يشهد عالم الحوسبة الكمية تحولات جذرية خلال السنوات الأخيرة، حيث تركز الشركات حاليا على تحقيق فائدة كمية عملية من خلال تطوير أجيال جديدة من المعالجات الكمية، بعد أن كان التركيز منصبا في السابق على زيادة عدد الكيوبتات.
والكيوبت، أو البت الكمي، يمثل الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة الكمية، ويتميز بقدرته على تمثيل القيمتين 0 و1 في الوقت ذاته، وذلك بفضل ظاهرة التراكب، على عكس البت التقليدي الذي يمثل قيمة واحدة فقط، مما يمنح الحاسوب الكمي قدرات معالجة فائقة تتفوق على الحواسيب التقليدية.
ولم يعد الهدف مجرد إثبات تفوق الحاسوب الكمي على الحاسوب التقليدي في مهام مصطنعة، بل أصبح الأمر يتعلق بإيجاد حلول لمشكلات حقيقية في مجالات مثل الكيمياء والأدوية والذكاء الاصطناعي بسرعة فائقة.
ويأتي هذا التحول في ظل التطورات المتسارعة التي تشهدها أجهزة الحوسبة الكمية، حيث تتجاوز الشركات الرائدة مرحلة زيادة عدد الكيوبتات إلى معالجة التحديات التقنية الأكثر تعقيدا، مثل تصحيح الأخطاء وقابلية التوسع.
عدد الكيوبت لم يعد المعيار
في المراحل الأولى من تطوير الحوسبة الكمية، كان الهدف الأساسي هو زيادة عدد الكيوبتات، وبلغ هذا التوجه ذروته مع إعلان شركة اي بي ام عام 2023 عن معالج "كوندور" الذي احتوى على 1121 كيوبت.
ولكن سرعان ما اتضح أن زيادة عدد الكيوبتات لم تعد المعيار الوحيد للتقدم في مجال الحوسبة الكمية، وذلك لأن الكيوبت الفيزيائي يتأثر بشكل كبير بالضوضاء البيئية والاهتزازات الحرارية والكهرومغناطيسية، مما يؤدي إلى فقدان الترابط الكمي بسرعة.
ويحد هذا الأمر من عمق الأداء الكمي، ويجعله غير موثوق حتى مع زيادة عدد الكيوبتات، لأن الخطأ في كيوبت واحد يمكن أن يفسد العملية الحسابية بأكملها، وتفرض الضوضاء حدا على عدد العمليات المتتالية التي يمكن للكيوبت تنفيذها قبل أن يفقد خصائصه.
وتمحو الضوضاء الترابط الكمي بسرعة، وهو ما يسمح للحاسوب الكمي بالتفوق على الحاسوب التقليدي، مما يحول هذه الحواسيب إلى مجرد أجهزة تؤدي عمليات بسيطة وقصيرة جدا، ولن تكون قادرة على حل المشكلات البشرية دون تقنيات لتصحيح الأخطاء الكمية.
ولم يعد كافيا أن يصل النظام إلى آلاف الكيوبتات، بل يجب أن يحافظ على الاستقرار والدقة لفترات طويلة بما يكفي لإنجاز المهام العملية، فالتقدم الكمي اليوم لا يقاس بالأرقام فقط، بل بمدى القدرة على مقاومة الأخطاء.
الكيوبت المنطقي بديل للفيزيائي
تتجه الشركات حاليا نحو حلول أكثر عمقا، مثل تصحيح الأخطاء، حيث يسعى العلماء إلى تشكيل الكيوبتات المنطقية باستخدام مجموعات من الكيوبتات الفيزيائية المترابطة، بدلا من الاعتماد على الكيوبتات الفيزيائية الضعيفة.
وتقوم الفكرة على تجميع عدة كيوبتات فيزيائية لبناء كيوبت منطقي أكثر ثباتا وقادرا على اكتشاف الأخطاء وتصحيحها دون فقدان المعلومات الكمية، مما يجعل النظام أكثر موثوقية مع زيادة الحجم.
وتقلل زيادة عدد الكيوبتات من معدل الخطأ، وكلما وسعنا التعليمات البرمجية التصحيحية، وهو ما أثبتته غوغل مع معالج "ويلو"، حيث انخفض معدل الخطأ المنطقي بشكل كبير مع زيادة حجم التعليمات البرمجية.
ونتيجة لذلك، أصبحت عملية بناء الكيوبت المنطقي الركيزة الأساسية للحوسبة الكمية العملية، وتحول مفهوم تصحيح الأخطاء الكمي إلى نقطة مركزية لتحقيق حوسبة كمية خالية من الأخطاء.
معالجات جديدة تدفع الحدود
بعد أن قدمت اي بي ام معالج كوندور كرمز لسباق الكمية، شهدت السنوات اللاحقة تحولا جوهريا في فلسفة بناء المعالجات الكمية، حيث انتقل التركيز من عدد الكيوبتات الفيزيائية إلى جودتها وقدرتها على تكوين كيوبتات منطقية قادرة على تصحيح الأخطاء.
