الوسم: الحواسيب الكمية

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

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

مقدمة عن ثورة الحواسيب الكمية

لمحة فيزيائية بسيطة

في فيزياء الكم كل جسيم لديه طبيعة موجية، والطبيعة الموجية للإلكترون تختار حالة طاقة معينة له من عدة حالات داخل النواة. ويمكن أن ينتقل الإلكترون بين الحالات المختلفة من خلال امتصاص أو انبعاث فوتونات الضوء.

ماذا نستفيد من هذا الشيء في الحوسبة؟ حسناً، نظام كمي مع الحالات المنفصلة يجعل بالإمكان اختيار حالتين لتكون واحدة منهم هي 0 والأخرى 1، ومعاملتهم كحالات البيت الواحد الذي يأخذ قيميتين فقط، ولكن الفرق أنه سيحمل القيمتين معاً. ويمكنك الانتقال بالبيت بين هذه الحالات من خلال تطبيق الضوء ذا التردد المناسب للانتقال. وبذلك يمكن تشكيل العناصر الأساسية للحوسبة مع وجودهم في عدة حالات في نفس الوقت.

تتحكم وتخزن أجهزة الكمبيوتر الحالية المعلومات بالتمثيل الثنائي 0 أو 1. ولكن الحواسيب الكمومية تستفيد من ظواهر ميكانيك الكم للتحكم بالمعلومات. فهي تستخدم ما يسمى بال  «البيت الكمي – qubit» الذي يحمل القيمتين 0 و1 معاً في نفس الوقت.

تعتمد الحواسيب الكمومية على ثلاث خصائص من العالم الكمي للتحكم بال qubits وهي:

«التراكب – Superposition»

ويشير إلى مزيج من الحالات التي بالعادة تكون منفصلة وبشكل مستقل. فحسب نظرية الكم يكون الجسيم في جميع الحالات معاً عندما لا يكون مراقب أو حتى في أكثر من مكان، أي qubit يكون 0 و1 في نفس الوقت. عند نهاية العملية الحسابية سوف نقوم بالقياس لنختار واحدة من هذه الحالات، ولكن خلال العملية، الحالة لا تكون محددة.

«التشابك – Entanglement»

وهو ظاهرة كمية تعبر عن تصرف لم نره أبداً من قبل. تتصرف الجسيمات الكمية المتشابكة كنظام لا يمكن تفسيره بالمنطق الطبيعي، حيث تتفاعل مع بعضها لإنتاج ارتباط بين حالاتهم. أي أن تشابك جسيمان كلن منهم يبقى في وضع التراكب حتى يُقاسوا، ولكن في نفس الحظة التي تعرف فيها حالة واحد منهم ستعرف حالة الأخر. وبالتالي في الحاسوب يمكن أن يكون qubit متشابك مع أخر أو مع مجموعة الداخلة في عملية حسابية.

مثال شهير:

إذا كان هناك جسيمان كميان متشابكان أحدهم يدور بعكس الأخر دائما عند المراقبة ولكن عند عدم المراقبة يكون كلاً منهم يدور بالاتجاهين معاً والأخر بعكسه أي يمين-يسار ويسار-يمين في نفس الوقت. لنتصور أنه أخذنا الجسيم الأول لنهاية الكون والأخر في بدايته. تخيل أنه بمجرد أن تراقب وتعرف حالة واحد منهم سيستجيب الجسيم الأخر بنفس الحظة وتصبح حالته بعكس دوران الأول فإذا كان يدور يمين فالأخر يمكن أن نتأكد أنه يدور يسار.

«التداخل – Interference»

يمكن للجسيم أن يعبر في مساره الخاص أو يتداخل مع مسارات أخرى جديدة أو مع مساره أيضاً وظهر ذلك في تجربة الشق المزدوج.

عندما تكون البيتات في حالات التراكب، فهذا يعطينا مجال أوسع بكثير من الاحتمالات من البيتات العادية. والتشابك يسمح ل qubits أن تستمر في هذه حالات خلال العمليات الحسابية، ولكن الحالة النهائية تعتمد على حالة بقية ال qubits الداخلة في هذه العملية. فاذا أردنا تمثيل جسيمات كمية مرتبطا ببعضها بحيث كل جسيم يرتبط بالتالي ويدور عكسه، مع خصائص التراكب والتشابك، فمن المستحيل تمثيله على الحواسيب الحالية فهو يتطلب قدر ضخم من الموارد، ولكن على الحواسيب الكمومية فهذا أمر سهل ولا يتطلع إلا عدة qubits.

الحساب الكمي

هناك عدة طرق مختلفة تستخدم فيها الأنظمة الكمومية الخصائص الكمية للحساب. دعنا نتحرى نوعًا واحدًا من الخوارزميات المصممة للأجهزة الكمومية الحالية، والتي تستخدم الحوسبة الكمية للعثور على الحل الأفضل من بين العديد من الحلول الممكنة.

يمكن استخدام هذه الخوارزمية لمحاكاة جزيء عن طريق تحديد أقل حالة طاقة بين أطوال الروابط الجزيئية المختلفة. من أجل كل طول رابطة، تُمثل أجزاء من حالة الطاقة على معالج كمومي. بعد ذلك، تُقاس جوانب الحالة الكمومية وربطها بالطاقة في الجزيء، من أجل التكوين الإلكتروني المحدد.

يؤدي تكرار هذه العملية من أجل مباعدات مختلفة بين الذرات في النهاية إلى طول الرابطة بأقل حالة طاقة، والتي تمثل التكوين الجزيئي المتوازن.

ويوجد خوارزميات أخرى مثل  «خوارزمية غروفي- Grover’s algorithm» لتطبيق بحث أسرع، «خوارزمية شزر –Shor’s algorithm» التي أثبتت أنه يمكن للحواسيب الكمومية الكبيرة يوماً ما من كسر أنظمة حماية الحواسيب المعتمدة على RSA، وهي وسيلة منشرة للحماية، تستخدم على سبيل المثال في الأيميل والمواقع المالية، وهذا ما يثير مخاوف البنوك وخبراء الأمن من أمكانية الحاسوب الكمي في المستقبل من فك تشفير البيانات بسهولة.

 الكمبيوتر الكمي هو جهاز يستغل طبيعة الموجة والتراكب والتشابك لإجراء عمليات حسابية تتضمن خصائص رياضية جماعية أو محاكاة أنظمة الكم بشكل أكثر كفاءة مما يمكنك فعله بأي كمبيوتر تقليدي. ويمكن الاستفادة في محاكاة العالم الكمي وأمور الفضاء والكيمياء والبحوث النانوية. ولكن ما يزل هناك شوط كبير لنقطعه ويحرز الباحثون تقدمًا واضحًا، وإن كان بطيئًا. ربما في غضون 10 سنوات أو 20 عامًا، سنصل إلى حاسوب كمومي متكامل.

مصادر:
forbes
IBM
scientificamerican

مواضيع أخرى: هل حقا الديب ويب مكان للجريمة؟