أفاد قسم الحوسبة الكمومية في Google أن معالج Willow الخاص به قد حقق إنجازًا حسابيًا تتطلب أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية ما يقرب من 10000 عام لتكراره - حيث أكملت المهمة في أقل من أربع دقائق. النتيجة نشرت فيطبيعةيمثل تقدمًا كبيرًا يتجاوز عرض Google للتفوق الكمي لعام 2019، والأهم من ذلك، أنه يوضح خاصية ظل الباحثون يلاحقونها منذ عقدين من الزمن: تصحيح الأخطاء الذي يتحسن مع توسع النظام.

لقد حظي هذا الإعلان بأهمية علمية حقيقية. على عكس نتيجة 2019 - التي اعترضت عليها شركة IBM على الفور، التي جادلت بأن أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية الخاصة بها يمكن أن تحل المشكلة نفسها في أيام - تم فحص نتيجة Willow بشكل مستقل وكان هامش التفوق أكبر من حيث الحجم. وكانت استجابة المجتمع العلمي أقل تشككا بشكل ملحوظ هذه المرة.

ما تم حله في الواقع

المشكلة المحددة - وهي أحد أشكال أخذ عينات الدوائر العشوائية - ليست مفيدة بشكل مباشر في حد ذاتها. وهي تنطوي على أخذ عينات من توزيع مخرجات دائرة كمومية عشوائية، وهي مهمة صعبة حسابيًا بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ولكنها طبيعية بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. تم اختيار المشكلة على وجه التحديد لأنها مفهومة جيدًا من الناحية النظرية، مما يجعل من الممكن التحقق من النتيجة الكمومية وحساب المدة التي سيستغرقها الكمبيوتر الكلاسيكي لتكرارها.

يشير رقم 10000 عام إلى أفضل خوارزمية كلاسيكية معروفة تعمل على أقوى كمبيوتر فائق السرعة في العالم. وهذا ليس ادعاءً بأنه لا توجد خوارزمية كلاسيكية يمكنها حل المشكلة بشكل أسرع - فادعاءات التفوق الكمي دائمًا ما تكون مرتبطة بأفضل الطرق الكلاسيكية المعروفة، والخوارزميات الكلاسيكية تتحسن بمرور الوقت. لكن الهامش كبير بالدرجة التي تجعل إغلاقه بشكل كلاسيكي يتطلب اختراقاً بحجم مماثل للتقدم الكمي نفسه.

والأهم من ذلك، يوضح ويلو خاصية رئيسية استعصت على أجهزة الكمبيوتر الكمومية: تصحيح الأخطاء الذي يتحسن مع توسع النظام. أصبحت المعالجات الكمومية السابقة أقل موثوقية مع إضافة المزيد من الكيوبتات، حيث تراكمت الأخطاء بشكل أسرع من إمكانية تصحيحها. يظهر الصفصاف الاتجاه المعاكس. ومع إضافة جوجل للمزيد من الكيوبتات إلى كود تصحيح الأخطاء، انخفض معدل الخطأ المنطقي بشكل كبير. هذا هو السلوك الذي تتنبأ به نظرية تصحيح الخطأ الكمي، ولكن لم يسبق لأي نظام فيزيائي أن أظهره بشكل مقنع.

لماذا يعتبر تصحيح الأخطاء هو الإنجاز الحقيقي؟

لفهم سبب أهمية ذلك، من المفيد أن نفهم التحدي الأساسي المتمثل في الحوسبة الكمومية. تعتبر البتات الكمومية (qubits) حساسة للغاية للاضطرابات البيئية، مثل الحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي، وحتى الأشعة الكونية التي يمكن أن تسبب أخطاء. تتعامل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية مع الأخطاء من خلال التكرار ورموز تصحيح الأخطاء، ولكن تطبيق نفس النهج على أجهزة الكمبيوتر الكمومية أصعب بكثير لأن الحالات الكمومية لا يمكن نسخها (نظرية عدم الاستنساخ) وقياس الحالة الكمومية يدمرها.

يعمل تصحيح الأخطاء الكمي عن طريق تشفير كيوبت منطقي واحد عبر العديد من الكيوبتات المادية، بطريقة تسمح باكتشاف الأخطاء وتصحيحها دون قياس الحالة المنطقية مباشرة. لقد تم فهم هذه النظرية منذ تسعينيات القرن العشرين، لكن تنفيذها عمليًا يتطلب وجود كيوبتات مادية ذات معدلات خطأ أقل من العتبة، وقد ثبت أن الحفاظ على هذه العتبة أثناء قياس النظام أمر بالغ الصعوبة.

