الحواسيب الكمّيّة الجادّة أصبحت موجودة أخيرا، ففي ماذا سنستخدمها؟

داخل مختبر صغير في المرج

في ريفٍ يبعد خمسين ميلا شمال مدينة نيويورك، تتدلّى من السقف خيوط متشابكة ودقيقة من الأنابيب والإلكترونيّات. فهذه الفوضى من المعدّات هي عبارة عن جهاز حاسوب، وليست مجرّد حاسوب عادي، بل واحداً على وشك تحقيق ما سيصبح، ربما، أحد أهمّ المعالم في تاريخ هذا المجال.

تعِدُنا أجهزة الحواسيب الكمّيّة بإجراء عمليّاتٍ حسابيّة أبعد ما تكون عن قدرة أي حاسوبٍ عملاقٍ تقليديّ، وربّما تُحدِث هذه الأجهزة ثورةً في اكتشاف موادَّ جديدة، من خلال توفير إمكانيّة محاكاة سلوك المادّة نزولا إلى المستوى الذرّي. أو ربّما تقلب مجال الترميز والأمان رأسا على عقب من خلال كسرها للرموز المنيعة، إضافة إلى كونها تبثّ أملا بزيادة قدرة الذكاء الاصطناعي عن طريق تحليل البيانات تحليلا أكثر كفاءة.

لكن الآن فقط، وبعد عقود من التقدم التدريجي، اقترب الباحثون أخيراً من بناء أجهزة حاسوب كمّيّة قوية بما يكفي للقيام بأشياء لا تستطيع أجهزة الحاسوب التقليدية القيام بها.

إنّه اكتشاف مهم ونقطة تحول كبيرة يطلق عليه من الناحية النظرية “التفوّق الكمّي”. وكانت غوغل ترأس قيادة هذه المهمة للوصول إلى هذا الإنجاز، إضافة إلى الجهود الكبيرة التي تبذلها كل من إنتل ومايكروسوفت. فهناك شركات ناشئة ذات تمويل جيّد، منها: ريغتي كومبيوتينغ Rigetti Computing وآيون كيو IonQ وكوانتوم سيركيتQuantum Circuits.

ولكنه لا يوجد منافس آخر يستطيع مجاراة الموروث العريق لشركة IBM في هذا المجال. فمنذ خمسين عاما، أحرزت الشركة تقدّما كبيرا في علم المواد الذي وضع الأسس لثورة الحاسوب. ولهذا السبب، وجدتُ نفسي في أكتوبر الماضي في مركز أبحاث توماس جي واتسون Thomas J. Watson Research Center التابع للشركة، وذلك لمحاولة الإجابة عن الأسئلة التالية: ما الأشياء المفيدة التي يمكن لحاسوب كمّي عملها؟ وهل يمكن بناء حاسوب عمليّ وموثوق به؟

“اللعنة، الطبيعة هي الكمّ!!
لذا، إن أردنا محاكاتها، فإنّنا
سنحتاج إلى حاسوب كمّي”

لماذا نعتقد أننا بحاجة إلى حاسوب كمّي

يبدو مركز الأبحاث – الواقع في يوركتاون هايتس Yorktown Heights– إلى حد كبير مشابها لطبق طائر كما كان متخيّلا في عام 1961، وكان قد صمّمه المهندس المعماري المستقبلي الجديد neo-futurist إيرو سارينين Eero Saarinen، وبُني خلال فترة الذروة التي بلغتها شركة IMB كصانعة لحواسيب الأعمال المركزيّة الكبيرة. وكانت الشركة IBM أكبر شركة حاسوب في العالم، وخلال عقد من بناء مركز الأبحاث، أصبحت خامس أكبر شركة في العالم بشكل عام، مباشرة بعد شركتي فورد Ford وجنرال إلكتريك General Electric.

