تطبيقات لأجهزة الكم

تكنولوجيا الكم هي مجال متقدم في مجال الفيزياء والهندسة، وتعتمد على مبادئ فيزياء الكم. يتم استخدام هذه المبادئ في تطبيقات مثل الحوسبة الكمومية، وأجهزة الاستشعار الكمومية، والترميز الكمي، ومحاكاة الكم، وقياسات الكم، والتصوير الكمي المستند إلى خصائص ميكانيكا الكم، وتشمل تقنيات التشابك الكمي والتراكب الكمي ونفق الكم. ووفقا لجون فون نيومان، تختلف تكنولوجيا الكم عن الميكانيكا الكلاسيكية الحتمية، حيث تحدد الحالة في تكنولوجيا الكم بواسطة الاحتمالات، وتم استخدام هذا التفسير لتبرير تفوق التكنولوجيا الكمية.

تكنولوجيا الكم

تحظى أجهزة الكمبيوتر الكمومية بزيادة شهرة يومًا بعد يوم، نظرًا لقدرتها على توفير طاقة معالجة فائقة السرعة، على الرغم من عدم وصولها حتى الآن إلى تفوق كمي، لكن بعض الشركات مثل D-Wave قد قامت بتقديم أجهزة كمبيوتر كمية تجارية.

أتاح ظهور أجهزة الكمبيوتر الكمومية التجارية للعلماء اختبارها واستخدامها في مختلف المجالات، وقد اخترنا بعضًا من أفضل تطبيقاتالكمبيوتر الكمومي التي يعتقد الناس أنها ستحدث في المستقبل.

تطبيقات مبادئ الكم

الذكاء الصناعي المتقدم

الذكاء الاصطناعي (AI) هو مجال ساخن جدا في الصناعات وعلوم الكمبيوتر والروبوتات، فقد استبدل بالفعل العامل البشري في العديد من المجالات وساهم بشكل كبير في تحسين النتائج، وتم تطوير الذكاء الاصطناعي بشكل كبير في العقد الماضي باستخدام الشبكات العصبية التي تمثل نموذجا للتعلم الآلي يستند إلى 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 بسهولة حل هذه المشكلة باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية بدلا من الأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، وتستطيع الأجهزة الكمومية تقليل الوقت اللازم لتدريب الشبكات العصبية الكبيرة على المجموعات الضخمة من البيانات، لذلك تستثمر شركة جوجل في البحث والتطوير الكمومي للكمبيوتر لتسريع خوارزميات الذكاء الاصطناعي.

تم اختبار بعض نماذج الشبكات العصبية على جهاز الكمبيوتر الصلب D-Wave، وكانت النتائج 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 دقة التنبؤ بالطقس باستخدام الكمبيوتر الكم، كما اقترح الباحث الروسي في بحثه الذي نشر عام 2017 استخدام منهجية تجميع الكتلة الديناميكية (DQC)، حيث ظهر بحثه إمكانية زيادة الدقة، كما ادعى أيضا أن DQC يمكنها إنتاج مجموعات بيانات صعبة الإنتاج للتنبؤ بالطقس والتي يصعب إنتاجها باستخدام الكمبيوترات التقليدية.

محاكاة الجزيئات

تعتبر محاكاة الجزيئات وسلوكياتها في ظروف مختلفة ضرورية للغاية في مجال الكيمياء والأحياء، حيث تُمكِّن هذه المحاكاة الكيميائيين وعلماء الأحياء من دراسة تفاعلات الجزيئات وسلوكياتها دون الحاجة إلى إجراء تجارب حقيقية.

تستخدم الأجهزة الكمومية لمحاكاة الجزيئات، حيث تفرض أقل قيود وتسمح بمعالجة عدد هائل من الجزيئات المعقدة، بينما تفرض أجهزة الكمبيوتر التقليدية العديد من القيود ويمكن معالجة عدد محدود من الجزيئات فقط.

تم بالفعل اختبار الكمبيوتر الكمومي مع رقاقة سعتها سبعة كيلوبايت لمحاكاة جزيئات هيدريد البريليوم (BeH 2)، وربما لا يثير هذا إعجابك، ولكن فكر للحظة في أداء المحاكاة باستخدام رقاقة بسعة سبعة كيلوبايت، والتي تعمل على زيادة قوة الكمبيوتر الكمومي بشكل كبير، وإذا زادت عدد قليل من البتات، فإن قوة الحواسيب الكمومية تزداد بشكل مضاعف.

