ما هي الحوسبة الكمومية؟ وكيف يعمل بالضبط؟ و ماهي أنواع الحوسبة الكمومية..

ما هي الحوسبة الكمومية؟

في المستقبل القريب ، يمكن للحوسبة الكمومية أن تغير العالم.
لنأخذ التغير المناخي على سبيل المثال: نظرًا لتعقيد نظام المناخ ، والبيانات التي لا نهاية لها على ما يبدو ، والقيود المتزايدة على قوة الحوسبة الحالية ، لا يمكن لأي كمبيوتر كلاسيكي (مثل سطح المكتب) محاكاة تغيرات مناخ الأرض بدقة 100٪.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، من ناحية أخرى ، أجهزة كمبيوتر عملاقة مجهزة بقدرات معالجة متقدمة. مع الأخذ في الاعتبار الكثير من متغيرات المناخ ، يمكنهم إنشاء نماذج تعتمد على البيانات للمساعدة في التنبؤ بأنماط الطقس والاستعداد للكوارث الطبيعية.

إلى جانب عمليات محاكاة المناخ ، يمكن لهذه الأنظمة الحاسوبية المتقدمة إجراء حسابات فائقة السرعة على أكبر مجموعات البيانات وأكثرها تعقيدًا - وبالتأكيد تجذب التكنولوجيا انتباه وسائل الإعلام.

ولكن كيف يعمل بالضبط؟

ما هي الحوسبة الكمومية؟

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية معالجة مجموعات البيانات الضخمة والمعقدة بكفاءة أكبر من أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

يستخدمون أساسيات ميكانيكا الكم لتسريع عملية حل الحسابات المعقدة. غالبًا ما تتضمن تلك الحسابات عددًا غير محدود من المتغيرات على ما يبدو ، وتغطي التطبيقات المحتملة الصناعات من الجينوم إلى التمويل.

تقوم الحواسيب الكمومية بإعادة اختراع جوانب الأمن السيبراني من خلال قدرتها على كسر الرموز وتشفير الاتصالات الإلكترونية. يستكشف بعض من أكبر اللاعبين في مجال التكنولوجيا - بما في ذلك Google و Microsoft و Intel و IBM و Alibaba - الحوسبة الكمومية للأمن السيبراني بشكل أفضل والمزيد ، في إشارة إلى أن سباق الحوسبة الكبير المقبل بدأ بالفعل.

بينما تستكشف Google الحوسبة الكمومية للبحث السريع للغاية على الإنترنت منذ عام 2009 على الأقل ، يبقى أن نرى من سيبرز كرائد في صناعة الحوسبة التجارية الناشئة.

في هذا الشرح ، نتعمق أكثر في ماهية الحوسبة الكمومية ، والفوائد المرتبطة بالتكنولوجيا ، وتطبيقاتها ، ومشغلي الصناعة الذين يجب مراقبتهم.

ما مدى قربنا من تفوق الكم؟

مشهد الحوسبة المتغيرة
قبل أن نفهم الحوسبة الكمومية وتطبيقاتها ، يجب أن نلقي نظرة على كيفية وصول سلفه - الحوسبة الكلاسيكية (الحوسبة القائمة على الترانزستور) - إلى حدوده.

ملاحظة ، البتات الكلاسيكية (المخزنة على الترانزستورات) هي الوحدات الأساسية لمعالجة المعلومات في الكمبيوتر الكلاسيكي.
إنها مفاتيح تشغيل / إيقاف إلكترونية بشكل أساسي مضمن في الرقائق التي تتناوب بين 0 أو 1 لمعالجة المعلومات. كلما زادت الترانزستورات الموجودة على الشريحة ، زادت سرعة معالجة الشريحة للإشارات الكهربائية ، وكلما أصبح الكمبيوتر أفضل.

الحوسبة وراء قانون مور

في عام 1965 ، لاحظ جوردون مور ، أحد مؤسسي شركة إنتل ، أن عدد الترانزستورات في البوصة المربعة لكل بوصة مربعة قد تضاعف كل عام بينما تم تخفيض التكاليف إلى النصف (منذ اختراعها في عام 1958). هذه الملاحظة معروفة باسم قانون مور.

قانون مور مهم لأنه يعني أن أجهزة الكمبيوتر وقوة الحوسبة تصبح أصغر وأسرع بمرور الوقت.

