حدود الكم: جامعة ولاية أريزونا تستكشف مستقبل الحوسبة الكمية

تُوصف الحوسبة الكمومية بأنها قوة ثورية لتقنية الحوسبة من الجيل التالي، ويُتوقع منها حل المشكلات المعقدة التي لا تستطيع الحواسيب الفائقة التقليدية معالجتها، وتحقيق اختراقات في مجالات الرعاية الصحية، واكتشاف المواد، وتحسين سلاسل الإمداد، والذكاء الاصطناعي. يقف الباحثون والطلاب في جامعة ولاية أريزونا (ASU) في طليعة الحوسبة الكمومية، ويدفعون بها من المفهوم إلى التطبيق العملي من خلال الابتكار التعليمي والتعاون متعدد التخصصات والأبحاث المتطورة.

من الحيرة إلى الإثارة: جاذبية التعليم الكمومي

في فصول ميكانيكا الكم في جامعة ASU، غالبًا ما تكون التجربة الأولى للطلاب هي الحيرة. ومع ذلك، بعد أسابيع قليلة، تتحول هذه الحيرة غالبًا إلى إثارة. يشير الأستاذ كريستيان أرينز، الباحث القادم من برينستون، إلى أن الحوسبة الكمومية على الرغم من أنها تبدو عميقة، إلا أنها ليست بعيدة المنال. ويؤكد أنه باستخدام الأساليب التعليمية الصحيحة والعقلية الإيجابية، يمكن لكل شخص إتقان أساسيات الحوسبة الكمومية. والأهم من ذلك، أن المجال الكمومي يواجه نقصًا حادًا في المواهب، وحتى إذا لم يعمل الطلاب في المجال الكمومي مستقبلًا، فإن التفكير والمهارات التقنية التي يكتسبونها من خلال هذه التجربة التعليمية لا تقدر بثمن.

قامت ASU ببناء نظام تعليمي كمومي متكامل لهذا الغرض، بما في ذلك سلسلة من المقررات الدراسية والمشاريع البحثية والندوات المتخصصة. وفي الوقت نفسه، تعمل مبادرة "التعاون الكمومي" التي تقودها ASU على الربط الوثيق بين المختبرات الوطنية والشركات العملاقة في القطاع والمؤسسات الأكاديمية والشركات الناشئة، مما يوفر للطلاب فرصًا للمشاركة المباشرة في الابتكار الكمومي، ويؤهلهم ليصبحوا علماء ومهندسين كموميين في المستقبل.

الحوسبة الكمومية: تعاون مع الحوسبة التقليدية وليس بديلًا عنها

على الرغم من الإمكانات الهائلة للحوسبة الكمومية، يعتقد الخبراء أنها لن تحل محل الحواسيب التقليدية التي نستخدمها يوميًا. على العكس من ذلك، فإن صورة الحوسبة المستقبلية ستكون عمل الحواسيب الكمومية والحواسيب التقليدية معًا بشكل تعاوني لحل المشكلات الصعبة التي لا يمكن معالجتها حاليًا. يتزايد الاهتمام العالمي بالحوسبة الكمومية بسرعة. وفقًا لتوقعات شركة ماكينزي، قد يحقق سوق الحوسبة الكمومية إيرادات سنوية تصل إلى 72 مليار دولار بحلول عام 2035.

لا تمتلك ASU حاليًا حاسوبًا كموميًا خاصًا بها، لكن هذا لم يحد من تقدم الباحثين. من خلال دعم مكتب تقنيات الأبحاث، يمكن للباحثين استخدام أدوات المحاكاة لتشغيل الخوارزميات الكمومية على الحاسوب الفائق Sol التابع لـ ASU، كما يمكنهم الوصول عن بُعد إلى منصات كمومية حقيقية في مؤسسات مثل IBM. يبلغ أداء الحاسوب الفائق Sol حوالي 2000 ضعف أداء الكمبيوتر المحمول العادي، ومع برنامج CUDA-Q من Nvidia، يوفر دعمًا حسابيًا قويًا للأبحاث الكمومية. بالإضافة إلى ذلك، تم إدخال بطاقة تسريع تسمى Vector Engine، مخصصة لمحاكاة مشكلات التحسين الكمومي، مما يوفر أدوات قوية للتطبيقات العملية مثل إدارة سلاسل الإمداد.

الابتكار الطلابي: جعل التقنية الكمومية في متناول اليدفي فصول ASU، يجيد المعلمون استخدام الأمثلة الحية لشرح المفاهيم المجردة. على سبيل المثال، يستخدم الأستاذ Gennaro De Luca تمرينًا ذهنيًا حول "توليد صور قطط جديدة" لمساعدة الطلاب على فهم المبادئ الأساسية لنماذج التوليد الكمومية. نظريًا، يمكن للحواسيب الكمومية التعلم من عدد أقل من العينات، وهذه الميزة جعلت نماذج التوليد الكمومية تحظى باهتمام كبير. استخدم طلاب De Luca الموارد التي توفرها الجامعة لتنفيذ مشاريع كمومية مثيرة——فمنهم من صنع أدوات تعليمية لتبسيط مفاهيم التعلم الآلي الكمومي، ومنهم من بنى سيارة روبوتية من ليغو تتحكم بها خوارزمية معالجة صور كمومية. لا تقتصر هذه المشاريع على تعميق فهم الطلاب للحوسبة الكمومية فحسب، بل تُظهر أيضًا الإمكانات العملية لتطبيقات التقنية الكمومية.