فعلى سبيل المثال، انتقلت اي بي ام نحو معالج "نايتهوك" الذي يحتوي على 120 كيوبتا فيزيائيا بتصميم شبكي مربع يعزز الاتصالية، كما تستهدف الشركة ربط 3 وحدات "نايتهوك" تحتوي على 360 كيوبتا فيزيائيا في نظام واحد.
كما تخطط الشركة لإطلاق معالج "كوكابورا" الذي يحتوي على 1386 كيوبتا فيزيائيا، ويمثل أول وحدة معيارية تجمع بين الذاكرة الكمية ووحدة المعالجة المنطقية، وهو اللبنة الأساسية للحاسوب الكمي المقاوم للأخطاء.
ونجحت شركة كويرا الامريكية بالتعاون مع هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تنفيذ خوارزميات معقدة على 48 كيوبت منطقي مع 280 كيوبت فيزيائي، ووصلت بعض التجارب إلى 96 كيوبت منطقي مع أكثر من 400 كيوبت فيزيائي، مع خارطة طريق تستهدف 100 كيوبت منطقي وأكثر من 10 آلاف كيوبت فيزيائي.
وفي الجانب الآخر، قدمت غوغل معالج ويلو الذي يحتوي على 105 كيوبت فيزيائي، وأثبت أن معدل الخطأ المنطقي ينخفض بشكل كبير مع زيادة حجم التعليمات البرمجية، مما يعني أن إضافة المزيد من الكيوبت الفيزيائي يقلل الأخطاء بدلا من زيادتها، وهو إنجاز طال انتظاره منذ 30 عاما.
واستطاع معالج ويلو إنجاز مهمة معيارية في أقل من 5 دقائق، في حين يحتاج أقوى حاسب عملاق تقليدي "فرونتير" إلى وقت طويل جدا لإنجازها، وهو رقم يفوق عمر الكون بمليارات المرات، بحسب ما أعلنت غوغل.
أما مايكروسوفت، فقد كشفت عن "ماجورانا ون"، وهو أول معالج كمي يعتمد على الكيوبت الطوبولوجي الذي يتمتع بمقاومة طبيعية للأخطاء، إذ لا توجد المعلومة في مكان واحد يمكن للضجيج استهدافه، بل هي موزعة بشكل غير محلي.
وفي الوقت نفسه، حققت كوانتينوم بالتعاون مع هانيويل أعلى دقة منطقية حاليا بمعالج هيليوس الذي يصل إلى 48 كيوبت منطقي بدقة بوابة تصل إلى نسبة عالية بفضل تقنية الأيونات المحاصرة التي توفر اتصالية كاملة.
الحوسبة الكمية الموزعة وقابلية التوسع
يعتمد التوجه الاستراتيجي العالمي الحالي للتوسع على ربط معالجات متعددة في شبكة كمية موزعة من خلال روابط التشابك الكمي القصيرة أو الطويلة المسافة عبر ألياف بصرية أو فوتونية، مما يسمح بتوزيع المهام الحسابية بين وحدات معالجة كمية مختلفة، مدعومة بحوسبة تقليدية عالية الأداء.
وتتبنى الشركات الكبرى، مثل اي بي ام، رؤية مستقبلية تسمى الحوسبة الفائقة التي تتمحور حول الكم، حيث يعد الحاسوب الكمي بمثابة القلب النابض الذي يحل العقد المستعصية، بينما تعمل الحواسيب العملاقة التقليدية بنية تحتية داعمة له لتخزين البيانات وتصحيح الأخطاء وإدارة التبريد.
وتمثل هذه الرؤية المرحلة التالية بعد مرحلة امتلاك حاسوب كمي منفصل، وتهدف إلى دمج الحواسيب الكمية مع الحواسيب العملاقة التقليدية في نظام واحد متناغم من خلال الجمع بين وحدات المعالجة الكمية ووحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية، بدل النظر إلى الحاسوب الكمي كجهاز مستقل.
بينما تتقدم كويرا وغوغل ومايكروسوفت نحو نماذج معيارية تسمح بربط المعالجات عبر شبكات بصرية أو فوتونية، حيث يحل هذا النهج مشكلة قابلية التوسع، ويمهد لشبكة الإنترنت الكمية التي تربط الأجهزة الكمية عالميا.
وختاما، تعيد هذه التطورات صياغة خريطة الحوسبة بالكامل في ظل تحول الأجهزة الكمية إلى شريك أساسي في حل التحديات العلمية بدلا من كونها مجرد أداة تجريبية، مع توقعات بتحقيق الفائدة الكمية العلمية بحلول نهاية العام الحالي، لتصبح الحواسيب الكمية شريكا أساسيا في حل أكبر التحديات العلمية والصناعية.
