراداي أن المجال المغناطيسيّ المتغير يولد مجالًا كهربائيًا (الحث الكهرومغناطيسي) في عام 1831.

بين عامي 1861 و 1865، نشر جيمس كلارك ماكسويل نظريات حول الكهرباء والمغناطيسية تعرف باسم معادلات ماكسويل وصفت العلاقة بينهما.

يمكن توضيح المجال المغناطيسيّ بـ:

• خطوط المجال المغناطيسيّ: هي خطوط تخيلية وتستخدم لتمثيل المجالات المغناطيسية وتشير كثافة الخطوط إلى حجم المجال، فمثلًا يكون المجال المغناطيسيّ أقوى ومزدحم بالقرب من القطبين وكلما ابتعدنا يكون ضعيف وكثافة الخطوط أقل.

• متجه المجال المغناطيسيّ: يوصف المجال المغناطيسي رياضيًا بمتجه ويشير كل متجه في الاتجاه الذي تشير إليه البوصلة (شمال، جنوب، شرق، غرب…).

وإليك خصائص المجال المغناطيسي:

• لا تتقاطع خطوط المجال المغناطيسي مع بعضها.
• تعبر كثافة خطوط المجال عن قوة المجال.
• دائمًا ما تصنع خطوط المجال المغناطيسي حلقات مغلقة.
• تبدأ خطوط المجال المغناطيسي دائمًا من القطب الشمالي وتنتهي عند القطب الجنوبي.

كيف ينشأ المجال المغناطيسي؟

ينشأ عندما تكون الشحنة في حالة حركة وهناك طريقتين من خلالهما يمكننا توليد مجال مغناطيسي.

عند مرور تيار كهربي

لديك سلك كهربي يتدفق خلاله التيار عن طريق توصيله ببطارية ومع زيادة التيار عبر الموصل يزداد المجال المغناطيسي وعندما نبتعد عن السلك يتناقص المجال مع المسافة، وهذا ما تم وصفه من قِبل قانون أمبير.

فالمجال المغناطيسي له اتجاه لأنه كمية متجهة، ويمكن تحديده بواسطة قاعدة اليد اليمنى، بالتفاف يدك اليمنى حول السلك وإبهامك في اتجاه التيار وباقية الأصابع تلتف في اتجاه المجال المغناطيسيّ.

حركة الإلكترونات حول النواة

يوجد بعض المواد يمكن تحويلها إلى مغناطيس (مثل الحديد) باستيفاء بعض الشروط:
نحتاج إلى ذرات تحتوي على إلكترون أو أكثر لها عكس اتجاه الدوران. فالحديد مثلًا يحتوى على أربع إلكترونات.

يجب أن تكون المادة مستقرة بدرجة كافية.

بعد أن انتهينا من مقالنا (المغناطيسيات الكلاسيكية وميكانيكا الكم). في المرة القادمة سيكون حديثنا عن تجربة Stern-Gerlach والسلوك الكمومي بها.

أقرأ أيضا: مقدمة في الحوسبة الكمية

المصادر

• space
• byjus
• edx
• livescience
• livescience

البلورات الزمنية وعلاقتها بالحواسيب الكمية

سعى الباحثون جاهدين على مدار السنوات الماضية في فهم البلورة الزمنية، تلك البلورة التي لا تستهلك أي طاقة وتحوي بعدًا رابعًا!

كان أول من تصور البلورة الزمنية هو الفيزيائي الحائز على نوبل «فرانك ويلكزك» عام 2012. البلورة الزمنية هي حالة جديدة من حالات المادة. في عام 2016 بنى العلماء بلورات زمنية من خلال سلسلة من أيونات الإيتربيوم. استطاع باحثون في Google بالتعاون مع علماء فيزياء من جامعات متعددة مؤخرًا أن يستخدموا الحاسوب الكمي لإثبات حقيقة البلورة الزمنية. سنعرف في السطور القادمة البلورات الزمنية وعلاقتها بالحواسيب الكمية

في عام 2019، احتل فريق الحوسبة الكمية لشركة جوجل عناوين الصحف. إذ أجروا أول عملية حسابية على الإطلاق. لم يكن يعتقد أن الحواسيب العادية قادرة على القيام بها في فترة قياسية كما فعل الحاسوب الكمي. بالرغم من ذلك ظهرت هذه المهمة للتعجيل فقط. لم يكن لها فائدة عميقة تجعلنا نطمأن بشأن الحاسوب الكمي وأنه سيجتاح وسيكون مربحًا، لكن العرض التوضيحي البلوري للزمن، بشرنا بشأن الحاسوب الكمومي.

هناك نوعان من البلورات:

• بلورات الفضاء (البلورات العادية).

• بلورات زمنية.

لكن كيف تتكون البلورة؟

تنتج البلورة من عملية تسمى «عملية البلورة».

