غدا .. الحوسبة الكمية تعالج مشاكل اليوم المستعصية

عندما لا أكون في المختبر، أحب الركض في المناطق الريفية حول بريستول. لكن بقدر ما أحاول الاسترخاء، يستمر ذهني في العودة إلى ما سيبدو عليه العالم عندما تصبح الحوسبة الكمية حقيقة واقعة. ليس فقط لأن هذا ما كنت أعمل عليه خلال الأعوام الـ 20 الماضية، لكن لأنني أعتقد أن مستقبل هذا المشهد - ومستقبلنا بشكل عام - يعتمد على قدرتنا على بناء هذه الثورة التكنولوجية.
ما من شيء عمل على تغيير العالم أكثر من قدرتنا على الحوسبة. جزء كبير من سكان العالم يحملون الآن ما يصل إلى مليار ترانزستور في جيوبهم، والوصول الشامل إلى الإنترنت يتم بسرعة. الشركات على وشك أن تكون جميعها شركات معلومات، كما تم تذكيري أثناء الركض في المناطق الريفية، حيث حتى الزراعة يتغير وجهها: يجري تجهيز المواشي بأجهزة استشعار لمراقبة حالتها الصحية عن بعد. وقرارات الزراعة الخاصة بنوع المحصول الذي يجب زراعته ومتى، فضلا عن مقدار الري والأسمدة، تعتمد بشكل متزايد على توقعات الطقس، لكن أيضا على نماذج حاسوبية معقدة توفر توقعات السوق والتوقعات الاقتصادية.
نحن نتعلم أن أجهزة الحاسوب يمكن أن تساعدنا في كل شيء تقريبا، حتى في مجالات قد لا نتوقعها. ربما حتى إنشاء الأسمدة نفسها يمكن أن يتحسن من خلال الحوسبة. نسبة كبيرة من الطاقة في العالم تستخدم لصنع هذه المنتجات القائمة على النيتروجين، لكننا نعرف أن من الممكن التوصل إلى حل أفضل لأن الميكروبات في التربة تؤدي المهمة نفسها دون جهد.
المزيد من إنتاج الأسمدة التي توفر الطاقة هو مجرد واحد من كثير من المشاكل الخطيرة التي يمكن حلها إذا كان بإمكاننا إنشاء محاكاة دقيقة للطريقة التي تتصرف بها الجزيئات. هناك مشاكل مماثلة توجد في تغير المناخ والرعاية الصحية والطاقة، حيث يمكن للحوسبة أن تغير حياتنا بشكل عميق. أحد الأمثلة التي تتطرق لكل هذه المجالات هو تصميم عملية مجدية اقتصاديا لاقتناص الكربون من الغلاف الجوي، الذي يمكن أن يحقق فائدة جانبية هي توليد الوقود للسيارات والتدفئة والكهرباء على شكل ميثانول.
الفضل في حقيقة أنه يمكن أن نبدأ حتى بمعالجة هذه المشاكل من خلال الحوسبة يعود إلى خيالنا العلمي، مثلما هو الحال بالنسبة لقدرتنا على صناعة رقائق أجهزة الحاسوب من السليكون. نحن نصنع مليارات من هذه كل عام، كل واحدة تحتوي على ما يصل إلى عدة مليارات من الترانزستورات - لبنات البناء لجهاز الحاسوب. كما تمكنا من تقليص حجم هذه الترانزستورات على مدى عقود لدرجة أننا نستطيع الآن قياس حجمها من حيث ذرات السليكون الفردية. قطر أحدث الترانزستورات هو مجرد بضع عشرات من الذرات؛ والآلاف منها يمكن أن توضع في مساحة بحجم شعرة الإنسان.
