NEC في طريقه إلى تسويق جهاز كمبيوتر كمي
في 10 ديسمبر 2022، تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 لثلاثة باحثين أمريكيين وأوروبيين لمساهماتهم في تطوير ميكانيكا الكم. مع ازدهار الحواسيب الكمومية وغيرها من التقنيات المتوقعة لتكون الجيل القادم من الحوسبة عالية السرعة، نود أن نبني على زخم جائزة نوبل في الفيزياء العام الماضي لتقديم لمحة عن عالم التكنولوجيا الكمومية. ما الذي يجعل الحواسيب الكمومية مدهشة؟ وما نوع القيمة الاجتماعية التي يمكن لـ NEC خلقها؟ تحدثنا مع ماسايوكي شيران، مدير مختبرات منصة النظام الآمن في NEC لمعرفة الإجابات على هذه الأسئلة وغيرها.
ما هو الكوانتم بالضبط؟الاحتمالات الممكنة بفضل "الامبغمو" غير التقليدي
── تم منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 تقديراً لتجارب على التشابك الكمي. كظاهرة حتى لم يقنع بها أينشتاين، يمكن أن يكون التشابك الكمي عقبة هائلة للمبتدئين. هناك بالفعل أشياء تفسّر الظواهر الفيزيائية المألوفة لكنها لا يمكن شرحها بالميكانيكا الكلاسيكية، التي نعتبرها المنطق الشائع. هذا هو بالضبط ما أثبته فائزو جائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام من خلال تجاربهم. على سبيل المثال، لنفترض أن هناك كوانتا في حالتين مختلفتين، "0" و"1" (مثل الفوتون—أصغر وحدة للضوء)، موجودة في حالة تشابك كمي. يرى الميكانيكا الكلاسيكية أن حقيقة أن إحدى الحالات هي "0" والأخرى هي "1" محددة مسبقاً، بغض النظر عما إذا كان البشر يلاحظونها أم لا. ومع ذلك، في الميكانيكا الكمية، لا يُحدد أي كوانتا كـ "0" أو "1" حتى يُلاحظها البشر، حيث يُحدد كـ "0" أو "1" في لحظة الملاحظة. عندما توجد كوانتا في حالة تشابك، يتغير الكوانتا الثاني إلى حالة "0" في لحظة أن أحد الكوانتا يُلاحظ ويُجد أنه في حالة "1". بغض النظر عن المسافة بين الكوانتا، يتم تحديد حالة الكوانتاين على الفور. بمعنى آخر، يتم نقل المعلومات في لحظة بين الكوانتاين. ── أعتقد أنني قد بدأت أفهم بعض هذا. كيف سيؤدي هذا البحث الكمي إلى الابتكار التكنولوجي؟ هناك ابتكارات يمكن الوصول إليها عبر الأنظمة الكمية التي لا تتوافق مع المنطق الشائع. مثال واحد هو التراكب الكمي، الذي يُستخدم في الحواسيب الكمية. بتات الميكانيكا الكلاسيكية هي إما "0" أو "1"، لكن البتات الكمية (الكوبيت) يمكن أن تُعبر عن كل من "0" و"1" في آن واحد. بما أن "0" أو "1" غير محدد، تُوصف حالات "0" و"1" بأنها متراكبة. لهذا السبب فإن كمية المعلومات التي يمكن التعبير عنها في كويبت واحد أعلى بكثير، حيث أن 100 كويبت يعادل 1000 تريليون بُت من الحواسيب التقليدية. الحاسوب الكمي هو جهاز لديه القدرة على إجراء معالجة فائقة السرعة استناداً إلى الكوبيت.
هناك أيضًا تطبيقات مثل الاستشعار الكمومي، الذي يقرأ التغيرات الطفيفة في المغناطيسية والتردد من خلال الاستفادة من سهولة تغير الحالة الكمومية، والاتصال بالترميز الكمومي، الذي يكتشف ويمنع سرقة المعلومات باستخدام تغيرات الحالة عند ملاحظة الحالات الكمومية. تشارك NEC في البحث والتطوير في كلا المجالين.
لماذا يلقى هذا المجال اهتمامًا كبيرًا؟ يبدو أن القطاعين العام والخاص يهدفان إلى تجارية هذه التطبيقات.
