تطبيقات لأجهزة الكم

تكنولوجيا الكم هي مجال ناشئ في الفيزياء والهندسة، والتي تعتمد على مبادئ فيزياء الكم، فمن خلال تلك المبادئ تم إنشاء تطبيقات مثل عملية الحوسبة الكمومية، وأجهزة استشعار الكم، والترميز الكمي، ومحاكاة الكم، ومقاييس الكم والتصوير الكمي المستند على خصائص ميكانيكا الكم، خصوصاً تشابك الكم وتراكب الكم ونفق الكم، ووفقاً لجون فون نيومان، تختلف تكنولوجيا الكم عن الميكانيكا الكلاسيكية الحتمية، والتي تنص على أن الحالة تتحدد بقيم اثنين من المتغيرات، وصرح أن تكنولوجيا الكمية تحددها الاحتمالات وأن هذا التفسير قد استخدم لتبرير تفوق التكنولوجيا.

تكنولوجيا الكم

تزداد شهرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية يوم بعد يوم للوصول إلى طاقة معالجة سريعة للغاية، على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لم تصل بعد إلى تفوقها الكمي، إلا أن بعض الشركات مثل D-Wave قد قامت بالفعل بتقديم جهاز كمبيوتر تجاري لمبادئ الكم.

سمح ظهور أجهزة الكمبيوتر الكمومية التجارية للعلماء باختبارها واستخدامها في مختلف المجالات، لقد اخترنا بعض أفضل تطبيقات للكمبيوتر الكمومي يعتقد الناس أنها ستحدث في المستقبل.

تطبيقات مبادئ الكم

الذكاء الصناعي المتقدم

الذكاء الاصطناعي

(AI) هو حقل ساخن للغاية في الصناعات، وعلوم الكمبيوتر، والروبوتات، إنه يحل بالفعل محل العامل البشري في العديد من المجالات وقد عزز النتائج بشكل كبير، تم تطوير الذكاء الاصطناعي بشكل كبير في العقد الماضي باستخدام الشبكات العصبية التي تعد نموذجاً للتعلم الآلي يعتمد على الخلايا العصبية في الدماغ.

الشبكات العصبية هي نموذج قوي للغاية ويمكنها أن تتكيف مع أي نمط من البيانات، ويمكنها التعرف على الصور والتعرف على الصوت ونسخ السلوك البشري، لكن الصعوبة الرئيسية في الشبكات العصبية هي تدريبها، فتدريب الشبكات العصبية الكبيرة يتطلب قدراً هائلاً من القوة الحاسوبية ويستغرق وقتا طويلاً جداً.

يمكن حل هذه المشكلة بسهولة باستخدام

أجهزة الكمبيوتر

الكمومية بدلاً من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، ويمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية تقليل الوقت اللازم لتدريب الشبكات العصبية الكبيرة على مجموعات البيانات الكبيرة جداً، لهذا السبب تستثمر Google في البحث والتطوير الكمومي للكمبيوتر لتسريع خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

تم اختبار بعض نماذج الشبكات العصبية على الكمبيوتر الصلب D-Wave والنتائج كانت جيدة.

توقعات الطقس

التنبؤ بالطقس هو التنبؤ بالطقس مقدماً عن طريق تحليل حالة الجو الحالية والماضي، يتم تنفيذها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية عن طريق معالجة مجموعات من البيانات الكبيرة من العديد من معلومات الطقس، وبسبب الدقة المحدودة لأجهزة الكمبيوتر وعدم كفاية القدرة الحاسوبية لها، من المستحيل التنبؤ بالطقس قبل أيام قليلة.

يمكن تحسين مشكلة دقة

التنبؤ بالطقس

باستخدام كمبيوتر الكم، كما اقترح باحث روسي نشر بحثاً عام 2017 أظهر فيه إمكانية زيادة الدقة باستخدام منهجية تجميع الكتلة الديناميكية (DQC)، وادعى كذلك أن DQC يمكنها حتى إنتاج مجموعات بيانات للتنبؤ بالطقس يصعب إنتاجها على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.[1]

محاكاة الجزيئات

تعد محاكاة الجزيئات وسلوكياتها في ظروف مختلفة مهمة للغاية في مجال الكيمياء والأحياء، لأن المحاكاة تسمح للكيميائيين وعلماء الأحياء بدراسة الجزيئات وتفاعلها دون إجراء تجربة حقيقية.

لمحاكاة الجزيئات، يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تفرض العديد من القيود ويمكن معالجة عدد محدود فقط من الجزيئات، ومع ذلك، يمكن أن يكسر الكم هذه القيود ويسمح بمحاكاة جزيئات معقدة للغاية في أجهزة الكمبيوتر الكبيرة جداً.

تم بالفعل اختبار الكمبيوتر الكمومي مع رقاقة ذات السبعة كيلو بايت لمحاكاة جزيئات هيدريد البريليوم (BeH 2)، بالطبع قد لا يثير هذا إعجابك، لكن فكر قليلاً في أداء المحاكاة برقاقة بسعة سبعة كيلوبت، والتي تعمل على زيادة قوة الكمبيوتر الكمومي بشكل كبير وإذا قمت بزيادة عدد قليل من البتات، تزداد قوة الحواسيب الكمومية أضعافاً مضاعفة مع الزيادة في كل كيلوبايت.