كثير من المسائل التي يبدو حلها مناسبا للغاية باستخدام الحوسبة لا تزال صعبة بشكل لا يصدق، وأجهزة الحاسوب التقليدية لدينا ليست فقط غير كافية حاليا، لكنها ستبقى كذلك إلى الأبد. في الماضي كان يمكننا الاعتماد على الزيادات العادية في قوة الحوسبة. تضاعف عدد الترانزستورات داخل رقائق الحاسوب بشكل مثير للإعجاب كل عامين، وهو اتجاه يعرف باسم قانون مور. لكن في اللحظة التي نود فيها الاعتماد عليه أكثر ما يمكن، فإن قانون مور بلغ منتهاه. في عام 2015، تنبأ توم كونتي، رئيس جمعية الحاسوب التابعة لمعهد جمعية المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين، بأن "قانون مور يصل الآن إلى حدوده. وأن مضاعفة عدد الترانزستورات لكل وحدة مساحة آخذة في التباطؤ (...) ومن المتوقع أن ينتهي عند مسافة سبعة نانومتر نحو عام 2020".
هذه المشاكل الكبيرة التي نود حقا من الحوسبة أن تتولى حلها صعبة جدا حيث إنه حتى لو استمر قانون مور، لا يمكن لأجهزة الحاسوب التقليدية أبدا حلها. عندما تزيد هذه المشاكل في التعقيد يتضاعف الوقت اللازم لحلها أو حتى يرتفع بمعدلات أكبر. محاكاة الجزيئ هي مثال على مثل هذه المشكلة: ففي حين من الممكن محاكاة جزيئات صغيرة في ثوان على جهاز حاسوب محمول، فإن الوقت اللازم لتشغيل المحاكاة ينفجر حين نأخذ في محاكاة جزيئات أكبر وأكثر تعقيدا. باستخدام أجهزة الحاسوب التقليدية، المحاكاة الدقيقة للجزيئات التي يتألف الواحد منها من مجرد بضع مئات من الذرات يمكن أن يستغرق وقتا أطول من عمر الكون.
الخبر السار هو أن هناك حلا في متناول اليد - وهو نهج مختلف جذريا للحوسبة، وعميق من حيث القوانين الأساسية للفيزياء التي يستغلها، أو من حيث التحولات التي سيجلبها في حياتنا ومجتمعنا واقتصادنا.
الحواسب التقليدية، عند أبسط مستوياتها الأساسية، تمثل كل "بت" من المعلومات - الصفر المنطقي أو واحد - في حالة فتح-إغلاق الترانزستور. لكن من خلال ممارسة سيطرة دقيقة على بعض من أصغر مكونات الكون لدينا، تتعامل أجهزة الحاسوب الكمي بدلا من ذلك مع "كيوبت". يمكن لبت قياسي أن يوجد فقط في حالة الصفر أو الواحد. يمكن لكل كيوبت أن يتبنى موقفا فريدا كميا فائقا للحالتين المنطقيتين.
أي نظام مسيطر عليه بعناية ويطيع قوانين ميكانيكا الكم يمكن استخدامه لتشكيل كيوبت. والخيارات الشائعة هي الأيونات المحاصرة، والدوائر فائقة التوصيل، وجسيمات الضوء الفردية، المعروفة باسم الفوتونات. مهما كانت الطريقة التي تختار القيام فيها بذلك، إلا أن تغيير كيفية حوسبتك على هذا المستوى الأساسي يفتح طرقا جديدة للتعامل مع المسائل.
رأيت لأول مرة الإمكانات الثورية للحوسبة الكمية حين كنت طالبا، عندما قرأت مقالة في مجلة علمية حول هذا الموضوع. ولحسن الحظ كنت مستغرقا في مقرر جامعي في ميكانيكا الكم في ذلك الوقت. ميكانيكا الكم هي نظرية الفيزياء التي تصف الطبيعة عند أبسط مستوياتها الأساسية. كنا نتعلم أنا وزملائي أن جسيما واحدا يمكن أن يكون في "تراكب" غريب في أكثر من مكان واحد في الوقت نفسه، وأن جسيمين يمكن أن يكونا مرتبطين ارتباطا وثيقا وقويا، أو "متشابكا".