البلورات الزمنية وعلاقتها بالحواسيب الكمومية

عملية البلورة

هي تحول مادة سائلة إلى مادة صلبة، إذ يتم وضع ذراتها أو جزيئتها في شبكة بلورية ثلاثية الأبعاد وأصغر جزء في البلورة {خلية الوحدة}. تتكون البلورة من ملايين من وحدات الخلايا. تستخدم عملية البلورة كطريقة للحصول على بلورات نقية ويوجد نوعان من بلورة:

• بلورة بالتبخير
• بلورة بالتبريد

فالبلورة عملية تترتب أو تصطف فيها ذرات أو جزيئات المادة في شبكة ثلاثية الأبعاد وعند إضافة مادة صلبة في سائل وتقليبها. تذوب المادة الصلبة في السائل وعند إضافة المزيد والمزيد من المادة الصلبة في السائل. عند نقطة معينة لا تذوب وتسمى هذه النقطة بالتشبع ويطلق على المحلول اسم «محلول مشبع».

يُسخن المحلول في وعاء مفتوح وتبدأ جزيئات المذيب في التبخر، تاركة وراءها المواد المذابة وعندما يبرد المحلول. تبدأ بلورات المذاب بالتراكم على سطح المحلول. يتم جمع البلورات وتجفيفها حسب متطلبات المنتج ويتم فصل المواد الصلبة الغير مذابة في السائل بعملية الترشيح ويعتمد حجم البلورات المتكونة خلال هذه العملية على معدل التبريد. تتشكل العديد من البلورات الصغيرة إذا تم تبريد المحلول بمعدل سريع وبلورات كبيرة إذا تم تبريده بمعدل بطيء.

تُعد البلورة الزمنية الحالة الشاذة والتي خرجت عن التوازن المعتاد، أي تلك المرحلة التي تكون فيها الطاقة أقل ما يمكن وتكون فيها الجزيئات في حالة ثبات متمتعة بحالة من الاستقرار لكن ما الفارق الجوهري، فعلينا معرفة البلورة العادية أولًا؛ لنمييز.

بلورات الفضاء (البلورات العادية)

مكعبات الملح والسكر ورقائق الثلج والماس والياقوت واللؤلؤ والأوبال كلها أمثلة على بلورات عادية. بالاضافة الى المئات من الأحجار الكريمة والصخور. قد تكون تلك البلورات جذابة لكن قيمتها الحقيقة لا يمكن ملاحظتها إلا تحت الميكروسكوب. إذ تتكون المواد الصلبة البلورية من هياكل معقدة هندسيًا من ذرات أو أيونات أو جزئيات. تلك التجمعات المرتبة منهم تتكون من هياكل مجهرية تسمى التشابك البلوري. تتكرر تلك الهياكل وتمتد في جميع الاتجاهات وتبقى ثابتة بمرور الوقت وبالتالي تظل في حالة اتزان.

خلية الوحدة

نحصل على التركيب البلوري عن طريق ربط الذرات أو الجزئيّات وهذه البنية موجودة في الطبيعة وتعرف المجموعة الصغيرة المكونة للهيكل الذري باسم خلية الوحدة للهيكل. خلية الوحدة هي البنية الأساسية للهيكل البلوري وهي تشرح أيضا بالتفصيل التركيب البلوري.

فخلية الوحدة هي أصغر جزء مكون للبلورة، تتكون خلايا الوحدة في مساحة ثلاثية الأبعاد وهنا يكمن الفرق بين البلورة العادية والزمنية، فالبلورة العادية تنشأ في فضاء ثلاثي الأبعاد عكس البلورة الزمنية، التي تنشأ في فضاء رباعي، معتمدين على البعد الرابع ألا وهو الزمن.

تستخرج البلورات الطبيعية من الأرض. إذ تتسبب درجة حرارة الأرض وضغطها في تكونها، كذلك يمكن إنشاء العديد من البلورات في المختبرات لكن تحت ظروف معينة.

البلورات الزمنية

هي حالة جديدة من حالات المادة، لكن مختلفة تمامًا عن سابقيها الذين تميزوا بالتوازن الحراري. أي استقرار الذرات المكونة لهم بأقل طاقة تسمح بها درجة الحرارة المحيطة. إضافة إلى الخصائص الثابتة التي لا تتغير بمرور الوقت.

البلورات الزمنية هي شكل مختلف، إذ تتحرك الجسيمات حركة لا نهائية ولا تفقد أي قدر من الطاقة لكن كيف تتكون؟

كيف تتكون البلورة الزمنية؟

علينا معرفة أنه كلما اكتسبت الذرات أو الجزيئات قدرًا أكبر من الطاقة كلما كانت حركتها حرة. فمثلا في الحالة الصلبة تكون الطاقة قليلة. فنجد المادة متماسكة أما في الحالة الغازية تكون الطاقة أكبر ما يمكن فتكون جزيئات المادة في أعلى درجات الحرية. في المادة السائلة تكون الطاقة متوسطة أو أقل من طاقة الحالة الغازية فنجد نوعًا من التماسك كمثال الماء.

