الحاسوب الكمي

تضاعفت الأكتشافات العلمية عبر القرون الأربعة الأخيرة. وربما يمكننا ان نعزو هذا التطور الى شخص والة. فاما الشخص فهو الفيزيائى والرياضي اسحق نيوتن. فقد اثر هذا الأسم فى تطور البشرية العلمي كما لم يؤثر فيها غيره. فلقد أكتشف حساب التفاضل والتكامل. وباكتشاف حساب التفاضل والتكامل توالت الاكتشافات العلمية. فلسبب ما -غير معلوم بالنسبة لي-  فأن اللغة اللتى تتكلم بها الطبيعة للتعبيرعن نفسها هى لغة التفاضل والتكامل. فجل صور القوانين الأساسية تفاضلية. وليس هذا فحسب بل قام نيوتن بتقديم مثال حى لكيفما يجب ان تكون عليه نظرية فيزيائية. حيث قدم الميكانيكا بصورة غير مسبوقة ومثالا يحتذى به.

أما الألة فانها ولاشك الحاسوب اللذي ادخل ثورة فى العلوم والميادين الأخرى. فحل المعادلات التفاضلية اللتى تحدثنا عنها سابقا ليس دائما امرا هينا. فتحتاج العلوم احيانا الى عمل حسابات شاقة معقدة. وهذه اشياء يستطيع الحاسوب انجازها بكل سهولة وبأخطاء اقل مما يرتكبها الأنسان. كما انه يستطيع محاكاة امورا وتفصيلات كثيرة. فأحدث الحاسوب ثورة فى ميدان الأتصالات نتجت عنها لاحقا ثورة الانترنت. كما أنتج ثورة فى الصناعة والتجارة والبناء والطب كما فى الحرب واللهو واللعب. بل غير الحاسوب من طريقة التفكير والفلسفة فى حد ذاتها.

ونحن الأن على شفا ثورة جديدة وعصر جديد وهو عصر الحاسوب الكمي. فالفارق بين الحاسوب الكمى والحاسوب العادي كالفارق بين الحاسوب والعد بالحصى! ويمكنكم ان تعتبروا موضوع اليوم بشارة بعصر جديد كما يمكنكم ان تعتبروه انذارا مصيريا. وفى الواقع فأن عصر الحاسوب الكمى قد حل بالفعل ربما أثاره هى اللتى لم تظهر بعد. لكن يتوقع البعض انه قبل حلول عام 2030 اى فى أقل من 14 عاما ستكون ملامح ذلك العصر الجديد واضحة للعيان.

لكن ماهو الفارق بين الحاسوب الكمى والحاسوب العادي؟ الفارق الأول هو الأسم طبعا. فالحاسوب الكمى وضع فاصلا بينه وبين جميع انواع الحواسيب الأخرى الموجودة قبله. حيث يطلق على الثانية الحاسوب الكلاسيكي وذلك بغض النظر عن طريقة بناءها سواء كانت رقمية digital أو تناظرية analog أو أحتمالية probabilistic. وصفة الكمية مشتقة من نظرية الكم أنجح نظرية فيزيائية عرفها الأنسان عبر تاريخه على الأطلاق وهذه النظرية تصف سلوك كل الظواهر الفيزيائية اللتي تجرى حولنا باستثناء الجاذبية -اللتى تتعامل معها بنجاح النظرية النسبية العامة-. لكن من الخطأ ان نتصور ان الحاسوب الكمى يخضع بناءه لنظرية الكم والحاسوب الكلاسيكي ليس كذلك. فالحاسوب الكلاسيكى هو أيضا احد انجازات نظرية الكم. فالترانزستور والرقائق الألكترونية هي من انجازات نظرية الكم و ووحدات المعالجة المركزية CPU الأخذة في الصغر يوميا حتى وصلنا الى احجام جزيئية هى من انجازات نظرية الكم. لكن أين يقع الفارق اذن؟