إن إثبات ويلو بأن معدلات الخطأ تنخفض مع توسع النظام هو أول دليل مقنع على أن النظام الكمي الفيزيائي يمكن أن يعمل تحت عتبة تصحيح الخطأ على نطاق واسع. وهذا لا يعني أن الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء أصبحت وشيكة - فمعدلات الخطأ لا تزال مرتفعة للغاية بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية - ولكنها توضح أن الطريق إلى التسامح مع الأخطاء مفتوح. لم يعد السؤال هو ما إذا كان تصحيح الخطأ الكمي القابل للتطوير ممكنًا فيزيائيًا، ولكن كم من الوقت سيستغرق الوصول إلى معدلات الخطأ المطلوبة لإجراء عمليات حسابية مفيدة.

الآثار المترتبة على التشفير

كان مجتمع التشفير يراقب تقدم الحوسبة الكمومية عن كثب، لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية بما فيه الكفاية يمكنها كسر تشفير RSA والمنحنى الإهليلجي - أسس معظم أمن الإنترنت. وقد أعادت النتيجة التي توصلت إليها ويلو إشعال تلك المحادثة، على الرغم من أن التهديد المباشر أقل حدة مما توحي به بعض العناوين الرئيسية.

يقول الدكتور ميشيل موسكا من معهد الحوسبة الكمومية: "لم نصل إلى هذه المرحلة بعد". "لكن نتيجة اليوم هي إشارة واضحة إلى أن الجدول الزمني للحوسبة الكمومية ذات الصلة بالتشفير يجب أن يؤخذ على محمل الجد. ويجب على المنظمات التي لم تبدأ في الانتقال إلى التشفير بعد الكم أن تبدأ الآن."

إن كسر RSA-2048 - وهو معيار التشفير الأكثر شيوعًا - سيتطلب جهاز كمبيوتر كميًا متسامحًا مع الأخطاء وملايين الكيوبتات المنطقية. الصفصاف لديه 105 كيوبت مادية. والفجوة هائلة. لكن إثبات تصحيح الخطأ القابل للتوسع يعني أن الفجوة أصبحت الآن مسألة هندسية وليست فيزياء أساسية. توفر معايير التشفير ما بعد الكمي التي وضعها NIST، والتي تم الانتهاء منها في عام 2024، مسار الترحيل الذي يتعين على المؤسسات اتباعه - وتعد نتيجة Willow حجة مقنعة للإلحاح.

الأنظمة الأكثر عرضة للخطر هي تلك التي تتمتع بعمر بيانات طويل. يمكن تخزين البيانات المشفرة التي يتم اعتراضها اليوم وفك تشفيرها لاحقًا، بمجرد أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية قوية بما فيه الكفاية. ويكاد يكون من المؤكد أن وكالات الاستخبارات والدول القومية المعادية تفعل ذلك بالضبط - وهي استراتيجية تُعرف باسم "الحصاد الآن، وفك التشفير لاحقًا". بالنسبة للبيانات التي يجب أن تظل سرية لمدة 10 سنوات أو أكثر، فإن الترحيل إلى التشفير ما بعد الكمي ليس اختياريًا.

اكتشاف المخدرات والمحاكاة الجزيئية

التطبيق الواعد بشكل مباشر هو المحاكاة الجزيئية. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية مناسبة بشكل طبيعي لنمذجة الأنظمة الميكانيكية الكمومية، بما في ذلك سلوك الجزيئات. يمكن للمحاكاة الجزيئية الدقيقة تسريع اكتشاف الأدوية بشكل كبير من خلال السماح للباحثين باختبار المرشحين المحتملين للأدوية حسابيًا قبل تصنيع جزيء واحد.

تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحالية محاكاة جزيئات تصل إلى حوالي 50 ذرة بدقة. أبعد من ذلك، فإن التعقيد الحسابي ينمو بشكل كبير وتصبح التقديرات التقريبية ضرورية. إن العديد من الجزيئات البيولوجية الأكثر أهمية - البروتينات والإنزيمات والأهداف الدوائية - أكبر بكثير من هذا الحد. يمكن للحاسوب الكمي المتسامح مع الأخطاء أن يحاكي هذه الجزيئات تمامًا، ومن المحتمل أن يحدد الأدوية المرشحة التي قد تفشل فيها الأساليب الكلاسيكية تمامًا.

