الوسم: الكيوبت

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

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