ومع ذلك ، فإن قانون مور يتباطأ (يقول البعض توقف) ، وبالتالي ، فإن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لا تتحسن بنفس المعدل الذي اعتادوا عليه.
لا غرابة في أن شركة إنتل اعتمدت على قانون مور لتزويد ابتكارات الرقائق بأكثر من 50 عامًا. الآن ، اقترحت Intel ، إلى جانب عمالقة صناعة الكمبيوتر الآخرين ، أن الحوسبة القائمة على الترانزستور تقترب من النهاية.

في وقت ما من عام 2020 - إذا أردنا الاستمرار في جني فوائد النمو الهائل في قوة الحوسبة - فسوف يتعين علينا إيجاد طريقة مختلفة اختلافًا جذريًا في معالجة المعلومات.

أدخل الحوسبة الكمومية.

ارتفاع الحوسبة الكمية

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تقدم ميزة كفاءة هائلة لحل أنواع معينة من الحسابات التي تعثر على أجهزة كمبيوتر اليوم - وسوف تستمر في سحقها حتى لو استمر قانون مور إلى أجل غير مسمى.
بالنسبة للمبتدئين ، فكر في دفتر هاتف ، ثم تخيل أن لديك رقمًا محددًا للبحث في دفتر الهاتف هذا. سيقوم الكمبيوتر الكلاسيكي بالبحث في كل سطر من دفتر الهاتف ، حتى يعثر على المطابقة ويعيدها. من الناحية النظرية ، يمكن للكمبيوتر الكمومي البحث في دفتر الهاتف بأكمله على الفور ، وتقييم كل سطر في وقت واحد وإرجاع النتيجة بشكل أسرع بكثير من الكمبيوتر الكلاسيكي.

غالبًا ما تسمى هذه المشكلات ، التي تتطلب أفضل مزيج من المتغيرات والحلول ، مشاكل التحسين. إنها بعض من أكثر المشاكل تعقيدًا في العالم ، مع فوائد محتملة لتغيير اللعبة.

تخيل أنك تبني أطول ناطحة سحاب في العالم ، ولديك ميزانية لمعدات البناء والمواد الخام والعمالة ، فضلاً عن متطلبات الامتثال. المشكلة التي تحتاج إلى حلها هي كيفية تحديد أفضل مزيج من المعدات والمواد والعمالة ، وما إلى ذلك لزيادة استثماراتك. الحوسبة الكمومية يمكن أن تساعد في جعل كل هذه المتغيرات تساعدنا على التخطيط الأكثر كفاءة للمشاريع الضخمة.

تواجه مشكلات التحسين في العديد من المجالات ، بما في ذلك تصميم البرامج واللوجستيات والتمويل وبحث الويب والجينوميات والمزيد. بينما أصعب مشاكل التحسين في هذه الصناعات تتعثر على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، إلا أنها مناسبة تمامًا لحلها على جهاز الكم.

تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية عن أجهزة الكمبيوتر التقليدية في أن هذا التحسن يعتمد بشكل أساسي على التقدم في المواد التي تشكل الترانزستورات والرقائق الدقيقة.

لا تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية الترانزستورات (أو البتات الكلاسيكية). بدلاً من ذلك ، يستخدمون qubits.

Qubits هي الوحدات الأساسية لمعالجة المعلومات في الكمبيوتر الكمومي.
يمكن أن يكون Qubits أي قيمة من 0 إلى 1 ، أو أن يكون له خصائص كل من هذه القيم في وقت واحد. على الفور ، هناك الكثير من الإمكانيات لإجراء الحسابات.

بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد الحواسيب الكمومية على الظواهر الكمومية الميكانيكية الطبيعية ، أو على حالتين مهمتين من المواد تعرفان بالتراكب والتشابك. عند تسخير هذه الحالات لأغراض الحوسبة ، يمكن أن تسرع قدرتنا على أداء حسابات هائلة.
يمكن لأكبر شرائح الحوسبة الكمومية المتوفرة حاليًا ، والتي يتم تطويرها بواسطة شركة Rigetti Computing التي مقرها بيركلي  ، استخدام ما يصل إلى 19 كيلوبايت ، على الرغم من أن الشركة بصدد إنشاء شريحة 128 كيلو بايت بحلول أواخر عام 2019.

ومع ذلك ، فإن السباق من أجل بناء أقوى كمبيوتر الكم مع معظم الكويبتات قد بدأ منذ أواخر التسعينات على الأقل.
في عام 1998 ، أعلن باحثو جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة أنهم حققوا طفرة مع القدرة على حساب المعلومات باستخدام اثنين من البت. بسرعة إلى الأمام حتى عام 2017 ، وأثبتت IBM قدرتها على حساب 50 بت. زادت قوة الحوسبة الكمومية بمقدار 25 مرة خلال 20 عامًا - وهي بداية بطيئة على ما يبدو مقارنة بخطى تقدم اليوم.