ربما يمكننا أن نرى الفارق بشكل أوضح اذا نظرنا الى الموضوع من وجهة نظر البرمجيات وليس من وجهة نظر بناء الحاسوب. وهذان مفهومان يعرفهما اغلبنا بلفظهما الأنجليزي. حيث بناء الحاسوب المادي هو Hardware بينما البرمجيات هى Software . وبناء الحاسوب المادي يشبه جسد الأنسان والبرمجيات تشبه روحه. فالحاسوب بلا برمجيات جسد ميت لافائدة من ورائه. بل يمكننا حتى ان نقول ان وظيقة الحاسوب الأساسية هى تمكين البرمجيات من العمل من خلاله. فالبرمجيات هى من تعطى فى النهاية الطعم واللون والرائحة للحاسوب. وكذلك فأن البرمجيات تحتاج الى بناء مادي تستطيع من خلاله ان تحقق أهدافها. وفى هذا التقسيم نرى حنكة وبراعة مصممى الحاسوب الأوائل. فقد فصلوا بين عملية البرمجة وبناء الحاسوب ولذلك يستطيع اى انسان تعلم البرمجة ولا يشترط ان يكون مهندسا كهربائيا أو ملما بالفيزياء لكى يفعل ذلك. مع ذلك يبقى هناك رابطا خفيا قويا بين عالمى البرمجة وبناء الحاسوب. وتوجد حلقة وصل هى العمود الفقرى اللذي تقوم عليه عملية البرمجة وهى مربط الفرس هنا. وهذا ما يهمنا اليوم فى التفريق بين الحاسوب الكمى والحاسوب الكلاسيكى. دعونا نبدأ أولا بالحاسوب الرقمى الكلاسيكى ونري كيف يقوم بدوره؟

هنا أستغل المصممون الأوائل للحاسوب احد أفرع الرياضيات وتحديدا هو المنطق الرياضي. بل انهم استغلوا فقط أصغر مواضيعه ومنطقة صغيرة منه وهى منطق القضايا. وهى صورة مبسطة جدا تعتبر ان هناك قيمتين فقط لاى قضية وهى ان تكون صحيحة او خاطئة ولا توجد اى أحتمالية اخرى. فان لم يكن شئ صحيحا فانه خاطئ. فنحن ننظرنظرة احادية.  أما أبيض أو أسود. أن لم تكن صديقنا فانت عدونا. أما صفر أو واحد. وهناك بعض العمليات المنطقية البسيطة اللتى من الممكن اجراؤها علي تلك القيمتين مثل العطف او النفى الى غيره.واذا استطاع انسان ان يبنى ألة تعبر عن تلك الحالة وتستطيع ان تحاكى العمليات المنطقية البسيطة السابقة فسوف تستطيع تلك الألة ان تجري العمليات الحسابية. فالأعداد يمكن التعبير عنها فى صورة النظام الثنائى اللذى يعرف عددين فقط هما الصفر والواحد.

وهناك مصطلح يطلق على هاتين القيمتين: الصفر أو الواحد وهو مصطلح البت Bit وهو مشتق من الكلمة الأنجليزية binary digit. ويمكننا تحقيق البت عمليا فى صور مختلفة. قد تكون صورة ميكانيكية بمعنى حركة او لا حركة. او فى صورة كهربائية فقد تمر اشارة كهربائية او لا. او في صورة ضوئية فقد يمر شعاع ليزر او لا. او فى صورة مغناطيسية او فى صورة سمعية الى اخره. ومن هنا نرى أن صور بناء الحاسوب عديدة. فقد كان الحاسوب الأول ميكانيكيا: حجمه فى حجم مبنى ووزنه عدة اطنان يحتوي على سيور وتروس. ثم باكتشاف الكهرباء أمكن تجسيده فى صورة الة كهربائية ثم بدخول عصر الألكترونيات تم صناعته كالة الكترونية ومع تقدم الفيزياء امكن صناعة الكمبيوتر الجزيئي.

أذن فالعمود الفقرى للحاسوب الكلاسيكى يقوم على المنطق الرياضى بل على جزء منه بسيط جدا. بل يمكننا القول أن مجال المنطق في حد ذاته لم يتم استغلاله بشكل واف بعد. وهذا يفسر مشكلة الحاسوب فهو لا يمتلك ذكاء حقيقى. كل ميزة الحاسوب انه يستطيع ان يجرى العمليات بسرعة عالية جدا لكنها كلها عمليات ميكانيكية نمطية. وظهرت الدعوات لأبتكار أفكار بديلة تصلح لأن تكون أعمدة فقرية جديدة يمكن ان تقوم عليها البرمجيات. واحد مطلقى هذه الدعوات كان الفيزيائى العبقرى ريتشارد فاينمان اللذى دعى الفيزيائيين لأستغلال نظرية الكم لبناء حاسوب من نوع جديد. فماذا أذن عن الحاسوب الكمي؟

طبعا لا يمكن ان نغطي نظرية الكم اليوم. لكن ما يمكن ان نقوله عنها اجمالا ان قوانينها الأساسية تخالف ما ترسمه بديهتنا. وهناك موضوعان على الأقل لابد من الأشارة اليهما سريعا لأن الحاسب الكمى يعتمد عليهما. وهذان الموضوعان هما التراكب الكمى quantum superposition والتشابك الكمي quantum entalgement ودعونا نبدأ اولا بالتراكب الكمي.

