ملخص: تناقش هذه المقالة كيف يمكن للحوسبة الكمّية الضوئية أن تمثل نقلة حاسمة في قدرة البشرية على مواجهة أكبر تحدياتها، من تغيّر المناخ والأمن الغذائي إلى الطب الشخصي والذكاء الاصطناعي المستدام، عبر استخدام الفوتونات بدلا من الإلكترونات لتوفير معالجة أسرع، واستهلاك أقل للطاقة، وقابلية أكبر للتوسع، بما قد يفتح الطريق أمام حواسيب كمّية بملايين الكيوبتات قادرة على حل مشكلات كان يُنظر إليها سابقا على أنها مستحيلة.
- تمتلك الحوسبة الكمّية القدرة على حل مشكلات حسابية مرتبطة بأكثر قضايا البشرية إلحاحا، إذا تمكنت من تجاوز قيودها الحالية.
- تتجاوز الحوسبة الكمّية الضوئية، التي تستخدم الفوتونات، تحديات الطاقة المرتبطة بالشكل المعتمد على الإلكترونات من هذه التكنولوجيا.
- ومن خلال إمكانية تمكين حاسوب يضم مليون كيوبت بحلول عام 2030، يمكن للحوسبة الكمّية الضوئية أن تقدم حلولا في مجالات متعددة، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي المستدام.
بينما نواجه تحديات اجتماعية متزايدة التعقيد، من الطوارئ المناخية إلى نقص الغذاء والفوارق الصحية، تظل التكنولوجيا، ولا سيما الذكاء الاصطناعي، مصدرا للأمل. غير أن اندماج المجتمع المتزايد مع الذكاء الاصطناعي يجلب أيضا طلبا هائلا وغير مسبوق على الطاقة. ومن أجل بناء مستقبل نستطيع فيه معالجة أكثر مشكلات العالم إلحاحا واستخدام الذكاء الاصطناعي بمسؤولية واستدامة، علينا أن نتطلع إلى ما هو أبعد من الحوسبة التقليدية، نحو تقنيات قادرة على تقديم أداء أكبر مع استهلاك طاقة أقل بكثير.
تكمن الإجابة في الحوسبة الكمّية والفوتونيات. فالحوسبة الكمّية تمتلك القدرة على إجراء الحسابات بسرعات مذهلة، ما يعني أنها ستحل على الفور مشكلات قد تستغرق من الحاسوب الفائق التقليدي 100 ألف سنة. وستجعل من الممكن معالجة تحديات طالما اعتُبرت مستحيلة، لأنها تعمل بطرق جديدة ومختلفة، متجاوزة الحدود الحسابية للحواسيب التقليدية.
من المتوقع أن تبدأ الحوسبة الكمّية في تقديم فوائد واقعية ملموسة نحو عام 2030، من خلال معالجة التحديات المجتمعية، وتمكين قدرات الذكاء الاصطناعي، ودفع تقدم البشرية عبر إتاحة تطورات مثل الطب الشخصي، والطاقة المتجددة، وتأمين الإمدادات الغذائية. أما التطور الأحدث، وهو الحوسبة الكمّية الضوئية القائمة على الفوتونيات، فهو الآن قيد التطوير. ويحمل معه القدرة على تمكين كل ذلك بدرجة أكبر من القابلية للتوسع، ودقة أعلى، وكفاءة أفضل في استخدام الطاقة، وبسرعة الضوء.
لماذا تُعد الحوسبة الكمّية صعبة إلى هذا الحد
حتى بعد 35 عاما من التطوير، لا تزال الحوسبة الكمّية تواجه عقبات كبيرة.
فمن ناحية، لا يمكن توسيع نطاقها بسهولة أو بكفاءة. وتُعد البتات الكمّية، المعروفة باسم الكيوبتات، اللبنات الأساسية للمعلومات في الحاسوب الكمّي. ومع زيادة عدد الكيوبتات، يزداد الحجم الفيزيائي للحاسوب الكمّي، وتصبح هناك حاجة إلى مزيد من أنظمة التبريد، وهو ما يتطلب قدرا أكبر بكثير من الطاقة.
أما التحدي الكبير الثاني فهو تصحيح الأخطاء: فكلما أصبحت الحسابات أكثر تعقيدا، يتراكم “الضجيج الكمّي”، ما يجعل إجراء حسابات دقيقة أمرا صعبا. وقد يأتي هذا الضجيج على شكل اضطرابات ناتجة عن أمور مثل الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو تقلبات الحرارة، أو إشارات التحكم غير المثالية، وكلها يمكن أن تؤثر في حالة الكيوبت.