في عام 2018 ، أظهرت Google معالجة معلومات تبلغ 72 كيلو بايت. في شهر أغسطس ،   أعلنت شركة Rigetti Computing عن خطط لإنتاج شريحة بحجم 128 كيلو بايت .

أطلق ستيف جورفتسون ، العضو المنتدب لشركة Draper Fisher Jurvetson الاستثمارية والمستثمر في شركة الحوسبة الكمومية  D-Wave Systems  (رائدة رائدة متخصصة في الآلات الكمومية والهجينة) ، ظاهرة زيادة سعة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أنها " قانون روز ".

يماثل قانون روز للحوسبة الكمومية الفكرة الكامنة وراء قانون مور لتطوير معالج أشباه الموصلات. باختصار ، أصبحت أجهزة الكمبيوتر الكمومية سريعة بالفعل ، بسرعة كبيرة.

أنواع الحوسبة الكمومية

هناك ثلاثة أنواع أساسية من الحوسبة الكمومية. يختلف كل نوع حسب مقدار طاقة المعالجة (عدد الكيلوبايت) اللازمة وعدد التطبيقات الممكنة ، فضلاً عن الوقت اللازم لتصبح قابلة للتطبيق تجاريًا.
كمية هائلة
الصلب الكمي هو الأفضل لحل مشاكل التحسين.

بمعنى آخر ، يحاول الباحثون إيجاد أفضل تكوين ممكن (أكثر كفاءة) بين العديد من مجموعات المتغيرات المحتملة.

على سبيل المثال ، أجرت Volkswagen (VW) مؤخرًا تجربة كمية لتحسين تدفق حركة المرور في مدينة بكين المزدحمة بالصين. تم تشغيل التجربة بالشراكة مع Google و D-Wave Systems.

يمكن أن تقلل الخوارزمية بنجاح حركة المرور من خلال اختيار المسار المثالي لكل مركبة ، وفقًا لـ VW.

تخيل تطبيق هذه التجربة على نطاق عالمي - تحسين كل خطوط شركات الطيران ، وجدول المطار ، وبيانات الطقس ، وتكاليف الوقود ، ومعلومات الركاب ، وما إلى ذلك للجميع ، للحصول على حلول السفر والخدمات اللوجستية الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

قد تستغرق أجهزة الكمبيوتر التقليدية آلاف السنين لحساب الحل الأمثل لمثل هذه المشكلة. من الناحية النظرية ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية القيام بذلك في غضون ساعات قليلة أو أقل ، حيث يزداد عدد البتات لكل كمبيوتر كمي.

نموذج تدفق الهواء لجناح الطائرة

ينطبق الصلب على مجموعة من مشاكل الصناعة. على سبيل المثال ، أنشأت إيرباص - وهي شركة عالمية للدفاع الجوي والفضائي معروفة بتطوير الطائرات العسكرية والتجارية - وحدة حوسبة كمية في مصنعها في نيوبورت بالمملكة المتحدة في عام 2015.

تستكشف الشركة الصلب الكمي للنمذجة الرقمية وعلوم المواد.
على الرغم من أن الأمر يستغرق حاليًا سنوات من المهندسين لوضع نموذج لعملية تدفق الهواء فوق جناح الطائرة ، فقد يستغرق الكمبيوتر الكمومي بضع ساعات فقط لتصميم كل ذرة من الهواء تتدفق على جناح في جميع الزوايا والسرعات لتحديد المستوى الأمثل أو الأكثر كفاءة تصميم الجناح.

التلدين الكمي هو أقل أشكال الحوسبة الكمومية تطبيقًا والأكثر ضيقًا.
في الواقع ، يتفق الخبراء على أن أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم يمكن أن تحل بعض مشاكل التحسين على قدم المساواة مع آلات الصلب الكم اليوم.

المحاكاة الكمية

تستكشف عمليات المحاكاة الكمومية مشاكل معينة في فيزياء الكم تتجاوز قدرة النظم الكلاسيكية. يمكن أن تكون محاكاة الظواهر الكمومية المعقدة أحد أهم تطبيقات الحوسبة الكمومية.