ولأنني كنت أعمل بطاقة عالية نتيجة إحساسي بالهدف، انتهى بي الأمر إلى وصف هذه الفكرة التي لا تصدق وإعارة المجلة إلى الجميع تقريبا في شعبة ميكانيكا الكم. لم تعد المجلة لي قط، لكني أكملت الدراسة وحصلت على شهادتي، وأكملت تعليمي للحصول على درجة الدكتوراه في الحوسبة الكمية وواصلت العمل نحو هدف بناء جهاز حاسوب كمي منذ ذلك الحين. واليوم، أتولى قيادة مركز أبحاث مكون من أكثر من 100 شخص، ويركز على استحداث هذه التكنولوجيا.
كثير من المشاكل التي تستعصي على أجهزة الحاسوب التقليدية هي مناسبة تماما للحاسوب الكمي – وأبرز الأمثلة على ذلك هي المحاكاة الجزيئية. يستخدم جزء كبير من قوة الحوسبة الفائقة اليوم لإجراء المحاكاة الجزيئية ومحاكاة المواد. ولكن هذه المحاكاة تقتصر على نظم صغيرة وتقريبات غير كاملة. على الرغم من أن المحاكاة الدقيقة للسلوك الميكانيكي الكمي للجزيئات هي أمر عصي تماما على أجهزة الحاسوب التقليدية، إلا أن الحاسوب الكمي مناسب تماما لتمثيل هذه الأنواع من المسائل ذات الطابع "الكمي" في جوهرها.
من شأن الحاسوب الكمي الذي يحتوي على عدة مئات من الكيوبت المنطقية أن يكون قادرا على معالجة مشاكل نمذجة تثبيت النيتروجين وتصميم عوامل مساعدة لتحفيز استخراج الكربون من الهواء. يمكن أن يساعدنا جهاز الحاسوب الكمي الذي يشتمل على نحو 1000 كيوبت منطقي في تصميم موصل فائق بدرجة الحرارة العادية، قادر على نقل الطاقة الكهربائية بخسارة ضئيلة (نفقد حاليا نحو 10 في المائة من الطاقة الكهربائية فقط في الانتقال من محطة توليد الكهرباء إلى المستهلك).
قد نستخدم في نهاية المطاف قوة المحاكاة هذه لتصميم أدوية جديدة، وأجهزة الطاقة النظيفة، وأغشية البوليمرات لخلايا الوقود. في الواقع يمكننا تطبيق الحوسبة الكمية على تصميم أية مادة لأي غرض - ابتداء من النقل والبناء إلى أجهزة الاستشعار والأطراف الصناعية - لأن هذه المواد مصنوعة في نهاية المطاف من جزيئات وذرات، وفهم خصائصها وتفاعلاتها يعد من مسائل علم ميكانيك الكم. وهذه هي إحدى السمات الأكثر إلحاحا للحوسبة الكمية: أنها تكنولوجيا توسع الطريقة التي يمكن أن نفكر بها، ومدى الحلول الممكنة التي يمكن التحقق منها. لكن فائدة الحواسب الكمية لا تقتصر على التطبيقات الجزيئية. حيث تسمح لنا ما يسمى بالخوارزميات الكمية بالتوصل إلى طرق قوية للتعامل مع المسائل التي تبدو وكأنها "غير كمية". مثلا، يمكن للخوارزميات الكمية البحث في قواعد البيانات بشكل أسرع، وإجراء مطابقة الأنماط (وهو أمر مهم في علم الجينوم والهندسة الوراثية)، وحتى أداء عمليات رسومات الحاسوب بشكل أكثر كفاءة.