الجدول الزمني لهذا التطبيق أطول من تهديد التشفير. تتطلب المحاكاة الجزيئية أجهزة كمبيوتر كمومية متسامحة مع الأخطاء ومزودة بآلاف من الكيوبتات المنطقية، ولا يزال الأمر على بعد سنوات. لكن شركات الأدوية، بما في ذلك روش، وفايزر، وميرك، تستثمر بالفعل في أبحاث الحوسبة الكمومية، وتهيئ نفسها لاستغلال التكنولوجيا عندما تنضج.

علوم المواد وتطبيقات المناخ

وبعيدًا عن اكتشاف الأدوية، يمكن للمحاكاة الكمومية أن تحدث تحولًا في علم المواد. إن تصميم محفزات أفضل للعمليات الكيميائية الصناعية ــ بما في ذلك عملية هابر-بوش التي تنتج الأسمدة، والتي تمثل ما يقرب من 2% من الاستهلاك العالمي للطاقة ــ من الممكن أن يخلف تأثيراً اقتصادياً وبيئياً هائلاً. إن تصميم مواد أفضل للخلايا الشمسية، وكيمياء أفضل للبطاريات، وموصلات فائقة أفضل، كلها مشاكل يمكن للمحاكاة الكمومية تسريعها.

من المحتمل أن تكون الآثار المناخية كبيرة. العديد من تقنيات الطاقة النظيفة الأكثر أهمية - الجيل التالي من الخلايا الشمسية، والموصلات الفائقة في درجة حرارة الغرفة، والمحللات الكهربائية الأفضل لإنتاج الهيدروجين الأخضر - محدودة بسبب عدم قدرتنا على تصميم المواد ذات الخصائص الميكانيكية الكمومية الصحيحة. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إزالة هذا القيد.

المشهد التنافسي

جوجل ليست وحدها في السباق لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة. لدى شركة آي بي إم خريطة طريق خاصة بها، تستهدف الوصول إلى 100 ألف كيوبت مادية بحلول عام 2033. وتنتهج مايكروسوفت نهجا مختلفا جذريا باستخدام الكيوبتات الطوبولوجية، والتي تعتبر أكثر مقاومة للأخطاء من الناحية النظرية. تقوم شركتا IonQ وQuantinuum ببناء حواسيب كمومية محاصرة الأيونات، والتي تتميز بمعدلات خطأ أقل من الكيوبتات فائقة التوصيل، ولكن من الصعب قياسها. وقد أظهر برنامج الحوسبة الكمومية الصيني، المتمركز في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية، نتائج تفوقه.

يعكس تنوع الأساليب عدم اليقين الحقيقي بشأن أي منصة مادية ستثبت في النهاية أنها أكثر عملية للحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء. يحتوي كل نهج على مقايضات مختلفة بين جودة الكيوبت وقابلية التوسع وظروف التشغيل. لا يزال المجال مبكرًا بدرجة كافية بحيث لا تكون المنصة الفائزة واضحة.

What Comes Next

تدعو خريطة طريق جوجل إلى إنشاء حاسوب كمي متسامح مع الأخطاء، قادر على تشغيل خوارزميات عملية بمعدلات خطأ منخفضة بما يكفي للتطبيقات الحقيقية، بحلول نهاية العقد. ويعتمد استمرار هذا الجدول الزمني على التقدم المستمر في تصحيح الأخطاء، وجودة الكيوبت، وأنظمة التحكم الكلاسيكية التي تدير المعالجات الكمومية.

تعتبر نتيجة Willow علامة فارقة حقيقية، وليست إعلانًا تسويقيًا. إنه يوضح أن الفيزياء الأساسية لتصحيح الخطأ الكمي القابل للتطوير تعمل كما تتنبأ النظرية. إن التحديات الهندسية التي لا تزال قائمة هائلة، ولكنها تحديات هندسية، من النوع الذي يؤدي إلى استثمار وجهد مستدامين. لقد أصبح عصر الحوسبة الكمومية المفيدة عمليًا أقرب مما كان عليه في الأسبوع الماضي.

المصادر ومزيد من القراءة