وفي حين تطلّ أروقة المبنى على الرّيف، إلا أن تصميم المكاتب الداخلية لا يحتوي على أي نافذة. وقد التقيت بتشارلز بينيت Charles Bennett في إحدى هذه الغرف المنعزلة. وفي السبعينات من عمره الآن، لتشارلز سوالف بيضاء كبيرة، ويرتدي جوارب سوداء ونعالا، ولديه جيب يضع فيه بعض الأقلام. محاطًا بشاشات حواسيب قديمة، ونماذج كيميائية، وكرة ديسكو صغيرة، يتذكّر تشارلز ولادة الحوسبة الكمّيّة كما لو كان الأمر بالأمس.

تصوير: بارتاك سادوسكي BARTEK SADOWSKI

تشارلز بينيت من شركة IBM للأبحاث، وهو واحد من الآباء المؤسسين
لنظرية المعلومات الكمّيّة. ساعد عمله في شركة IBM على إنشاء
أساس نظري للحوسبة الكمّيّة.

عندما انضم بينيت إلى الشركة IBM عام 1972، كانت الفيزياء الكمّيّة قد مضى عليها بالفعل نصف قرن، ولكن الحوسبة كانت لا تزال تعتمد على الفيزياء الكلاسيكية والنظرية الرياضياتية للمعلومات التي طوّرها كلود شانون Claude Shannon في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT في الخمسينات. وكان شانون هو الذي حدد كمية المعلومات من حيث عدد “البتات” -وهو مصطلح قام بتعميمه ولكن لم يخترعه- المطلوبة لتخزينه. وهذه البتّات المتمثلة بالرمزين 1 و0 من الشيفرة الثنائيّة هي الأساس للحوسبة التقليديّة.

وبعد عام من وصوله إلى يوركتاون هايتس، ساعد بينيت على وضع الأساس لنظرية المعلومات الكمّيّة التي من شأنها تحدي ذلك كله، وهي تعتمد على استغلال السلوك الغريب للأشياء على النطاق الذري. عند ذلك الحجم، يمكن أن يوجد جسيّم “متراكب” Superposed في عدّة حالات (في عدة مواضع مختلفة مثلا) في وقتٍ واحد. كما يمكن لجزيئين إظهار نوع من “التشابك” Entanglement، لذا فتغيير حالة أي منهما تؤثر فورا في حالة الآخر.

لقد أدرك بينيت وآخرون أن بعض أنواع الحسابات التي تستهلك الكثير من الوقت، أو حتى تكون مستحيلة، يمكن تنفيذها بكفاءة بمساعدة الظواهر الكمّيّة. ويخزّن الحاسوبُ الكمّي المعلومات في البتات الكمّيّة، أو ما يطلق عليها “كيوبتات” Qubits. ويمكن أن توجد البتات الكمّيّة في حالة تراكب من 1و0، كما يمكن استخدام التشابك وخدعة تسمى التداخل Interference لإيجاد حل لحوسبة عدد كبير من الحالات حوسبة متزايدة أُسّيّا.

إنّ مقارنة الحواسيب الكمّيّة والكلاسيكية أمر صعب بشكل مزعج، ولكن بشكل تقريبي، فإنّ حاسوبا كمّيّا يحتوي على بضع مئات من الكيوبتات، سيكون قادرا على إجراء عدد من الحسابات -التي تحدث في الوقت نفسه يفوق عدد الذرات الموجودة في الكون المعروف.

وفي عام 1981، نظّمت كلّ من شركة IBM ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT حدثا بارزا أُطلق عليه المؤتمر الأوّل في فيزياء الحوسبة First Conference on the Physics of Computation. وقد أُقيم هذا المؤتمر في إنديكوت هاوس Endicott House، وهو قصرٌ على الطراز الفرنسي بالقرب من حرم معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

وفي صورة التقطها بينيت خلال المؤتمر، يمكن رؤية العديد من الشخصيات الأكثر تأثيرا في تاريخ الحوسبة والفيزياء الكمّيّة، بما في ذلك كونراد زوسي Konrad Zuse الذي طور أول حاسوب قابل للبرمجة، وريتشارد فينمان Richard Feynman، وهو مساهم مهم في نظرية الكم.