هذه الخوارزميات من الصعب التوصل إليها، لأنها تتطلب منا أن نفكر بطريقة كمية، لكن في الوقت التي يتسع فيه انتشار أساليب الكم، فإننا نصبح أكثر كفاءة في التفكير على هذا النحو، ويمكننا أن نتوقع ظهور المزيد والمزيد. هناك حتى خوارزميات الكم التي يمكن أن تقوم بأداء العناصر الرئيسية لمهام التعلم الآلي، والتي تعتبر حيوية لتحليلات أعمال البيانات الكبيرة، وفي مجالات متنامية من الذكاء الاصطناعي، مثل السيارات ذاتية القيادة.
بالنظر إلى وعد الحوسبة الكمية، متى ستظهر هذه التكنولوجيا القادرة على تغيير العالم؟ لقد تم بالفعل تطوير نظم الأنموذج الأولي مع ما يصل إلى 12 كيوبت في مختبرات البحوث الصناعية والجامعية في جميع أنحاء العالم. كثير من الناس متحمسون لهذا، لأنه عندما نصل إلى نحو بضع عشرات من الكيوبت، ينبغي لهذه الآلات أن تبدأ تقديم النتائج التي ببساطة لا يمكن تكرارها من قبل الحاسوب الفائق التقليدي. ومن شأن ذلك أن يكون دليلا لا جدال فيه على قوة النظام الكمي التي لا يمكن تحقيقها خلاف ذلك، والتي يطلق عليها البروفيسور جون بريسكيل، من "كالتك"، اسم "التفوق الكمي".
هذا احتمال مثير وأعتقد أننا سوف نصل إلى هناك في غضون السنوات القليلة المقبلة. لسوء الحظ، نحن لا نعرف حتى الآن كيفية استخدام مثل هذا الحاسوب الكمي البسيط نسبيا لحساب أي شيء مفيد. بغية معالجة المشاكل المفيدة، سنحتاج إلى المزيد من الكيوبتات.
المشكلة هنا هي الحاجة إلى تصحيح الأخطاء التي لا مفر منها التي تواجهها الكيوبت. ولأن أجهزة الحاسوب الكمية عرضة للأخطاء بطرق لا تقع فيها الحواسب التقليدية، من المفهوم حاليا أنه لإنشاء جهاز حاسوب كمي يبلغ 100 كيوبت منطقي، نحتاج إلى نظام نحو مليون كيوبت فعلي. من خلال إضافة هذا التكرار، سنكون قادرين على استخلاص كيوبت "منطقي" يتسم بالكمال من بين العديد منها التي يعتورها النقص.
هذا ثمن باهظ، وأعتقد أن السبيل الوحيدة التي نتمكن فيها من صنع حواسب كمية عند هذا النطاق خلال وقت قريب نسبيا هي في أن نستغل قدرات تصنيع السليكون المذهلة المستخدمة حاليا في تصنيع رقائق الحاسوب. وربما يبدو هذا أمرا لافتا للنظر بشكل كبير، إلا أن التكنولوجيا الموجودة في الجهاز الموجود على مكتبك ربما تكون هي بالضبط الأمر الذي نحتاج إليه لإنشاء حاسوب كمي.
هنا يكمن ندائي إلى العمل: دعونا لا نأسف على نهاية قانون مور. هذه النهاية، بدلا من أن تتخلى عنا في وقت الشدة، فإنها قد تكون نقطة الانطلاق لثورة حاسوبية أكبر. دعونا نتناول الإنجاز المتميز لثورة الحوسبة الأخيرة لدينا - قدرة تصنيع رقاقة السليكون التي لدينا اليوم - وإعادة توجيهها لبناء حاسوب كمي. وبالنظر إلى التأثير المحتمل على تغير المناخ وتوليد الطاقة والرعاية الصحية، فإن مستقبلنا ربما يعتمد بالضبط على قدرتنا على الحوسبة الكمية.
على الأقل، ذلك قد يعني في النهاية أنني أستطيع أن أركض عبر الريف دون أن يكون بالي مشغولا بشيء آخر.

* مدير مركز البصريات الكمية في جامعة بريستول.