تشتمل إحدى المجالات الواعدة بشكل خاص على نموذج تأثير التحفيز الكيميائي على عدد كبير من الجزيئات دون الذرية - والمعروفة باسم كيمياء الكم.
على وجه الخصوص ، يمكن استخدام المحاكاة الكمومية لمحاكاة طي البروتين - واحدة من أصعب مشاكل الكيمياء الحيوية.

يمكن أن تسبب البروتينات غير المشغولة أمراضًا مثل مرض الزهايمر وشلل الرعاش ، ويتعين على الباحثين الذين يختبرون علاجات جديدة معرفة العقاقير التي تسبب ردود فعل لكل بروتين من خلال استخدام نماذج الكمبيوتر العشوائية.

يقال إنه إذا كان البروتين سيحقق تكوينه المطوي بشكل صحيح عن طريق أخذ عينات بالتأثيرات التي يسببها الدواء بالتسلسل ، فسيتطلب ذلك وقتًا أطول من عمر الكون للوصول إلى حالته الطبيعية الصحيحة.

سيكون رسم الخرائط الواقعية لتسلسل طي البروتين بمثابة تقدم كبير في مجال العلوم والرعاية الصحية يمكن أن ينقذ الأرواح.
يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المساعدة في حساب العدد الهائل من متواليات طي البروتين الممكنة لصنع أدوية أكثر فعالية. في المستقبل ، ستمكّن عمليات المحاكاة الكمومية إجراء اختبار سريع للعقاقير من خلال حساب كل تركيبة ممكنة من البروتين إلى الدواء.

الكم الشامل الحوسبة

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأقوى والأكثر قابلية للتطبيق بشكل عام ، ولكنها أيضًا الأصعب في الإنشاء. من المرجح أن يستخدم الكمبيوتر الكمي العالمي حقًا أكثر من 100000 بت - بعض التقديرات تضعه في 1 مليون بت. تذكر أنه اليوم ، أكثر البتات التي يمكننا الوصول إليها ليست حتى 128.

الفكرة الأساسية وراء الكمبيوتر الكمي العالمي هي أنه يمكنك توجيه الجهاز في أي حساب معقد بشكل كبير والحصول على حل سريع. وهذا يشمل حل معادلات الصلب المذكورة أعلاه ، ومحاكاة الظواهر الكمومية ، وأكثر من ذلك.
ريجيتي 128 كيلو بايت رقاقة الكم
ظل الباحثون يصممون الخوارزميات لسنوات ممكنة فقط على جهاز كمبيوتر كمومي عالمي. الخوارزميات الأكثر شهرة هي خوارزمية Shor لأرقام العوملة (لاستخدامها في كسر الشفرات المتقدمة) ، وخوارزمية Grover للبحث بسرعة عن مجموعات غير منظمة وضخمة من البيانات (لاستخدامها في البحث المتقدم على الإنترنت ، إلخ).

تم تطوير 50 ​​خوارزمية فريدة أخرى على الأقل لتعمل على كمبيوتر كمومي عالمي.
في المستقبل البعيد ، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تحدث ثورة في مجال الذكاء الاصطناعي.

يمكن أن يتيح الذكاء الكمومي التعلم الآلي الذي هو أسرع من تعلم الحواسيب الكلاسيكية.
أنتجت الأعمال الحديثة خوارزميات يمكن أن تكون بمثابة اللبنات الأساسية لتعلم الآلة الكمومية ، لكن الأجهزة والبرمجيات التي تدرك تمامًا الذكاء الاصطناعي الكمومي لا تزال بعيدة المنال بالنسبة إلينا مثل الكمبيوتر الكمومي العام نفسه.

صناعة الحوسبة الكمومية

لا يوجد سوى عدد قليل من الشركات الخاصة في الصناعة التي تمكنت من جمع ما لا يقل عن 50 مليون دولار (وأقل من ذلك بأكثر من 100 مليون دولار) ، مما يشير إلى أن التطبيق التجاري لأجهزة الكمبيوتر الكمومية - لكل من الأجهزة والبرامج - ناشئ في هذا نقطة ، على الرغم من الضجيج.
D-Wave هي أكثر شركات الحوسبة الكمومية تمويلًا جيدًا حيث تم جمعها حتى الآن بمبلغ 210 مليون دولار ، تليها شركة Rigetti Computing (119 مليون دولار) ، وحوسبة سيليكون الكم  (  66 مليون دولار) ،  وحساب كامبريدج الكمومي  (CQC) (50 مليون دولار).

