الوسم: الحوسبة 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

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

تُسخّر الحوسبة الكمية أو الكمومية ظواهر ميكانيكا الكم كي تحقق قفزة فريدة في الحوسبة لحل مشاكل معقدة، عجزت عن حلها الحواسيب العملاقة الحالية. وهذا المقال هو بداية لسلسلة (مقدمة في الحوسبة الكمية)، وفي السطور التالية ستتعرف على ماهية الحوسبة الكمية وتاريخها وأهميتها.

علم المعلومات الكمي

ظهرت ميكانيكا الكم في عشرينيات القرن الماضي لوصف السلوكيات المحيرة للمادة والضوء، وأحدثت ثورة في شتى العلوم. نتج عنها اختراعات مثل الترانزستورات والليزر ونظام تحديد المواقع. من ثم توصل العلماء إلى أن المعلومات نفسها يمكن اكتسابها وتشفيرها. كذلك يمكن معالجتها في أنظمة الكم؛ فنتج عن ذلك “علم المعلومات الكمي”. حيث يعتمد علماؤه على الرياضيين والفيزيائيين وعلماء الحاسوب، إضافةً إلى علماء المواد والكيميائيين والمهندسين.

فيُعدّ علم المعلومات الكمي (QIS) من المجالات المثيرة، إذ يعتمد على نظرية المعلومات وعلوم الحاسوب وميكانيكا الكم والهدف منه هو معالجة المعلومات بطرق جديدة وفريدة.

ما هي تطبيقات علم المعلومات الكمي؟

قامت فرق متعددة التخصصات بتطبيق علم المعلومات الكمي على تقنيات الكم الجديدة في الاتصالات والشبكات وأمن البيانات والملاحة والتشخيص الطبي… كما أحرزوا تقدمًا في تطوير أنظمة الحوسبة التي قد تسمح بمعالجة تحديات كانت حلمًا في مجالات مثل التشفير واللوجستيات والعلوم الطبيعية.

بالطبع سيؤثر علم المعلومات الكمية على طريقة عيشنا وعملنا وحدوث تطورات في العديد من الجوانب مثل التجارة والتعليم والتوظيف! فكما ذكرنا أن علم المعلومات الكمي ساهم في تطوير أنظمة الحوسبة، فذلك التطور الهائل الذي حدث مناقض تمامًا للحوسبة الكلاسيكية والتي كانت خاضعة لحل مشكلات معينة. إذ تم تصميم الحواسيب الكلاسيكية لتقليد العمليات التي نقوم بها نحن البشر. فمنذ الستينيات تقدمنا في أربعة مجالات:

• صنع أجهزة أسرع.
• ‏تحسين الأجهزة استنادًا إلى عمليات البرامج المتكررة.
• ‏إعادة تصميم البرامج استنادًا إلى نقاط القوة والضعف.
• ‏زيادة سعة مساحة التخزين وسرعة عملية التخزين.

‏خلال تلك التطورات، تحسنت أيضًا مناهج البرمجة. لكن كل المهام لا تزال مشابهة إلى حد كبير للمهام البشرية. تكمن الاختلافات بين الحوسبة الكلاسيكية والكمية من تلك اللبنات الأساسية. فبدلًا من بناء شيء يحاكي الآلة الحاسبة، اكتشف العلماء الظواهر الكمية وسألوا أنفسهم، كيف يمكننا استخدم تلك الظواهر لإجراء العمليات بشكل أسرع أو أفضل من هذه الآلة الحاسبة التي صنعناها؟ نتج عن السؤال ظهور الحوسبة الكمية.

تاريخ الحوسبة الكمية

اقتُرحت الحواسيب الكمية في الثمانينيات من قِبل ريتشارد فاينمان ويوري مانين. لاحظ الفيزيائي الأمريكي الحائز على جائزة نوبل «ريتشارد فاينمان-Richard Feynman» أنه عندما تبدأ المكونات الإلكترونية في الوصول إلى المقاييس المجهرية، تحدث التأثيرات التي تنبأت بها ميكانيكا الكم والتي كما وضح أنه يمكن استغلالها في تصميم حواسيب أكثر قوة. يأمل باحثو الكم في تسخير ظاهرة تُعرف باسم التراكب. والتراكب هو المصطلح المستخدم لوصف حالة كمية. توضح وجود الجسيمات في حالات متعددة في نفس الوقت وهو ما يسمح للحواسيب الكمية بالتعامل مع العديد من المتغيرات المختلفة في نفس الوقت.

‏ ‏دور ميكانيكا الكم

تم تطوير ميكانيكا الكم بين عامي 1900 و1925، وهي تظل حجر الزاوية الذي ترتكز عليه في النهاية الكيمياء، وفيزياء المادة، والتقنيات مختلفة مثل رقائق الحاسوب وحتى إضاءات الليد LED. على الرغم من هذه النجاحات حتى بعض أبسط الأنظمة بدت وكأنها تتجاوز قدرة الإنسان على النمذجة بميكانيكا الكم. فمحاكاة أنظمة بضع عشرات من الجسيمات المتفاعلة تتطلب قوة حوسبة أكبر مما يمكن أن يوفره أي حاسوب تقليدي، وسيستغرق آلاف السنين لتنفيذ المحاكاة.

فرق جوهري

عليك معرفة أن الحوسبة الكلاسيكية موجودة في كل مكان حولنا من الهواتف المحمولة إلى الحواسيب الفائقة. ما تعتمد عليه هذه الأجهزة هو أنواع مختلفة من البرامج مثل أنظمة التشغيل والتطبيقات ومتصفحات الويب. لكن، إذا كان لدينا كل هذه القوة الحاسوبية، لماذا قد نحتاج إلى حاسوب كمي؟

ببساطة، على الرغم من قوة الحواسيب الكلاسيكية وقدرتها على حل المشكلات في الجبر وحساب التفاضل والتكامل وغيرها أسرع من الإنسان، لكن لا يزال هناك العديد من المشاكل المعقدة التي لا حل لها. ما زلنا نحتاج إلى الكثير من الوقت والموارد لحلها.

فمثلًا تواجه الحواسيب الكلاسيكيّة صعوبة في تمثيل المعلومات المرتبطة بالروابط الكيميائية. يرجع ذلك إلى أن جميع المكونات في الجزيء مترابطة مع بعضها البعض. لذلك، إذا قمت بالعبث في ذرة في جزئ، فإن باقي مكونات الجزئ ستتأثر. على سبيل المثال الكافيين، وهو مجرد جزيء مكوّن من 24 ذرة. سنحتاج إلى 10 ^ 48 بت لتمثيل الكافيين وهو ما يفوق قدرات أفضل حاسوب كلاسيكي.

نهايةً، سيحل الحاسوب الكمي الناتج عن الحوسبة الكمية مشاكل التطبيقات الكيميائية مثل اكتشاف مواد البطاريات، وإنتاج الأسمدة، واكتشاف الأدوية، ومتانة المواد. إضافة إلى مشاكل في تحليل بيانات السوق المالية، وتطبيقات الصناعة، وتحسين النقل أيضًا. ستساعد الحوسبة في توفير أنظمة تشفير أكثر قوة. فتتمثل أهمية الحوسبة الكمية في تخزين المعلومات في الحالات الكمية للمادة واستخدام عمليات البوابة الكمية لحساب تلك المعلومات من خلال تسخير وتعلم “برمجة” التداخل الكمي. وانتظرنا في المقالات المُبسطة القادمة؛ لمعرفة المزيد عن الحوسبة الكمية.

المصادر

• edx
• sciencemag
• britannica
• microsoft