فى حين ان منطق القضايا ينظر بنظرة احادية الى الأشياء فان نظرية الكم تنظر للأمور غير ذلك. فكل الأشياء لها طبيعة مزدوجة فهى مادة وموجة فى نفس الوقت. حتى أن هذا الامر ينطبق علينا. لكن هذا الأمر يزداد وضوحا عندما يصغر حجم الأشياء ونصل الى ألأحجام تحت الذرية. ومن هنا يظهر مثلا مفهوم السحابة الألكترونية. فالألكترون لا يمكن ان نقول انه موجود فى هذا المكان أو ذاك فى لحظة زمنية ما بل انه موجود فيهما معا فى نفس الوقت. ولا يمكن ان نقول ان الألكترون يدور فى هذا الأتجاه حول هذا المحور او ذاك بل أنه يدور حول جميع المحاور فى كل ألاتجاهات فى نفس الوقت. وفى حين أن البت قد يأخذ احد القيمتين صفر أو واحد فأن البت الكمى وهنا نطلق عليه مصطلح الكيوبت qubit وهو مشتق من الكلمة quantum bit يأخذ القيمتين صفر وواحد فى نفس الوقت.

اذن فماذا لو افترضنا ان عندنا اثنين من الكوبتات وكل منهما يأخد القيم صفر وواحد. اذن الاثنان معا يأخذان القيم 00 و 01 و 10 و 11 فى نفس الوقت . وهى تعبر عن أربعة اعداد هى تحديدا الأعداد من صفر الى ثلاثة فى ضوء النظام الثنائى للأعداد. ماذا اذن اذا أضفنا واحدا مثلا الى الكوبتين فاي عدد قد نكون قمنا بجمعه؟ معكم حق! لقد جمعنا الأعداد الأربعة الى واحد فى نفس اللحظة! وماذا اذا كان عندنا 100 كوبت اذن يكون عندنا فى نفس اللحظة اثنان أس مائة من القيم المختلفة وقد تندهشون عندما تعلمون ان هذا الرقم هائل جدا وهو اكبر من أى شئ موجود فى الكون. هو اكبر من عدد المجرات وعدد الكواكب بل وأكبر من عدد جميع الذرات الموجودة فى الكون باكمله كما حسبها الفيزيائيون!!

اذن نرى الفارق بين الحاسب الكلاسيكى والحاسب الكمي. ففى حين ان الحاسب الكلاسيكى يجرى خطوة واحدة فى نفس الوقت. فأن الحاسب الكمى يجرى ايضا خطوة واحدة فى نفس الوقت ولكن هذه الخطوة قد تكون مليارات المليارات من المليارات من العمليات المتوازية!

يبدو فعلا ذلك الأمر غريب جدا! لكنننا لم ننته بعد. بل الأمر مازال أكثر غرابة. فلكى تتصرف الكوبتات بهذه الصورة الغريبة يجب ان تكون على سجيتها ولا نتداخل معها بأى صورة. فاذا قمنا بقياسها فان كل هذا التراكب سينهار فجأة لنحصل فى النهاية على عدد واحد طوله 100 بت مثلا فقط! دعونا مرة اخرى ننظر الى هذا الأمر بالتفصيل.