على وجه الخصوص ، شكلت الصفقات لهذه الشركات الأربع حوالي 70 ٪ من إجمالي تمويل الصناعة منذ عام 2013. بالإضافة إلى ذلك ، بلغت الصفقات لشركات الحوسبة الكمومية بشكل عام أعلى مستوى لها على الإطلاق في عام 2018.

على مدار الأعوام الستة الماضية ، ارتفع إجمالي الصفقات بنسبة تزيد على 200٪ - من 7  صفقات في عام 2013 إلى 24 صفقة في عام 2018. ومن بين أفضل الصفقات في عام 2018 ، جمعت Rigetti Computing سلسلة C بقيمة 50 مليون دولار في أغسطس.

في عام 2017 ، بلغ إجمالي التمويل للشركات الناشئة في مجال الحوسبة الكمومية أعلى مستوى له على الإطلاق حيث تم استثمار أكثر من 200 مليون دولار في 14 صفقة فقط. على وجه الخصوص ، جمعت خمس شركات ناشئة جولات تزيد قيمتها على 20 مليون دولار في عام 2017 ، بما في ذلك: الحوسبة الكمومية من السيليكون ، ريجيتي ،  1QBit ،  IonQ ، و ، و D-Wave.

من يستثمر في الحوسبة الكمية؟

بالتوازي مع الاهتمام المتزايد عبر الفضاء ، فإن النظام البيئي الشامل الذي يدعم تطوير هذه الشركات ينمو أيضًا. تراهن شركات VCs السائدة إلى جانب الشركات بالفعل على شركات الحوسبة الكمومية الخاصة.

قامت Google Ventures (GV) و Amazon ، من بين آخرين ، بدعم IonQ ، التي تقوم بتطوير أجهزة كمبيوتر كمومية للأغراض العامة لمعالجة مجموعة واسعة من التطبيقات. تتضمن VCs البارزة في الصناعة Sequoia Capital ، التي استثمرت في شركة Quantum Circuits، Inc.  (QCI) لأجهزة الحوسبة  الكمومية . لقد استثمر Andreessen Horowitz (a16z) في Rigetti Computing و Draper Fisher Jurvetson (DFJ) مع استثمارات متعددة في D-Wave Systems.

حصل تأمين الاتصالات باستخدام الحوسبة الكمومية على دعم في فبراير 2018 ، عندما دخلت شركة الاتصالات السلكية واللاسلكية الكورية الجنوبية SK تليكوم اللعبة ، تليها الألمانية دويتشه تليكوم بعد بضعة أشهر. اشترت شركات الاتصالات حصة أغلبية قدرها 65 مليون دولار وحصة أقلية ، على التوالي ، في  ID Quantique ، وهي مزود لتشفير شبكة بروتوكولات متعددة لتأمين الاتصالات القائمة على تقنيات الكم.

وتتابع بعض أكبر الشركات في العالم أيضًا مشاريع الحوسبة الكمومية.
تدير Google كمبيوتر الكم D Systems Systems في مختبر الذكاء الاصطناعي الكم (Quail). تستضيف المختبر ناسا وجمعية أبحاث الفضاء التابعة للجامعات في مركز أبحاث أميس التابع لناسا في ماونتن فيو ، كاليفورنيا.

في يوليو 2015 ، أنشأت وحدة Aliyun السحابية في Alibaba والأكاديمية الصينية للعلوم منشأة بحثية مقرها في شنغهاي تسمى مختبر Alibaba Quantum Computing Laboratory. يبحث المعمل في تقنية الأمان الكم لمراكز التجارة الإلكترونية والبيانات.

في يناير 2019 ، كشفت آي بي إم عن أول كمبيوتر كم تجاري لها في معرض الالكترونيات الاستهلاكية (CES). يستخدم نظام Q System One من IBM 20 كيلوبايت ويحتوي على مكونات كلاسيكية وكمومية. أوضح إعلان الشركة أن الأمر سيستغرق بعض الوقت قبل أن تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من التغلب على الآلات الكلاسيكية اليوم:

"تم تصميم أنظمة IBM Q ل  يوم واحد  معالجة المشاكل التي ينظر إليها حاليا على أنها معقدة للغاية والأسي في طبيعة النظم التقليدية في التعامل معها."

مجموعة من شركات التكنولوجيا الأخرى بما في ذلك Hewlett Packard و Intel و Microsoft تسعى أيضًا إلى الحوسبة الكمومية.
العديد من مقاولي الدفاع والشركات الاستشارية قاموا أيضًا بإجراء مسرحيات للحوسبة الكمومية بما في ذلك: بوز ألن هاميلتون ، ولوكهيد مارتن ، ورايثيون ، وغيرها.