وكان فينمان قد ألقى الخطاب الرئيسي للمؤتمر، حيث طرح فكرة الحوسبة باستخدام المؤثرات الكمّيّة. وقد أخبرني بينيت أن “أكبر دفعة حصلت عليها نظريّة المعلومات الكمّيّة كانت من فينمان، إذ قال وقتها: اللعنة، الطبيعة هي الكمّ! لذا، إن أردنا محاكاتها، فإنّنا سنحتاج إلى حاسوب كمّي.”

ويقع حاسوب IBM الكمي – وهو أحد أكثر الحواسيب الواعدة في الوجود – في نهاية القاعة التي يوجد فيها مكتب بينيت مباشرة، وقد صُمِّمت الآلة لإنشاء العنصر الأساسي في الحاسوب الكمّي والتعامل معه: وهي الكيوبتات التي تخزّن المعلومات.

يضم هذا المختبر التابع لشركة IMB حواسيب كمّيّة متصلة بالسحابة.

جيرمي ليبمان JEREMY LIEBMAN

الفجوة بين الحلم والواقع

تستغل آلة IBM الظواهر الكمّيّة التي تحدث في المواد فائقة التوصيل. فعلى سبيل المثال، قد يتدفق التيار في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاهها في الوقت ذاته، حينها يستخدم حاسوب الشركة دوائر فائقة التوصيل، تكوّن فيها حالتان متمايزتان من الطاقة الكهرومغناطيسية بتاتٍ كمّيّة.

 ويتميز نهج التوصيل الفائق بمزايا أساسية، فيمكن تصنيع الأجهزة باستخدام طرق تصنيع راسخة، ومن ثم استخدام جهاز حاسوب تقليدي للتحكم في النظام. كما أن التلاعب في الكيوبتات بدائرة فائقة التوصيل يُعدُّ أسهل وأقل حساسية من الفوتونات أو الأيونات الفردية.

ويعمل المهندسون في المختبر الكمّي التابع لشركة IMB على إصدار حاسوب بخمسين كيوبتا. ويمكنك عمل محاكاة حاسوب كمّي بسيط على حاسوب عادي، ولكن عند نحو 50 كيوبتا، يصبح هذا الأمر مستحيلاً. وهذا يعني أن الشركة IBM تقترب نظريا من النقطة التي يمكن فيها للحاسوب الكمّي أن يحل المشكلات التي لا يمكن للحاسوب الكلاسيكي حلّها، أو بعبارة أخرى: التفوق الكمّي.

ولكن كما سيخبرك باحثو IBM، فإن التفوق الكمّي مفهوم مراوغ، إذ ستحتاج إلى أن يعمل جميع الخمسين كيوبتا بشكل مثالي، في حين أن الحواسيب الكمّيّة معرضة في الحقيقة للوقوع في أخطاء تحتاج إلى تصحيح. إضافةً إلى أنه من الصعب للغاية الحفاظ على الكيوبتات لأي مدّة من الوقت، وذلك لميلها إلى “عدم التماسك” Decohere أو فقدان طبيعتها الكمّيّة الدقيقة، مثلما  تتشتت حلقة دخان لدى مواجهتها لأدنى تيار هوائي. وكلما كثُرت الكيوبتات، ازدادت صعوبة هذين التحدّيين.

يقول روبرت شولكوبف Robert Schoelkopf، وهو أستاذ في جامعة ييل ومؤسس لشركة تسمى Quantum Circuits: “إذا كانت لديك 50 أو 100 كيوبت تعمل بشكل جيّد، وصُحِّحَت الأخطاء بشكل كامل، فإن باستطاعتك القيام بحسابات هائلة التعقيد لا يمكن إعادة حلها بواسطة الحواسيب الكلاسيكية، الآن أو ابداً. ولكن الجانب السيِّئ للحوسبة الكمّيّة هي أنها قد تنحدر في الاتجاه الخاطئ انحدارا متسارعا.”

شرح الصورة: تُبرَّد الرقائق داخل جهاز حاسوب IBM الكمّي إلى 15 درجة مليكلفين millikelvin.