── تزايد الاهتمام بتقنية الكم في السنوات الأخيرة حتى قبل منح جائزة نوبل. في عام 2019، كان لإعلان Google أنه أظهر تفوقاً كمياً تأثيراً هائلاً. على الرغم من وجود تحفظات حول العملية، كان كمّ Google قادرًا على حل مشكلة في 200 ثانية فقط، بينما كان سيستغرق 10,000 سنة لحسابها على جهاز فائق في ذلك الوقت. تستثمر حكومات العالم بنشاط في هذه التقنية. بلغ الميزانية المخصصة للبحوث والتطوير المتعلقة بتقنية الكم في السنة المالية 2022 أكثر من 90 مليار ين في الولايات المتحدة و30 مليار ين في اليابان. ── تقوم NEC بأبحاث تقنية الكم منذ التسعينات وتسرّع جهودها البحثية والتطويرية نحو التسويق. تُعَدّ NEC رائدة في هذا المجال. في عام 1999، أصبحت أول من أظهر صلاحية الكيوبت الصلب المشبّك، وهو العنصر الأساسي في الكمبيوتر الكمّي. منذ ذلك الحين، واصلنا أبحاثنا قبل بقية العالم، محققين أول قراءة عالية الحساسية للكيوبت باستخدام دوائر بارامترون المشبّك في عام 2014. نعمل حاليًا على تطوير آلات التلدين الكمّي باستخدام هذه التقنيات. ── عند الحديث عن التلدين، هل هناك أنواع مختلفة من الحواسيب الكمّية؟ يمكن تصنيف الحواسيب الكمّية على نطاق واسع إلى أنظمة البوابات الكمّية وأنظمة التلدين الكمّي. في أنظمة البوابات، تُستبدل بتات الحواسيب التقليدية بالكيوبت، وبمبدأ، يمكنك فعل أي شيء. الهدف النهائي هو إنشاء ما يُسمى آلة مقاومة للأخطاء، وهي عمليًا خالية من الأخطاء، حتى مقارنةً بأنظمة البوابات الأخرى. تطوير كمّ مقاوم للأخطاء هو أحد المشاريع تحت برنامج البحث والتطوير القمري الياباني. يدير الدكتور تسويشي ياماموتو، زميل أبحاث NEC، تطوير تكنولوجيا المشبّك كمشروع مدير. ومع ذلك، من المحتمل أن نكون بعيدين جدًا عن هدفنا. الجهاز المذكور أعلاه هو جهاز بوابة، لكنه ليس جهازًا مقاومًا للأخطاء. تُعَدّ آلات التلدين الكمّي متخصصة في معالجة مشاكل التحسين التوافقي، وقدراتها محدودة مقارنةً بأنظمة البوابات العامة. مع أنظمة التلدين، الهدف هو حل المشكلات بسرعة عالية عن طريق تحويل النماذج الرياضية (المعادلات) التي تُستخدم عادةً لحل المشكلات إلى معادلات متخصصة تُسمى نماذج آيزن تُعبر عن الحالات الكمّية كقطب الشمال (N) والقطب الجنوب (S) للمغناطيس. نعتقد أنه من الممكن تبسيط الآلية مقارنةً بنظام البوابات وتسريع تنفيذ الأجهزة.
ما الذي سيحدث للمجتمع في المستقبل؟ قريبًا سنشهد تغييرات في التصنيع والعمل وحتى الحياة اليومية.
── ما هي فوائد القدرة على حل مشاكل التحسين التركيبي بسرعة عالية؟ أمثلة شهيرة لتطبيقه تشمل حل مشكلة بائع التجول لتحديد كيفية سفر البائعين إلى العديد من المواقع بكفاءة من حيث الوقت والتكلفة، ومشكلة جداول العمل لتصميم جداول العمل التي تلبي جميع الشروط اللازمة، مثل شروط العمل، عدد الأشخاص المطلوبين، تفضيلات الوظيفة، والتوافق. يستخلص التحسين التركيبي الحل الأكثر كفاءة من عدد هائل من مجموعات الخيارات. قامت مجموعة NEC بالفعل بتنفيذ نظام يستخدم تقنية التلدين المحاكي المستوحى من الكم باستخدام الحواسيب الفائقة المتجهة، مما يقلل الوقت المطلوب لتخطيط تسليم قطع الغيار للصيانة للنهار التالي من ساعتين إلى 12 دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، توجد قضايا تتعلق بالتحسين التركيبي، مثل التنمية الحضرية والتصنيع، في جوانب مختلفة من الحياة اليومية. لقد وصلت تقنية الحوسبة الكمومية بشكل عام الآن إلى مرحلة التطبيق الاجتماعي. ── ما هي مزايا تقنية NEC الكمومية؟ في التلدين المحاكي، يتم تمكين المعالجة السريعة للمشاكل التركيبيّة على نطاق واسع عن طريق تشغيل البرامج التي تتضمن خوارزميات مملوكة على SX-Aurora TSUBASA، حاسوب فائق متجه يقوم بحساب المصفوفات بعرض نطاق ترددي ذاكرة عالٍ. من حيث التلدين الكمومي، الذي من المتوقع أن يحل مشاكل أكثر تعقيدًا بسرعة أعلى، أعلنا في مارس 2022 أن NEC أصبحت الأولى في العالم في حل مشكلة تحسين تركيبيّة صغيرة النطاق باستخدام طريقة LHZ (معمارية ParityQC*). بينما هدف NEC النهائي هو تطوير حواسيب كمومية مقاومة للأخطاء، نركز حاليًا على طريقة التلدين، التي من المتوقع أن تُستخدم عمليًا في المستقبل القريب. في الواقع، نضع عيوننا على تحقيق جهاز التلدين الكمومي في 2023. التقنية الكمومية وحدها لن تضمن مستقبلًا مشرقًا. ومع ذلك، نعتقد أنه بخلاف الراحة والسهولة التي ستجلبها لحياة الناس، سيكون هناك، في الواقع، قوة تقنيتنا الكمومية. هذا هو المستقبل الذي أأمل أن أخلقه.
※ طريقة LHZ: LHZ هو اختصار مشتق من أسماء الأشخاص الثلاثة الذين اقترحوا ذلك، Lechner، Hauke، وZoller. تم اقتراح الفكرة من قبل هؤلاء الباحثين الثلاثة وتطويرها من قبل Parity Quantum Computing لحل مشكلة صعوبة دمج جميع البتات كعتاد مع زيادة عدد البتات.