بفرض ان عندنا كوبت واحد يحمل القيمتين الصفر والواحد فى نفس الوقت ثم قمنا بقياسه فسنجد أنه سيضع قناعا على وجهه ليظهر فقط كصفر او كواحد. لكى اى القيمتين سوف يأخذ فعلا؟ في الحقيقة تعطينا نظرية الكم قوانين نستطيع ان نحسب من خلالها احتمالات ان يأخد الكوبت عند قياسه القيمة صفر أو واحد. فاذا افترضنا مثلا ان الاحتمالين كانا متساويين وهما 50% . وقسنا الكوبت ووجدناه مثلا صفرا. ثم لنتخيل ان لدينا الة زمن وعدنا بالزمن مرة اخرى للوراء واعدنا عملية القياس بحذافيرها تحت نفس الظروف فى نفس ذات اللحظة فقد نحصل على نتيجة مختلفة!! ما تقوله نظرية الكم انه اذا كررنا هذه التجربة مائة مرة مثلا فسنحصل فى خمسين مرة على القيمة صفر وفى الخمسين مرة اخرى على القيمة واحد.

لكن قيمة الاحتمالات ليست دائما 50% و 50% قد تكون اى قيمة أخرى ك 80% و 20% أو حتى 100% و 0% -لكن هذه ليست القاعدة العامة-. واذا فكرنا فى موضوع التراكب الكمى بصوت عال سنجد انه يتيح لنا فعلا ان نجرى العديد من العمليات فى نفس الوقت ولكننا عندما نقوم بالقياس نفقد هذه القيم جميعها وتتبقى لنا قيمة واحدة! لكننا فى النهاية لا نريد الا قيمة واحد وهى قيمة القضية اللتى نجرى الحساب من أجلها. لكننا مرة اخرى نحصل على قيمة القياس بشكل عشوائى فما هو الضمان ان القيمة العشوائية اللتى سنحصل عليها بعد القياس هى نفس القيمة اللتى صممنا البرمجية من أجلها؟

اذن ما تقوله نظرية الكم رياضيا تحديدا ان اى قيمة كمية هي عبارة عن مجموع قيم كمية مختلفة. لكن هذه القيم تكون  مضروبة فى اوزان معينة -وقد تكون هذه الاوزان سالبة- وبحيث يكون مربع تلك الاوزان يساوي احتمال ان يأخذ الكوانتم عند قياسه القيمة الكمية المضروب فيها هذا الوزن.

هنا تأتى القضية الثانية وهى التشابك الكمي. وهذا الموضوع غريب جدا وكتبت عنه وحده مجلدات ضخمة . فهذه القضية مثيرة جدا حتى من الناحية الفلسفية وتثير أسئلة كثيرة على مثال هل الأنسان مسير ام مخير؟! فماذا تقول هذه النقطة؟

يقول التشابك الكمى أنه اذا كان لدينا نظام كمى يتكون من اجزاء كمية أصغر. مثلا قد يكون عندنا فوتونا ينقسم لسبب ما الى فوتونين. ولنتخيل ان فوتونا منهما يذهب الى المريخ بينما يبقى الفوتون الأخر على الأرض. فان هذين الفوتونين يظهران لراصدين على الارض والمريخ لا يعرفان ماضيهما وكأنهما يتصرفان بطريقة عشوائية تماما. مع ذلك فان تلك العشوائية متشابكة. بحيث اننا اذا قسنا النتيجة العشوائية اللتى تعطيها لنا عملية قياس على المريخ فستكون محددا لنتيجة قياس العملية العشوائية اللتى نجريها على الأرض. ومن خلال هذه النظرة تصبح العملية العشوائية على الأرض عملية غير عشوائية والعكس صحيح.!!

وموضوع التشابك موجود ايضا فى الفيزياء الكلاسيكية لكنه ليس اشكالى كما هو فى اطار نظرية الكم. دعونا نشبه ذلك بصورة بسيطة. هل تتخيلون صورة راعى الغنم اللذى يتحكم فى عشرات من الأغنام وربما يكون معه كلب واحد. لكم ان تتخيلوا ان هناك مائة من الغنم لو فكرت جميعها فى الهرب فلن يستطيع الراعى و كلبه ان يجمعوهما مرة اخرى جميعا. مع ذلك نرى ان الراعى وكلبه يستطيعون التأثير على عدد محدود من الأغنام بشكل مباشر لكن هذا يجبر القطيع باكمله على السير فى مسار محدد فهناك عملية تشابك ما تحدث بين الأغنام كلها.