جيرمي ليبمان JEREMY LIEBMAN

سبب آخر يدعونا للحذر هو عدم وضوح الفائدة التي سيقدّمها لنا الحاسوب الكمّي، حتى وإن كان يعمل بشكل مثالي، فهو لن يؤدي ببساطة إلى تسريع أي مهمّة تعطيها له، بل سيكون في الواقع، بالنسبة إلى بعض العمليات الحسابية، أبطأ من الحواسيب الكلاسيكيّة. وحتى الآن، لم تُبتكر سوى بضع خوارزميّات ستكون للحواسيب الكمّيّة ميزة واضحة على غيرها من الحواسيب في استخدامها، وحتى بالنسبة إلى تلك الخوارزميات، فإنّ هذه الميزة قد تكون قصيرة الأجل. إن أشهر خوارزمية كمّيّة -طورها بيتر شور Peter Shor في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا- هي لإيجاد العوامل الأولية لعددٍ صحيح. وتعتمد العديد من أنظمة الترميز الشائعة على حقيقة أن القيام بهذا الأمر صعب على الحاسوب العادي. إلا أن باستطاعة الترميز أن يتكيف، مما يخلقُ أنواعًا جديدة من الرموز التي لا تعتمد على العوامل.

“الأمر الذي يقود هذه الضجة هو إدراكنا
أن الفيزياء الكمّيّة حقيقيّة بالفعل، فهي لم تعد
حلم الفيزيائيين، بل أصبحت كابوس المهندسين”

وهذا هو السبب في حرص الباحثين في الشركة IMB  أنفسهم على تبديد هذه الضجة، وعلى الرغم من اقترابهم من إنجاز الخمسين كيوبتا. على طاولة في المدخل المطلّ على الحديقة في الخارج، صادفت جاي غامبيتاJay Gambetta، وهو أسترالي طويل وهادئ، وباحث في خوارزميات الكم والتطبيقات المحتملة لأجهزة الشركة. ويقول غامبيتا مختارا كلماته بعناية: “نحن في هذه المرحلة الفريدة. لدينا هذا الجهاز الأكثر تعقيدا، مما يمكن محاكاته على أيّ حاسوب كلاسيكي، ولكن لا يمكننا التحكم فيه بعد إلى الدقة التي تجعلنا نستخدم الخوارزميات التي نعرفها.”

وما يعطي العاملين في شركة IMB الأمل هو أنه حتى الحواسيب الكمّيّة غير المثالية قد تكون مفيدة. وقد ركّز غامبيتا وغيره من الباحثين على التطبيق الذي تصوره فينمان عام 1981. وتتحدد التفاعلات الكيميائية وخصائص المواد بالتفاعلات بين الذرات والجزيئات. فهذه التفاعلات محكومة بالظواهر الكمّيّة، ويمكن للحاسوب الكمّي – من الناحية النظرية على الأقل – أن يشكّلها بطريقة يعجز عن فعلها أي حاسوب كمّيّ.

وفي العام الماضي، استخدم غامبيتا وزملاؤه في الشركة IMB حاسوبا بسبع كويبتات لمحاكاة البنية الدقيقة لهيدريد البيريليوم. وبثلاث ذرات فقط، يعدّ هذا الجزيء أعقد جزيء جرى تشكيله على الإطلاق بحاسوب كمّي. وقد يستخدم الباحثون في النهاية هذه الحواسيب الكمّيّة لتصميم خلايا شمسيّة أكثر كفاءة، أو عقاقير أكثر فاعليّة، أو محفّزات تحوّل ضوء الشمس إلى وقودٍ نظيف.

وهذه الأهداف بعيدة المنال، ولكن غامبيتا يقول إنّ باستطاعتنا الحصول على نتائج قيّمة من حاسوب كمّي معرّض للخطأ، مقرون بحاسوب كلاسيكي تقليدي.

من حلم فيزيائي إلى كابوس مهندس

يقول إسحق تشوانغ Isaac Chuang، وهو أستاذ نحيل لطيف الكلام من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “الأمر الذي يقود هذه الضجة هو إدراكنا أن الفيزياء الكمّيّة حقيقيّة بالفعل، إذ لم تعد حلم الفيزيائيين، بل أصبحت كابوس المهندسين.”