في مجال إدارة سلسلة الإمداد، استخدم فريق بحثي في ASU مؤخرًا بطاقات تسريع Vector Engine لحل سلسلة من مشكلات التحسين المتعلقة بالخدمات اللوجستية والنقل، مما أثبت مبدئيًا قيمة الحوسبة الكمومية في الجدولة المعقدة.

الدخول إلى عالم الحاسوب الكمومي: البتات، التراكب، والتشابك

في الحواسيب التقليدية، تُخزَّن المعلومات بوحدات تسمى البتات، ويمثل كل بت القيمة 0 أو 1. أما الحاسوب الكمومي فيستخدم البتات الكمومية (qubits)، وبسبب تأثير التراكب الكمومي، يمكن للبت الكمومي الواحد أن يكون في حالة 0 و1 في الوقت نفسه. وهذا يشبه عملة معدنية تدور، فقد تكون الوجه الأمامي لأعلى أو الوجه الخلفي لأعلى. والأكثر إدهاشًا أن العديد من البتات الكمومية يمكنها تكوين حالة تشابك، حيث ترتبط ببعضها البعض ارتباطًا وثيقًا. وهذه الخصائص الفريدة هي التي تمكن الحاسوب الكمومي من تنفيذ عدد كبير من العمليات الحسابية في وقت واحد، مما يحقق تسارعًا هائلًا في حل بعض المسائل.

تسريع اكتشاف المواد: من السبائك عالية الإنتروبيا إلى الطاقة الخضراء

في كلية الهندسة والمواد بجامعة ASU، يستخدم الأستاذ المشارك Houlong Zhuang الحوسبة الكمومية لتسريع عملية اكتشاف المواد الجديدة. عادةً ما يتطلب تطوير المواد التقليدي تجارب متكررة تستغرق سنوات. بينما يمكن لتقنيات المحاكاة الكمومية تقصير هذه العملية بشكل كبير. يركز بحث Zhuang على السبائك عالية الإنتروبيا، وهي مواد تُظهر استقرارًا استثنائيًا في ظل الحرارة الشديدة والضغط العالي والإشعاع، وتُستخدم غالبًا في المركبات الأسرع من الصوت والغواصات النووية وغيرها من أنظمة الدفاع المتقدمة. ومن خلال استراتيجية الحوسبة الهجينة الكمومية-التقليدية، أصبحت عمليات المحاكاة التي كانت تستغرق أسابيع تستغرق الآن أيامًا فقط، ومن المتوقع أن تنخفض إلى ساعات في المستقبل. كما يمتد عمله إلى مجال التنمية المستدامة، بما في ذلك البحث عن مواد فعالة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، وحل مشكلات تخزين ونقل الطاقة الهيدروجينية، وتطوير أشباه موصلات شمسية جديدة. وقد أكسبه بحثه المتميز جائزة Career Award بقيمة 537,000 دولار من مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية (NSF).

التغلب على التحديات التقنية: جعل الحوسبة الكمومية أكثر عملية

لا يزال تطوير الحوسبة الكمومية يواجه العديد من التحديات التقنية. فالهشاشة التي تتسم بها الأنظمة الكمومية تجعلها عرضة للتداخل الضوضائي——سواء كانت اهتزازات بسيطة في العتاد، أو تقلبات في درجات الحرارة، أو أشعة كونية، كلها قد تسبب أخطاء حسابية. ويعمل البروفيسور Christian Arenz على أبحاث كبت الضوضاء والتخفيف من حدتها لتحسين موثوقية الحواسيب الكمومية.بالإضافة إلى ذلك، يجب تبريد العديد من المعالجات الكمومية إلى درجات حرارة أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي حتى تعمل، مما يؤدي إلى تكاليف ضخمة واستهلاك كبير للطاقة. في كلية العلوم الجزيئية بجامعة ولاية أريزونا (ASU)، تدعم العميدة تيجانا راه بقوة البروفيسور جاستن إيرلي وآخرين في استكشاف البتات الكمومية الجزيئية. ومن المتوقع أن تعمل البتات الكمومية الجزيئية في ظروف أكثر اعتدالًا، مما يخفض من عتبة الدخول إلى الحوسبة الكمومية. يرى إيرلي أن التكنولوجيا الكمومية لن تنتشر على نطاق واسع حقًا إلا بعد التخلي عن البيئات فائقة البرودة. كما أشار بشكل خاص إلى أن أجهزة الاستشعار الكمومية تحمل آفاقًا واسعة في مجال التشخيص الطبي، ومن المتوقع أن تحقق في المستقبل كشفًا مبكرًا جدًا للأمراض.

تنمية القوى العاملة الكمومية: من المدرسة الثانوية إلى الدكتوراه

لا يقتصر البحث الكمومي في ASU على المختبرات فحسب، بل يمتد إلى كل مراحل تنمية المواهب. فمن طلاب المدارس الثانوية إلى طلاب الدكتوراه، يتعاون الباحثون بشكل وثيق مع الطلاب لمساعدتهم على تجاوز مخاوفهم الأولية والانخراط بنشاط في استكشاف التكنولوجيا الكمومية. ويُعد البروفيسور جاستن إيرلي واحدًا من هؤلاء، حيث يوجّه طلابًا من خلفيات متنوعة للعمل معًا على دفع التكنولوجيا الكمومية من المختبر نحو تطبيقات صناعية حقيقية.

في موجة الحوسبة الكمومية، تتخذ ASU من التعليم أساسًا، ومن البحث محركًا، ومن التعاون جسرًا، لتدريب المواهب المتواصلة لثورة الكم العالمية. وفي هذا الصيف، يقف علماء ASU في طليعة الكم، ويكتبون بعقولهم وجهدهم فصلاً جديدًا كاملًا لعصر الكم.