الحدود الكمية: ASU تقود ثورة الحوسبة الكمومية

عندما بدأ كريستيان أرينز من جامعة ولاية أريزونا (ASU) بتدريس ميكانيكا الكم، توقع أن يكون الطلاب الجدد مشوشين. ولكن بعد بضعة أسابيع، غالبًا ما يتحول هذا الارتباك إلى حماس. أرينز، الأستاذ المساعد في كلية الهندسة الكهربائية والحاسوب والطاقة، جاء من برينستون إلى ASU، وشهد الطلاب وهم يبدأون في فهم إمكانات الحوسبة الكمومية. إنه مجال سريع التطور يهدف إلى حل المشكلات المعقدة التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم حلها، وتسريع تطوير الأدوية الجديدة، وتحسين الأمن السيبراني والنمذجة المالية.

في ASU، طبق العلماء بالفعل الحوسبة الكمومية لتسريع اكتشاف المواد، وتحسين لوجستيات سلسلة التوريد، وتطوير طرق جديدة للذكاء الاصطناعي. كما يعملون على حل تحديات التكنولوجيا الأساسية لجعل التكنولوجيا الكمومية أكثر عملية.

"عندما يسمع الناس كلمة 'كم'، يفكرون 'أوه، هذا لا بد أن يكون معقدًا جدًا، وصعبًا رياضيًا'،" قال أرينز. "يعتمد الأمر كثيرًا على الدافع والمنهجية... يمكن لأي شخص أن يتعلم."

على الرغم من أن الحوسبة الكمومية لا تزال في مرحلة تجريبية، إلا أن الاهتمام العالمي بها ينمو بشكل كبير. وفقًا لتقرير ماكنزي، قد تدر الحوسبة الكمومية إيرادات تصل إلى 72 مليار دولار بحلول عام 2035.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية مكلفة في التصنيع والصيانة - تقدر بعشرات الملايين من الدولارات - وهي معقدة للغاية. لا تمتلك ASU حاسوبًا كموميًا خاصًا بها، ولكن من خلال دعم مكتب أبحاث التكنولوجيا، يمكن للباحثين والطلاب استخدام أدوات لمحاكاة خوارزميات الحوسبة الكمومية على أجهزة كمبيوتر عالية الأداء كلاسيكية، وربما الاتصال عن بعد بأجهزة كمبيوتر كمومية، كما قال جيل سباير، مدير مسرع الحوسبة البحثية في ASU.

ترأس الجامعة أيضًا تعاونًا كموميًا يربط المختبرات الوطنية والشركات والمؤسسات الأكاديمية والشركات الناشئة. من خلال هذا التعاون، يمكن للطلاب الحصول مباشرة على فرص تعليم وتدريب متميزة، واكتساب المهارات اللازمة ليكونوا في طليعة الابتكار الكمومي.

تلتزم ASU بتطوير المواهب في المجال الكمومي. دورة أرينز التمهيدية هي جزء من سلسلة من الدورات، وهي واحدة من العديد من البرامج في الحرم الجامعي، بما في ذلك المشاريع البحثية وورش العمل التي تهدف إلى تدريب الجيل القادم من العلماء الكموميين.

دعم اكتشاف الطلاب

معظم الطلاب الذين يأخذون دورة جينارو دي لوكا ليس لديهم خبرة سابقة في الكم. وهو محاضر في كلية الحوسبة والذكاء المعزز، وتبدأ دورته من أساسيات الحوسبة الكمومية وتمتد إلى مجال بحثه الخاص - النماذج التوليدية الكمومية. لتقديم المفاهيم، يبدأ بالقطط.

يقود دي لوكا الطلاب في تمرين ذهني: إذا تم إعطاؤك مجموعة محدودة من صور القطط، كيف يمكنك توليد صور قطط جديدة تمامًا؟ في الأساس، تقوم النماذج التوليدية بتحليل أنماط التفاصيل (الفراء والأشكال والألوان) لتوليد صور قطط جديدة. "من الناحية النظرية، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية التعلم من صور أقل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية،" قال دي لوكا.

يستخدم طلابه موارد الجامعة لتطوير مشاريع كمومية - من مشاريع تعليمية لتبسيط التعلم الآلي الكمومي، إلى بناء سيارة ليجو روبوتية يتم التحكم فيها بالكامل بواسطة خوارزميات معالجة الصور الكمومية.قام طلابه باستخدام موارد الجامعة لتنفيذ مشاريع الكم - من مشاريع تعليمية لتبسيط تعلم الآلة الكمومية، إلى بناء سيارة روبوتية من ليغو يتم التحكم فيها بالكامل بواسطة خوارزميات معالجة الصور الكمومية. أحد الأدوات التي استخدموها هي حزمة برامج CUDA-Q من Nvidia، والتي تستخدم قدرات المعالجة المتسارعة للرقائق المتخصصة (GPU). تحاكي CUDA-Q البيئة الكمومية، ويمكن تشغيلها على أجهزة الكمبيوتر المحمولة، أو استخدامها للمشاريع الكبيرة على حاسوب ASU العملاق Sol - وهو أحد أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم، وهو أقوى بحوالي 2000 مرة من أجهزة الكمبيوتر المحمولة الحديثة. بالإضافة إلى ذلك، تدعم CUDA-Q الوصول عبر السحابة إلى منصات الحوسبة الكمومية الحقيقية، مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية من IBM.