إلى جانب استثمارات الشركة ، تدعم حكومات الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة وأستراليا والصين مشاريع تهدف إلى بناء أجهزة كمبيوتر كمومية.

في الولايات المتحدة ، تشارك كل من NASA و NSA و Los Alamos National Laboratory في مشاريع الحوسبة الكمومية.

أطلقت الحكومة الصينية أول قمر صناعي كمومي في العالم سعياً وراء اتصالات أكثر أمانًا في عام 2016.

الحوسبة الكمومية عبر الصناعات 

مع انخفاض تكلفة موارد الحوسبة الكمومية ، ستظهر المزيد من الجهات الفاعلة في الصناعة.
ومع زيادة عدد اللاعبين في هذه الصناعة ، ستشهد الحوسبة الكمومية زيادة في التطبيقات عبر الصناعات ، خاصة وأن أجهزة الكمبيوتر التقليدية أثبتت عدم كفاءتها في بعض الحالات.

لقد بدأنا بالفعل في رؤية آثاره في مختلف القطاعات.
"نحن في فجر عصر الحوسبة الكمومية هذا. نعتقد أننا على حق في توفير القدرات التي لا يمكنك الحصول عليها باستخدام الحوسبة الكلاسيكية. في كل تخصص تقريبًا سترى هذه الأنواع من أجهزة الكمبيوتر تحدث هذا النوع من التأثير. "- Vern Brownell ، المدير التنفيذي لشركة D-Wave Systems

من الرعاية الصحية إلى الزراعة ، وهنا العديد من القطاعات التي سوف تستفيد من إمكانات الحوسبة الكمومية.

الرعاية الصحية

الحمض النووي مزدوج اللولب

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعد في تسريع عملية مقارنة تفاعلات وتأثيرات الأدوية المختلفة على مجموعة من الأمراض لتحديد أفضل الأدوية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي الحوسبة الكمية أيضًا إلى طب شخصي حقيقي - باستخدام التطورات في علم الجينوم لإنشاء خطط علاجية مخصصة لكل مريض.

يخلق تسلسل الجينوم الكثير من البيانات ، بحيث يتطلب تمثيل خيط DNA الكامل للشخص قدرة طاقة هائلة وسعة تخزين. الشركات تخفض بسرعة التكلفة والموارد اللازمة لتسلسل الجينوم البشري ؛ ومع ذلك ، فإن الكمبيوتر الكمومي يجعل نظريًا الطريقة التي يتم بها ترتيب الجينومات أكثر كفاءة وأسهل في القياس على مستوى العالم.

يمكن للكمبيوتر الكمومي أن يجمع ويصنف جميع أنواع الجينات الممكنة في نفس الوقت ويجد على الفور جميع أزواج النوكليوتيدات ، مما يجعل العملية الكاملة لتسلسل الجينوم أقصر بشكل كبير.
يمكن أن يسمح لنا تسلسل الجينوم الكمي السريع بتجميع الحمض النووي في العالم في قاعدة بيانات واسعة لصحة السكان. باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، سنكون قادرين على تجميع الأنماط في بيانات الحمض النووي في العالم لفهم تركيبنا الوراثي على مستوى أعمق ، وكذلك اكتشاف أنماط مرض لم تكن معروفة من قبل.

الخدمات المالية

مونت كارلو المحاكاة في التمويل

يعتمد المحللون الماليون عادة على خوارزميات تتكون من الاحتمالات والافتراضات حول الطريقة التي ستعمل بها الأسواق والمحافظ. الحوسبة الكمية يمكن أن تساعد في القضاء على النقاط العمياء للبيانات ومنع الافتراضات المالية التي لا أساس لها من خلق خسائر.

على وجه التحديد ، فإن مجالات الحوسبة الكمومية التي تُظهر الوعد الأكبر للخدمات المالية هي في حل مشاكل التحسين المعقدة مثل تحسين مخاطر الحافظة واكتشاف الاحتيال.
يمكن استخدام الحوسبة الكمومية لتحديد المحافظ الاستثمارية الجذابة بشكل أفضل بالنظر إلى آلاف الأصول ذات التبعيات البينية وتحديد أنماط الاحتيال الرئيسية بشكل أكثر فعالية.

أحد مجالات التمويل الأخرى التي يمكن أن تتغير أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي إدارة ما يعرف عادةً في الصناعة باسم محاكاة مونت كارلو - وهي محاكاة احتمالية تستخدم لفهم تأثير المخاطرة وعدم اليقين في نماذج التنبؤ المالي.