العامل الحاسم في معالجة هذه التحديات هو إضافة الفوتونيات، أو التكنولوجيا الضوئية، إلى المعادلة. وتُعرف هذه التكنولوجيا باسم الحوسبة الكمّية الضوئية، وهي قيد التطوير حاليا، وستغير العالم كما نعرفه.
كيف ستدفع التكنولوجيا الضوئية الحوسبة الكمّية إلى الأمام
ستعتمد الحوسبة الكمّية الضوئية على الفوتونيات. وببساطة، يعني ذلك أنها ستعتمد على جسيمات الضوء لنقل المعلومات. وهذا يمثل قفزة هائلة مقارنة بالتكنولوجيا القائمة على الإلكترونيات المستخدمة اليوم؛ فالإلكترونات تحتاج إلى طاقة لنقل البيانات ومعالجتها، كما تولد حرارة تتطلب بدورها مزيدا من الطاقة للتبريد. أما الفوتونات فتسافر بسرعة الضوء، وتحتاج إلى قدر ضئيل جدا من الطاقة، ولا تولد تقريبا أي حرارة.
تواجه الحواسيب الكمّية القائمة على الإلكترونات تحديات في الطاقة، لأنه مع تحسن أدائها يرتفع استهلاكها للطاقة. كما أنها تحتاج إلى التبريد إلى درجات قريبة من الصفر المطلق، ولذلك لا يمكنها العمل إلا باستخدام أنظمة تبريد واسعة النطاق تستهلك كميات كبيرة من الطاقة.
أما الحوسبة الكمّية الضوئية، فستكون قادرة على العمل في درجة حرارة الغرفة وتحت الضغط الجوي، من دون الحاجة إلى أنظمة تبريد متخصصة أو أنظمة تفريغ هوائي، وبالتالي باستهلاك أقل بكثير للطاقة.
كيف تعمل الحوسبة الكمّية
سواء كانت قائمة على التكنولوجيا الضوئية أم لا، فإن أساسيات الحوسبة الكمّية هي نفسها. تخيّل متاهة. حل مشكلة باستخدام حاسوب تقليدي يشبه التنقل داخل المتاهة عبر اختبار مسار واحد في كل مرة. تتبع ممرا حتى تصل إلى طريق مسدود، ثم تعود إلى آخر مفترق وتجرب المسار التالي. وتواصل هذه الطريقة حتى تجد المخرج في النهاية. ومع ازدياد تعقيد المتاهة، يتوسع عدد المسارات التي يجب اختبارها بشكل كبير.
أما الحوسبة الكمّية فتشبه استكشاف جميع المسارات في المتاهة في الوقت نفسه، مع الإبقاء فقط على المسار الذي يؤدي إلى المخرج. ونظرا لقدرتها على فحص احتمالات متعددة في وقت واحد، تستطيع الحوسبة الكمّية حل مشكلات أكثر تعقيدا بكثير من الحواسيب التقليدية. وهي تفعل ذلك من خلال الكيوبتات، التي تُعد في جوهرها النظير الكمّي للبتات المستخدمة في الحواسيب العادية.
سنحتاج إلى ما بين مليون و100 مليون كيوبت حتى نتمكن من استخدام الحواسيب الكمّية على نطاق واسع في تطبيقات ذات أثر مجتمعي كبير. وما زلنا بعيدين عن تحقيق 100 مليون كيوبت، لكننا نعمل بسرعة وبشكل تعاوني لتطوير حواسيب ستكون قادرة على التعامل مع مليون كيوبت، وهو هدف نطمح إلى بلوغه بحلول نهاية هذا العقد.
تساعد الحواسيب الكمّية الضوئية على تحقيق هذا التقدم من خلال تعدد الإرسال، وهو ما يعني أساسا دمج تدفقات منفصلة من البيانات أو الإشارات وإرسالها في الوقت نفسه عبر كابل واحد من الألياف الضوئية. وهذا يوسع عدد الكيوبتات بسرعة أكبر بكثير، ما يقربنا من هدف مليون كيوبت، أو حتى 100 مليون، في وقت أقرب.