يوضح الفيزيائيون أنهم بنوا هذه المرحلة الجديدة من المادة داخل الحاسوب الكمومي.

البلورة الزمنية تكسر قاعدة الاستقرار، فهي مرحلة جديدة من مراحل المادة، فالماء والجليد مثلًا في حالة توازن حراري.

التماثل

تنطبق القوانين الفيزيائية المعروفة بشكل متناسق على جميع الأشياء في المكان والزمان. بالرغم من ذلك، هناك أنظمة معينة تنتهك هذا التناظر أو التماثل.

والمقصود بالتماثل في الفيزياء أن خصائص الجسيمات مثل الذرات والجزيئات تظل دون تغيير بعد تعرضها لمجموعة متنوعة من العمليات. قدم التماثل نظرة ثاقبة حول قوانين الفيزياء وطبيعة الكون ويتضمن إنجازان مميزان للقرن العشرين وهم النسبية وميكانيكا الكم.

استنتاج هام

تطبيق التماثل أدى لاستنتاج مهم وهو أن بعض القوانين الفيزيائية التي تحكم سلوك الأشياء والجسيمات لا تتأثر عند تغيير إحداثياتها الهندسية. بما في ذلك الزمن باعتباره بعدًا رابعًا وتظل القوانين الفيزيائية صالحة في جميع الأماكن والأزمنة في الكون.

فما يميز هنا البلورات الزمنية أننا حينما ننظر في أي وقت إليها؛ سنرى الشكل متماثل ويرجع ذلك إلى الدوران الأبدي للبلورة.

تخرق البلورات الزمنية بعض قوانين الفيزياء مثل:

قانون نيوتن الأول للحركة

قانون إسحاق نيوتن الأول والذي ينص على أنه إذا كان هناك جسم في حالة سكون أو يتحرك بسرعة ثابتة في خط مستقيم. فإنه سيبقى في حالة السكون أو الحركة ما لم تؤثر عليه قوة. في النهاية سيتوقف الجسم المتحرك بفعل قوة ما مثل الاحتكاك، لكن البلورة الزمنية تتحرك حركة أبدية وتخل بذلك القانون.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

تخرق البلورات الزمنية القانون الثاني للديناميكا الحرارية

يهتم القانون الثاني بالاتجاه الطبيعي أو التلقائي الذي يسعى للحفاظ على الإنتروبي.

الإنتروبي هو مقياس للفوضى أو العشوائية. فمثلًا انتقال الحرارة من الجسم الساخن إلى الجسم البارد عملية تلقائية وسنجد أنه كلما زادت حرية حركة الجزيئات زادت الإنتروبي.

عند زيادة (تسخين) الحرارة يزداد الإنتروبي وعند التبريد (خفض) تقل الإنتروبي.

الإنتروبي في الحالة الغازية أكبر من السائلة أكبر من الصلبة.

وذلك مخالف لما يحدث في البلورات الزمانية التي تتميز بحركة أبدية، لأن تلك طبيعتها ولا تحتاج إلى طاقة.

نتاج البلورات الزمنية

كشف العلماء أن البلورات الزمنية مشابهة المواد فائقة التوصيل كالزئبق والرصاص. وهي ظاهرة كمومية، إذ تقوم بعض المواد بتوصيل التيار الكهربائي دون أي فقد للطاقة وتستخدم المواد فائقة التوصيل في الحواسييب الكمومية.

حيث تتكون الحواسيب الكمومية من كيوبتات وهي جسيمات كمومية يمكن التحكم فيها وهي وحدة بناء الحاسوب. تتكون كيوبتات جوجل من شرائط الألومنيوم فائقة التوصيل والتي ذكرنا أنها تخرق القانون الثاني للديناميكا الحرارية. استخدام البلورات الزمنية التي تتحرك حركة أبدية. يساعد في بناء وصيانة الحاسوب الكمومي وتقنيات كمومية أفضل والتي يمكن دمجها في حياتنا العملية. يُعتقد أن دراسة البلورات الزمنية والتعمق في فهمها سيؤدي انجازات علمية في الساعات الذرية الدقيقة والجيروسكوبات والمقاييس المغناطيسية، قد يسمح لنا هذا باستخدام أنظمة كمومية مستقرة في درجات حرارة تشغيل أعلى بكثير مما حققناه حاليًا.

المصادر

• quantamagazine
• sciencealert
• scienceabc
• sciencing
• byjus
• byjus
• britannica
• britannica