في حين أن أجهزة الكمبيوتر التقليدية يمكنها فقط البحث في ملف واحد في وقت واحد أو تشغيل محاكاة مونت كارلو لمحفظة واحدة ، يمكن لجهاز كمبيوتر الكم إجراء هذه العمليات في نفس الوقت وتحسين المعاملات بشكل أكثر كفاءة.

الأمن السيبراني

الصين Micius الأقمار الصناعية الكم

يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لكسر رموز التشفير التي نستخدمها اليوم للحفاظ على أمان البيانات الحساسة والاتصالات الإلكترونية.

ومع ذلك ، يمكن أيضًا استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتأمين البيانات من القرصنة الكمومية - وهي تقنية تعرف باسم تشفير الكم.

تشفير الكم هو فكرة إرسال جسيمات متشابكة من الضوء (فوتونات متشابكة) على مسافات طويلة فيما يعرف باسم توزيع مفتاح الكم (QKD) لغرض تأمين الاتصالات الحساسة.

النقطة الأكثر أهمية هي أنه إذا تم اعتراض الاتصالات المشفرة الكمومية من قبل أي شخص ، فإن مخطط التشفير سيظهر علامات فورية على الانقطاع ويكشف أن المراسلات غير آمنة. هذا يعتمد على مبدأ أن فعل قياس النظام الكمي يعطل النظام. هذا هو المعروف باسم "تأثير القياس".

الزراعة

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعدنا في إنتاج الأسمدة بكفاءة أكبر.
تقريبا جميع الأسمدة التي تساعد في إطعامنا مصنوعة من الأمونيا. إن القدرة على إنتاج الأمونيا (أو البديل) بكفاءة أكبر تعني سماد أرخص وأقل كثافة في استخدام الطاقة. سهولة الوصول إلى أفضل الأسمدة سيفيد البيئة ويساعد على إطعام سكان الكوكب المتزايدين.

تم إحراز تقدم ضئيل في تحسين عملية إنشاء أو استبدال الأمونيا لأن عدد مجموعات المحفزات الممكنة للقيام بذلك لا حصر له.
في الأساس ، لا يمكننا محاكاة العملية بشكل مصطنع دون استخدام تقنية صناعية من أوائل القرن العشرين المعروفة باسم عملية هابر بوش. تنطوي العملية على حرارة وضغط عالٍ للغاية لتحويل النيتروجين والهيدروجين والحديد إلى أمونيا.
إن استخدام الحواسيب الفائقة الحالية لاختبار عدد التوليفات الحفزية المناسبة رقميا لصنع الأمونيا سيستغرق حلها قرون.

سيكون الكمبيوتر الكمومي قادرًا على تحليل العمليات الحفازة الكيميائية بسرعة ، ويأتي بمزيج محفز مثالي لتكوين الأمونيا.
علاوة على ذلك ، نعلم أن بكتيريا صغيرة في جذور النباتات تقوم بهذه العملية نفسها كل يوم بتكلفة منخفضة للغاية من الطاقة باستخدام جزيء معين يسمى النيتروجين. هذا الجزيء يتجاوز قدرات أكبر أجهزة الكمبيوتر لدينا على المحاكاة ، ولكنه سيكون في متناول الكمبيوتر الكمومي.

لاحظ أن إنتاج سماد موفر للطاقة هو مجرد واحدة من الطرق العديدة التي يمكننا من خلالها حل المشكلات الكبيرة مع القدرة على محاكاة السلوك الجزيئي بدقة. توجد مشاكل مماثلة عبر تغير المناخ ، والرعاية الصحية ، وعلوم المواد ، والطاقة ، وأكثر من ذلك.

الحوسبة السحابية

تظهر الحوسبة السحابية الكمومية كمجال واعد في هذه الصناعة. يمكن للمنصات السحابية الكمومية تبسيط البرمجة وتوفير وصول منخفض التكلفة إلى الأجهزة الكمومية.

تعد شركة  QC Ware  شركة ناشئة في مرحلة مبكرة تقوم بتطوير نظام أساسي يستند إلى مجموعة النظراء للحوسبة الكمية. من بين مؤيدي QC Ware Airbus Ventures و Goldman Sachs ، من بين آخرين.