لماذا تهم الحوسبة الكمّية البشرية
هناك مشكلات واقعية لا نستطيع التغلب عليها اليوم بسبب قيود الحواسيب التقليدية. ومن المتوقع أن تجعل الحواسيب الكمّية حل هذه الأنواع من المشكلات ممكنا. وستدفع الحواسيب الكمّية الضوئية هذا التقدم إلى أبعد من ذلك، عبر تمكين عمليات محاكاة وتحسين واسعة النطاق باستخدام طاقة أقل.
وفيما يلي لمحة عما يمكن أن تقدمه الحوسبة الكمّية:
العمل المناخي: مساعدة العالم على إنتاج كميات أقل من الكربون من خلال تمكين تصميم مواد موفرة للطاقة وتحسين أنظمة الطاقة المتجددة.
الطوارئ المناخية: التخفيف من حالات الطوارئ والكوارث المرتبطة بالطقس، من خلال مساعدة الخبراء على التنبؤ بظروف ومسار الأحداث المناخية الكبرى مثل الأعاصير المدارية أو الأعاصير، وإتاحة تنبؤات أكثر دقة بالأحداث المتطرفة النادرة والمحلية عبر تحديد الأنماط منخفضة الاحتمال التي يميل الذكاء الاصطناعي وحده إلى إغفالها.
الأمن الغذائي: الإسهام في توفير إمدادات غذائية عالمية أكثر استقرارا، عبر تمكين الابتكارات في إنتاج الأسمدة من خلال عمليات تثبيت النيتروجين منخفضة الطاقة.
الصحة والرفاه: تمكين اكتشاف الأدوية بسرعة أكبر وتحقيق تقدم في الطب الشخصي، بما يدعم الاستعداد للأوبئة ويساعد على تقليص الفوارق الصحية.
الاستقرار المالي: دعم التنفيذ الفوري لتحليل المخاطر واسع النطاق واستراتيجيات الاستثمار المثلى، بما يعزز استقرار الأسواق المالية العالمية.
تمتلك التكنولوجيا الكمّية أيضا القدرة على تحويل الصناعات. فعلى سبيل المثال، في قطاع التصنيع، يمكنها تحسين سلاسل الإمداد وتصميم المنتجات المحايدة كربونيا، مما يدعم التحول نحو هياكل صناعية مستدامة. وفي قطاع تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، يمكن للحوسبة الكمّية تحسين شبكات الاتصال على نطاق عالمي، وجعلها أكثر قدرة على الصمود أمام الكوارث والأعطال بمستوى لا تستطيع الحواسيب التقليدية التعامل معه. وفي قطاع الطاقة، من المتوقع أن تدفع الابتكارات في توليد الطاقة وتخزينها وتحسين الشبكات الذكية، الناتجة عن التكنولوجيا الكمّية، التقدم نحو إزالة الكربون.
مسار فوتوني نحو المستقبل
يمكن للتكنولوجيا الكمّية الضوئية أن توفر أساسا لمستقبل مستدام للبشرية. فهي قادرة على مساعدتنا في حل مشكلات الغذاء من خلال تصنيع الأسمدة بكفاءة، وتحسين حركة المرور والخدمات اللوجستية في المدن الكبرى، وتصميم هياكل جزيئية مثلى للأدوية مصممة خصيصا لكل شخص، وتصميم مفاعلات الاندماج النووي، التي يُتوقع أن تصبح مصادر جديدة للطاقة.
ورغم أن الحواسيب التقليدية يمكنها إنتاج حلول تقريبية لتحديات مثل هذه، فإن دقتها تبقى محدودة. أما الحوسبة الكمّية فيمكنها حل مشكلات شديدة التعقيد بدقة أكبر بكثير، وستوفر الحواسيب الكمّية الضوئية مزايا أكبر: معالجة عالية السرعة مع استهلاك أقل للطاقة. وبفضل قدرة التكنولوجيا الضوئية على توسيع سعة الكيوبتات بسرعة، نتوقع تحقيق نظام متسامح مع الأخطاء يضم مليون كيوبت نحو عام 2030. وهذا سيغير العالم.
ستقربنا الحوسبة الكمّية الضوئية كثيرا من حل بعض أكبر التحديات العالمية، وستتيح ذكاء اصطناعيا مسؤولا ومستداما، وستدفع فوائد مجتمعية طويلة الأمد في الأعمال والصحة والعلوم وغيرها. إنها تكنولوجيا تقدم الأمل بطرق كانت في السابق غير قابلة للتخيل.