أفضل علاج للسرطان

السرطان هو واحد من أكثر الأمراض القاتلة في العالم، حيث يتسبب في ملايين الوفيات سنويا. وفقا لاستطلاع أجرته منظمة الصحة العالمية، توفي أكثر من 1.7 مليون شخص بسبب سرطان الجهاز التنفسي وحده في عام 2016. وتبين أن معظم الناس يموتون بسبب سرطان مكتشف في المراحل المتقدمة. وإذا تم اكتشاف السرطان في مرحلة مبكرة، فإن هناك فرصة عالية للشفاء منه.

هناك عدة طرق لعلاج السرطان، بما في ذلك الأدوية والعلاج الإشعاعي والجراحة. يتم علاج العديد من المرضى بالعلاج الإشعاعي، حيث يستخدم الإشعاع لتدمير الخلايا السرطانية. وقد يؤدي العلاج الإشعاعي أيضا إلى تدمير الخلايا والأنسجة السليمة المحيطة بالمنطقة السرطانية، ولذلك يتم تحسين العلاج الإشعاعي للحد من الضرر الذي يلحق بالخلايا السليمة. يتم تحقيق أقصى استفادة من الإشعاع من خلال استخدام أجهزة كمبيوتر كلاسيكية 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.

أفضل محاكاة طبية حيوية

يمكن استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لنمذجة البروتينات ووظائف الخلية بكفاءة، وفي محاولة واحدة من هذا النوع لحل لغز طي البروتين، قام الباحثون في جامعة هارفارد بتجربة في عام 2012 وكانت النتائج ناجحة. استخدموا الكمبيوتر الكمي القوي الذي تم تطويره بواسطة D-Wave واكتشفوا تكوينا أقل للأحماض الأمينية التي لم يتم العثور عليها من قبل، وكان هذا إنجازا كبيرا في نمذجة طي البروتين بدقة عالية.

خدمات مالية أفضل

قد أنشأت D-Wave فعلا كمبيوترا كموميا تجاريا يسمى D-Wave 2000Q، يحتوي على حوالي 2000 كيلو بايت، ومع ذلك فهو مكلف جدا ويستخدمه فقط عدد قليل من المؤسسات لأغراض البحث. يمكن أيضا استخدام كمبيوتر D-Wave الكمومي للتعامل مع الحسابات المالية المعقدة ومشكلات إدارة المخاطر. يمكن أيضا استخدامه لمقارنة وتحسين النماذج المالية الجديدة وتقليل المخاطر العالمية الرئيسية. ومع ذلك، بالنسبة للنظام المالي العالمي، سيكون هناك حاجة إلى كمبيوتر كمومي أكثر قوة يتم إجراء البحث والتطوير عليه.

تحسين التدفق المروري

تُعَدُّ الزحامات المرورية أحد المشاكل الرئيسية التي يمكن أن تحدث في المدن في أي وقت. وعادةً ما يقوم الأشخاص بالاستيقاظ في الصباح الباكر للوصول إلى مكان العمل في وقت مبكر لتجنب الزحامات المرورية، ولكنهم يظلون عالقين ويصلون إلى مكان العمل في وقت متأخر بعد عدة محاولات.

تعمل Volkswagen على تخفيف الازدحام المروري والتحكم في حركة المرور، وجربوا في عام 2017 استخدام الكمبيوتر الكمي لإيجاد الطرق الأمثل لعدد من السيارات، ونجحت هذه الطريقة في تحسين طرق 10000 سيارة في بكين، وأشاروا إلى أن عملية التحسين كانت أسرع بكثير باستخدام الكمبيوتر الكمي بدلا من الكمبيوتر الكلاسيكي.

أفضل تغطية للبيانات المتنقلة

ربما واجهت العديد من المواقع في مدينتك حيث يكون استقبال بيانات الجوال أو تغطية القمر الصناعي فيها سيئا للغاية، تنشأ مشكلة التغطية السيئة عندما تكون الأقمار الصناعية غير قادرة على تغطية المنطقة بالكامل، ويرجع ذلك إلى حقيقة أن هناك عددا كبيرا جدا من المجموعات في محاذاة الأقمار الصناعية، ويجب 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.

اقترحت ورقة علمية نشرت في عام 2017 أن تقنية التربيع الثنائي غير المقيد (QUBO) يمكن تنفيذها على أجهزة الكمبيوتر الكمي الصلب لتسريع عملية التحسين، وعلى الرغم من أن العملية ستحصل على سرعات كبيرة، إلا أنها لن تتمكن من تغطية جميع المناطق ذات التغطية السيئة، لذلك يمكن الاعتماد على طرق أفضل.