لقد قاد تشوانغ عملية تطوير بعض أجهزة الحاسوب الكميّة القديمة أثناء عمله في الشركة IBM في ألمادن Almaden بكاليفورنيا خلال أواخر تسعينات القرن العشرين وبداية الألفيّة الجديدة. وعلى الرغم من كونه لم يعد يعمل عليها، إلّا أنّه يعتقد بأنّنا على مشارف اكتشاف عظيم، وأن الحوسبة الكمّيّة ستؤدي في النهاية دورا حتى في الذكاء الاصطناعي.

لكنه يشكّ أيضا في أن تبدأ الثورة قبل أن يتمكّن جيل جديدة من الطلبة والمخترقين من اللعب بالآلات العمليّة. ولا تتطلب الحواسيب الكمّيّة لغات برمجة مختلفة وحسب، بل وطريقة مختلفة تماما في التفكير بمفهوم البرمجة. وكما يصف غامبيتا الأمر: “نحن لا نعرف حقا ما يعادل جملة ‘مرحبا أيها العالم’ على حاسوب كمّيّ.”

لكنّنا قد بدأنا بمعرفة ذلك. في عام 2016، قامت الشركة IBM بتوصيل حاسوب كمّي صغير بالسحابة. ويمكنك تشغيل بعض البرامج البسيطة عليه، وذلك باستخدام مجموعة أدوات برمجيّة تسمّى QISKit، وهي مجموعة عمل على بنائها برامجها آلاف الأشخاص، من باحثين أكاديميّين إلى طلاب مدارس، وهي برامج تشغّل خوارزميّات كمّيّة بسيطة. والآن، تضع غوغل وغيرها من الشركات حواسيبها الكمّيّة الناشئة على الإنترنت. لا يمكنك فعل الكثير بهذه الحواسيب، ولكنّها على الأقل تعطي الناس خارج هذه المختبرات الرائدة فكرةً عمّا قد يكون عليه المستقبل.

أصبح مجتمع الشركات الناشئة متحمّسا هو الآخر. فبعد فترة وجيزة من رؤية الحاسوب الكمّي لدى الشركة IBM، ذهبت إلى كليّة إدارة الأعمال بجامعة تورنتو University of Toronto’s business school لحضور منافسة من أجل الشركات الكمّيّة الناشئة. وبتوتّرٍ كبير، نهضت فرق من روّاد الأعمال، وقدّمت أفكارها إلى مجموعة من الأساتذة والمستثمرين. وكانت إحدى الشركات تأمل باستخدام الحواسيب الكمّيّة لنمذجة الأسواق الماليّة، في حين خطّطت أخرى لاستخدامها في إنتاج بروتينات جديدة، كما أرادت شركة ثالثة بناء أنظمةِ ذكاءٍ اصطناعي أكثر تقدّمًا. وما تجاهله الجميع على الرغم من معرفتهم به، هو أن كلّ فريق كان يقترحُ عملًا تقنية ثوريّة للغاية لدرجة أنّها تكادُ تكون موجودة. وقد بدا البعض متهيّبا من هذه الحقيقة ومثبّطًا نتيجة لها.

وقد يخمد هذا الحماس إذا سارت عمليّة إيجاد الحواسيب الكمّيّة لاستخدام عمليّ بوتيرة بطيئة. وأفضل تخمين من أولئك الذين يعرفون حقيقة الصعوبات – وهم أشخاص مثل بينيت وتشوانغ – هو أن ظهور أول الحواسيب الكمّيّة المفيدة لا يزال على بعد عدة سنوات، وهذا على افتراض أن مشكلة إدارة مجموعة كبيرة من الكيوبتات والتلاعب بها لن تثبت في نهاية المطاف أنها مستعصية.

ومع ذلك، لا يزال الخبراء يحملون مشاعل الأمل، فعندما سألته عمّا سيكون عليه شكل العالم عندما يكبر ابني البالغ من العمر عامين، أجاب تشوانغ -الذي تعلّم كيفية استخدام الحواسيب عن طريق اللعب بالشرائح الصغيرة Microchips – بابتسامة، وقال: “ربما سيمتلك طفلك عدّة ألعاب لبناء جهاز حاسوب كمّيّ.”