أداة أخرى هي بطاقة التسريع المسماة Vector Engine، والتي تحاكي "منصة حوسبة كمومية مخصصة للتحسين الكمومي"، كما يقول Speyer. وقد استخدمت هذه الأداة مؤخرًا من قبل فريق بحثي من قسم إدارة سلسلة التوريد في كلية إدارة الأعمال W. P. Carey لحل مشاكل النقل والخدمات اللوجستية.

داخل الحاسوب الكمومي

في الحواسيب العادية (من الهواتف إلى الحواسيب العملاقة)، يتم تخزين جميع المعلومات على شكل بتات، كل بت إما 0 أو 1. أما الحواسيب الكمومية فتستخدم البتات الكمومية (qubit). لا يمكن للبت الكمومي أن يمثل 0 أو 1 فحسب، بل يمكنه أيضًا أن يكون في كلتا الحالتين في وقت واحد - مثل عملة في الهواء، قد تكون وجهًا أو ظهرًا - وهذا ما يسمى حالة التراكب. كما يمكن للبتات الكمومية أن تتشابك، أي أن تكون مترابطة جوهريًا في حالة التراكب. هذه الخصائص تمكن الحواسيب الكمومية من إجراء عدد كبير من العمليات الحسابية في وقت واحد، مع زيادة هائلة محتملة في الأداء.

اكتشاف مواد فائقة القوة

غالبًا ما يستغرق اكتشاف مواد جديدة سنوات من التجربة والخطأ. في كلية الهندسة المادية والنقل والطاقة في ASU، يستخدم الأستاذ المشارك Houlong Zhuang الحوسبة الكمومية لتسريع هذه العملية بشكل كبير. في السنوات الأخيرة، استخدم هذه التقنية الناشئة لتطوير سبائك عالية الإنتروبيا - وهي مواد لا تذوب أو تضعف تحت الحرارة الشديدة والإجهاد والإشعاع، وتستخدم غالبًا في أنظمة الدفاع المتقدمة مثل المركبات فوق الصوتية والغواصات النووية. يمكن للحوسبة الكمومية تسريع تصميم وإنتاج مواد جديدة في المختبر بشكل كبير. "عادةً ما تستغرق المحاكاة أسابيع، أما الآن وباستخدام الاستراتيجية المختلطة، فتستغرق بضعة أيام فقط"، كما يقول Zhuang. ومع تطور الحوسبة الكمومية، "يمكن نظريًا تقليص بضعة أيام إلى يوم واحد أو حتى بضع ساعات". كما يستخدم Zhuang هذه الأساليب في دراسات الاستدامة، بحثًا عن مواد يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون، وتخزين ونقل الهيدروجين، وتطوير أشباه موصلات جديدة لتحويل الطاقة الشمسية.

جعل التقنية الكمومية أكثر سهولة#### جعل تكنولوجيا الكم أكثر قابلية للاستخدام

يركز باحثون آخرون في جامعة ولاية أريزونا (ASU) على تحسين التكنولوجيا نفسها. أجهزة الكمبيوتر الكمومية عرضة للخطأ، وأنظمتها معقدة وهشة للغاية، وتتأثر بسهولة بالضوضاء (مثل الاهتزازات الميكانيكية، تغيرات درجة الحرارة، الأشعة الكونية، إلخ). يدرس أرينز طرق قمع الضوضاء، مما قد يحسن موثوقية أجهزة الكمبيوتر الكمومية. الأجهزة الكمومية معقدة فيزيائيًا أيضًا، وغالبًا ما تتطلب تبريد المعالجات إلى درجات حرارة أقل من الفضاء الخارجي. تدعم تيانا راج، عميدة كلية علوم الجزيئات، بناء أجهزة كمومية لا تحتاج إلى درجات حرارة منخفضة للغاية. تحت قيادتها، يهتم الأستاذ المساعد جاستن إيرلي بتصميم وتصنيع أجهزة كمومية تعمل في درجة حرارة الغرفة. يدرس إيرلي البتات الكمومية المصنوعة من الجزيئات – ومن المتوقع أن تعمل هذه البتات الكمومية الجزيئية في درجات حرارة أعلى، مما يدفع تكنولوجيا الكم من المختبر إلى الواقع. يقول إيرلي: "يجب أن نبدأ في التفكير في كيفية التخلص من هذه البرودة الشديدة، وإلا فإنها ستصبح غير مجدية بسبب الموارد والتكلفة العالية." كما يتطلع إلى تطبيقات تكنولوجيا الكم في الرعاية الصحية، حيث يمكن استخدام أجهزة الاستشعار الكمومية في المستقبل للتشخيص الطبي، واكتشاف الأمراض في وقت أبكر من التقنيات الحالية.

مواجهة نقص العمالة

مثل باحثي الكم الآخرين في جامعة ولاية أريزونا، يتعاون إيرلي مع الطلاب في جميع المراحل، من المتدربين في المدارس الثانوية إلى طلاب الدكتوراه، ويساعدهم في التغلب على صعوبات البداية، وتنفيذ مشاريع تعزز الفهم وتدفع التطبيقات العملية.