بل دعونى اضرب مثالا يوضح الفارق بين الحاسوب الكلاسيكي والحاسوب الكمى ودعونا نستخدم مرة اخري صورة راعي الغنم. فلنتخيل ان احد الأغنام قد أبتلع فى بطنه خاتما ماسيا ثمينا ونحن نريد ان نجد هذا الخاتم مرة أخرى فما العمل؟

قد يقوم الراعى بمعاونة كلبه من الكشف على الأغنام الواحدة بعد الأخرى حتى يجد الخاتم. ولنفترض ان عملية الكشف تستغرق ربع ساعة فقد يكون محظوظا وتكون الغنم مبتلعة الخاتم هي أول ما يفحص. او قد يكون سئ الحظ وتكون هى رقم مائة أى انه يحتاج لاكثر من يوم كامل موصول الليل بالنهار! هذه الصورة تقارب عمل الحاسوب الكلاسيكى لكن الحاسوب الكمى يعمل بصورة اخرى

هنا قد يقوم الراعى بمعاونة كلبه باجبار قطيع الأغنام جميعا على الجرى بسرعة واخذ مسارا متعوجا. واذا افترضنا ان الغنم مبتلعة الخاتم قد تشعر ببعض اللألم فى بطنها فلن تكون أسرع الأغنام وأنها فى خلال عملية العدو السريع ستتخلف دوما مما يمكن الراعى من العثور عليها سريعا وهذه العملية تستغرق ربع ساعة فقط!!

اذن يمكننا ان نصف طريقة عمل الحاسوب الكمى بالشكل التالى. نحن نبدأ اولا بقيم كمية متراكبة متشابكة. ثم نبتكر خوارزمية كمية ذكية ما تستغل التشابك وتوجه تلك القيم باتجاه ما. ونلاحظ ايضا ان تغيير القيم يؤدي الى تغيير احتمالات قيم القياس. ثم نواصل عملنا حتى نصل الى تركيبة معينة يكون احتمال القيمة اللتى نود قياسها عاليا جدا ثم نقوم بعملية القياس!!

ومن هنا نرى خطورة الحاسوب الكمومي فقد نستغله مثلا فى كسر الشفرات السرية. فأهم طريقة للتشفير وهى طريقة RSA تعتمد على أنه لا يمكننا ان نحلل الأعداد الى مكونات ضربها بصورة سريعة. فسأعطيكم مثالا بسيطا هلى يمكنكم تحليل العدد 1178027 الى حاصل ضرب عددين؟ وهذا العدد يتكون من 7 خانات فقط. اما اذا كان العدد يتكون من الف خانة فانه سوف يحتاج الى ملايين السنوات وذلك بأستخدام اقوى حاسب كلاسيكى . بينما يستطيع الحاسب الكمى تحليله فى خلال ساعات قليلة فقط!

وقد افاد الناشط الأمريكي ادوارد سنودن ان المخابرات الامريكية تبنى حاسابا كمومى تكلفته 80 مليونا دولارا لهذا الغرض. وافاد ان المخابرات الأمريكية تخزن حتى الرسائل اللتى لم تستطيع ان تفك شفرتها. لانها تنتظر هذا اليوم  اللتى تفك فيه جميع الشفرات بأثر رجعي. ويصبح كل ما كان يظنه المرء سرا أمرا مفضوحا. واذا بحثم فى الانترنت واليوتيوب ستجدون ان كل الدول الكبيرة تبنى فى هذه اللحظة ذلك الحاسوب الكمى كل بطريقته.

كما أن هناك مجالات اخرى للأستفادة من الحاسوب الكمى بخلاف كسر الشفرات وهى البحث فى قواعد البيانات الكبيرة والغير واقعة فى صورة منظمة. ففى هذه الحالة تكون نتيجة البحث باستخام الحاسوب الكمى أسرع كثيرا. كما قد يمكن استغلال الحاسب الكمومى فى المجال الطبى وتحليل ال DNA وأيجاد العقاقير الطبية للأمراض المستعصية. وهناك العديد من المجالات المعقدة اللتى يمكن استخدام الحاسب الكمومي من أجلها.

ربما يبقى السؤال الاخير اين يمكننا ان نجد ذلك الحاسوب الكمى؟ ربما سيتفاجئ البعض انه من الممكن العثور عليه بسهولة فقد صممت شركة IBM حاسبا كموميا مكونا من 5 كوبت -اي من الممكن ان نقوم فقط ب 32 عملية متوازية من خلاله- وجعلته متاحا لعامة الناس. فقط ينبغي على الأنسان ان يسجل نفسه في موقع الشركة هنا.

.http://www.research.ibm.com/quantum

 

 

Leave a Reply