أفضل علاج للسرطان

السرطان واحد من أكثر الأمراض الفتاكة في العالم التي تسبب ملايين الوفيات كل عام، في استطلاع أجرته منظمة الصحة العالمية، كان هناك أكثر من 1.7 مليون حالة وفاة ناجمة عن سرطان الجهاز التنفسي فقط في عام 2016، تم العثور على أن معظم الناس يموتون من السرطان بسبب التعرف على السرطان في المرحلة الأخيرة، فإذا تم التعرف على السرطان في مرحلة مبكرة، فهناك احتمالية لنسبة عالية من الشفاء من السرطان.

هناك العديد من طرق علاج السرطان التي قد تشمل الأدوية والعلاج الإشعاعي والجراحة، يتم علاج العديد من المرضى بالعلاج الإشعاعي الذي تستخدم فيه الإشعاعات لتدمير الخلايا السرطانية، قد يؤدي العلاج الإشعاعي أيضاً إلى تدمير الخلايا والأنسجة السليمة المحيطة بالمنطقة السرطانية، لتقليل الأضرار التي لحقت الخلايا السليمة، يتم تحسين الإشعاع لإنجاز المهمة، يتم تحقيق أقصى حد من الإشعاع عن طريق أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تستغرق وقتا للتحسين.

في عام 2015، تم تقديم تقنية جديدة بواسطة باحثين من معهد Roswell Park Cancer Institute الذين استخدموا الكمبيوتر الصلب الكمي بدلاً من الكمبيوتر الكلاسيكي، كانت نتيجة استخدام هذا الكمبيوتر الجديد أن عملية التحسين استغرقت وقتاً أقل بكثير واكتسبت زيادة في السرعة من 3 إلى 4 مرات.[2]

أفضل محاكاة طبية حيوية

يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمحاكاة البروتينات و

وظائف الخلية

بطريقة فعالة، بمحاولة واحدة من هذا النوع لحل اللغز من البروتين للطي، تم إجراء المحاولة من قبل الباحثين في

جامعة هارفارد

في عام 2012 وكانت النتائج ناجحة، لقد استخدموا الكمبيوتر الصلب الكمي الذي طورته D-Wave ووجدوا أقل تكوين للأحماض الأمينية التي لم يتم العثور عليها من قبل، وكان هذا إنجازاً كبيراً في نمذجة البروتين القابل للطي بدقة جيدة.

خدمات مالية أفضل

قامت D-Wave بالفعل بإنشاء كمبيوتر كمومي تجاري يحتوي على حوالي 2000 كيلو بايت ويسمى D-Wave 2000Q، لكنها مكلفة للغاية ولا تستخدمها إلا منظمات قليلة فقط لأغراض البحث، يمكن أيضاً استخدام الكمبيوتر الكمومي لـ D-Wave للتعامل مع الحسابات المالية المعقدة ومشكلات إدارة المخاطر، أيضاً يمكن استخدامه لمقارنة النماذج المالية الجديدة وتحسينها وتقليل عوامل الخطر العالمية الرئيسية، ومع ذلك بالنسبة للنظام المالي العالمي، فستكون هناك حاجة إلى كمبيوتر الكم أكثر قوة قيد البحث والتطوير.

تحسين التدفق المروري

تعد الاختناقات المرورية إحدى المشكلات الرئيسية في المدن التي يمكن أن تحدث في أي وقت، يستيقظ الأشخاص عادة في الصباح الباكر للوصول إلى المكتب في وقت مبكر لتجنب الاختناقات المرورية، لكنهم ما زالوا عالقين ويصلون عدة مرات إلى المكتب في وقت متأخر.

تحاول Volkswagen الحد من

الازدحام المروري

والاختناقات المرورية عن طريق التحكم في تدفق حركة المرور وتحسينه، لقد جربوا في عام 2017 على الكمبيوتر الصلب الكمي لإيجاد الطرق الأمثل لعدد من السيارات، لقد أظهرت هذه الطريقة بنجاح عن طريق تحسين طرق 10000 سيارة في طرق بكين، لقد ادعوا أن عملية التحسين أسرع بكثير في الكمبيوتر الصلب الكمي من الكمبيوتر الكلاسيكي.

أفضل تغطية للبيانات المتنقلة

ربما تكون قد واجهت العديد من المواقع في مدينتك حيث يكون استقبال بيانات الجوال أو تغطية

القمر الصناعي

فيها سيئاً للغاية، تنشأ مشكلة التغطية السيئة عندما تكون الأقمار الصناعية غير قادرة على تغطية المنطقة بالكامل، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن هناك عدداً كبيراً جداً من المجموعات في محاذاة الأقمار الصناعية، يجب تحسين محاذاة القمر الصناعي لتغطية معظم المنطقة التي يتم تنفيذها في الغالب بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، ولكن من الصعب للغاية معالجة جميع المجموعات مع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في وقت قصير.

في ورقة نشرت في عام 2017، اقترح أن تقنية التربيع الثنائي غير المقيد (QUBO) يمكن تنفيذها على أجهزة الكمبيوتر الكمي الصلب لتسريع عملية التحسين، على الرغم من أن العملية ستحصل على سرعات كبيرة، إلا أنها لن تتمكن من تغطية جميع مناطق ذات التغطية السيئة، ولكن سيكون الأفضل.[3]