الشركات الكبرى بما في ذلك IBM و Google و Alibaba تتابع أيضًا مشاريع الحوسبة السحابية الكمومية.
تذكر أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية جيدة في إيجاد الحلول المثلى للمشاكل مع عدد لا حصر له على ما يبدو من المتغيرات ، وحماية البيانات والاتصالات الحساسة ، ومحاكاة الظواهر الكمومية والسلوك الجزيئي بدقة. يمثل حل هذه المشكلات جوهر كل تطبيق تجاري تقريبًا للحوسبة الكمومية.

والجدير بالذكر أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد تكون أيضًا المفتاح لحماية مستقبلنا الرقمي من خلال عمليات تطوير البرامج الآمنة.
نحن نعتمد بشكل متزايد على البرمجيات لقيادة السيارات ، والطيران ، وتوفير الرعاية الصحية ، واتخاذ القرارات المالية ، وأكثر من ذلك. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تقيم بسرعة كل سيناريو وشرط لقاعدة الكود للعثور على العيوب قبل وجود مشكلة. إن اكتشاف العيوب في الكود وراء هذه الأنشطة الحرجة قد يعني قريبًا الفرق بين الحياة والموت لكثير من الناس.

تسهل حل كل مشكلة في علوم المواد باستخدام كمبيوتر الكم. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تنطبق على تصميم أي مادة تقريبًا لأي غرض. تمتد مجموعة الإمكانات التي تشمل النقل والبناء وأجهزة الاستشعار والدفاع والمعدات الطبية والمزيد. المواد في هذه الصناعات مصنوعة في النهاية من جزيئات وذرات ذات خواصها وتفاعلاتها ميكانيكية كمومية بشكل أساسي.

التطلع إلى الأمام مع الذكاء الاصطناعي الكمي
في المستقبل البعيد ، يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتسريع مجال الذكاء الاصطناعي.

يمكن للتعلم الآلي في الكم أن يخلق الذكاء الاصطناعي الذي يؤدي المهام المعقدة بشكل أكثر كفاءة بطرق تشبه الإنسان. على سبيل المثال ، تمكين الروبوتات البشرية من اتخاذ قرارات محسنة في الوقت الحقيقي وتحت ظروف غير متوقعة.

يمكن أن يؤدي تدريب الذكاء الاصطناعى على أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى تعزيز رؤية الكمبيوتر والتعرف على الأنماط والتعرف على الصوت والترجمة الآلية وغير ذلك الكثير.

لا يزال الذكاء الاصطناعى جزءًا صغيرًا وغير مثبت من هذه الصناعة. ومع ذلك ، بدأت العديد من الشركات الناشئة في دفع عجلة البحث والتطوير في هذا المجال ، بما في ذلك:  Zapata Computing و  Xanadu و  Qindom .

ما مدى قربنا من تفوق الكم؟

تفوق الكم هو قدرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على حل المشكلات التي لا تستطيع الحواسيب التقليدية عملياً. تذكر أن الكمبيوتر الكم المثالي هو جهاز قابل للتطبيق عالميًا ويتفوق على الآلات الكلاسيكية.

لقد ادعت الشركات والحكومات بتشغيل جهاز كمبيوتر كمومي يحقق تفوق الكم. في آذار (مارس) 2018 ، على سبيل المثال ، زعمت Google أن حلتها البالغة 72 كيلوبت حل مشكلة تم اختيارها بعناية أسرع من الأجهزة الكلاسيكية. بعد فترة وجيزة من الإعلان ، أعلن باحثو علي بابا أنهم قد حلوا نفس المشكلة باستخدام الأنظمة الكلاسيكية. تؤكد البورصة على صدقية أقوى الشركات في العالم التي تتسابق لقيادة التهمة إلى التفوق الكمي.

اليوم ، تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأقوى التي تصنعها الشركات التي تشمل أنظمة D-Wave و Alibaba و IBM و Rigetti Quantum Computing ، من بين أمور أخرى ، بمثابة عرض الكم الهجين الكلاسيكي. أي أنها توفر مزيجًا من الأنظمة الكلاسيكية القوية مدعومة بقدرات الكم الرائعة.

ومع ذلك ، فإن الصناعة تتطور بسرعة. يتفق الخبراء على أنه بحلول عام 2030 ، يمكننا أن نرى أجهزة الكمبيوتر الكم تفوق نظيراتها الكلاسيكية.

يجب التغلب على الحواجز التقنية الهامة قبل أن تحقق الحوسبة الكمومية إمكاناتها. سيتطلب ذلك تطوير أجهزة أكثر استقرارًا ومنصات تجارية لتطوير البرمجيات وتطوير قدرات الحوسبة السحابية لتوزيع موارد الحوسبة الكمومية والوصول إليها.