يتناول المقال "السباق لقيادة المستقبل الكمّي" للكتّاب تشارينا تشو، جيمس مانيكا، وهارتموت نيفن، والمنشور في مجلة Foreign Affairs، التقدم المتسارع في الحوسبة الكمّية وتأثيراتها المستقبلية على الأمن القومي والاقتصاد العالمي. في حين أن الحواسيب الكمّية لا تزال في مراحلها الأولى، فإن العديد من الحكومات والشركات حول العالم، وخاصة في الولايات المتحدة والصين، تستثمر مليارات الدولارات في تطوير هذه التقنية الثورية. يوضح المقال أن الحوسبة الكمّية تتميز بقدرتها على حل المشكلات الحسابية المعقدة التي تعجز الحواسيب التقليدية عن التعامل معها، مما يفتح الباب أمام تحسينات غير مسبوقة في مجالات مثل الأمن السيبراني، والصناعات الدوائية، والطاقة. كما يشير إلى أن أحد أكبر التحديات التي تواجه هذه التقنية هو الحاجة إلى معالجات كمّية مستقرة وفعالة، إلى جانب التعاون بين الحكومات، والقطاع الخاص، والأوساط الأكاديمية لضمان تقدم هذه التكنولوجيا في البيئات المفتوحة والديمقراطية.
يؤكد المقال أيضًا على أن التفوق في الحوسبة الكمّية أصبح ساحة تنافس عالمي، لا سيما بين الولايات المتحدة والصين، حيث تتسابق الدول الكبرى لتطوير بنية تحتية، وسلاسل توريد، وسياسات علمية وتقنية تضمن ريادتها في هذا المجال. في حين أن هناك مخاوف من إساءة استخدام الحوسبة الكمّية، مثل تهديدها لأمن البيانات والتشفير التقليدي، فإن المقال يشدد على أهمية التعاون الدولي والتشريعات المنظمة لضمان استخدام هذه التقنية بشكل مسؤول. كما يناقش كيف أن النجاحات السابقة في سباق الفضاء وفك شفرة الجينوم البشري تُظهر أن التعاون الدولي والالتزام طويل الأمد يمكن أن يسرّع الابتكار ويضمن تحقيق الفوائد بأمان. في النهاية، يشدد المقال على أن الدول الديمقراطية يجب أن تقود تطوير وإدارة هذه التقنية، وإلا فإنها قد تخسر السباق لصالح الأنظمة الاستبدادية، مما قد يؤدي إلى اضطرابات اقتصادية وجيوسياسية كبرى.
يؤكد المقال أيضًا على أن التفوق في الحوسبة الكمّية أصبح ساحة تنافس عالمي، لا سيما بين الولايات المتحدة والصين، حيث تتسابق الدول الكبرى لتطوير بنية تحتية، وسلاسل توريد، وسياسات علمية وتقنية تضمن ريادتها في هذا المجال. في حين أن هناك مخاوف من إساءة استخدام الحوسبة الكمّية، مثل تهديدها لأمن البيانات والتشفير التقليدي، فإن المقال يشدد على أهمية التعاون الدولي والتشريعات المنظمة لضمان استخدام هذه التقنية بشكل مسؤول. كما يناقش كيف أن النجاحات السابقة في سباق الفضاء وفك شفرة الجينوم البشري تُظهر أن التعاون الدولي والالتزام طويل الأمد يمكن أن يسرّع الابتكار ويضمن تحقيق الفوائد بأمان. في النهاية، يشدد المقال على أن الدول الديمقراطية يجب أن تقود تطوير وإدارة هذه التقنية، وإلا فإنها قد تخسر السباق لصالح الأنظمة الاستبدادية، مما قد يؤدي إلى اضطرابات اقتصادية وجيوسياسية كبرى.
ترجمة المقال
على مدار السنوات القليلة الماضية، ومع التقدم السريع في الذكاء الاصطناعي الذي حظي باهتمام عام هائل وتدقيق نقدي مكثف، كانت هناك تقنية حاسمة أخرى تتطور إلى حد كبير بعيدًا عن الأنظار العامة. فبعد أن كانت محصورة في نطاق النظرية المجردة، تسعى الحوسبة الكمّية إلى استخدام العمليات القائمة على ميكانيكا الكم لحل المشكلات الحسابية التي كانت تعتبر سابقًا غير قابلة للحل. وعلى الرغم من أن هذه التقنية لا تزال في مراحلها الأولى، فمن الواضح بالفعل أن الحوسبة الكمّية يمكن أن يكون لها آثار عميقة على الأمن القومي والاقتصاد العالمي في العقود القادمة.
منذ أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، انخرطت الولايات المتحدة والعديد من الدول المتقدمة الأخرى بشكل متزايد في السباق نحو القيادة في علوم وتكنولوجيا المعلومات الكمّية، وهو مجال يشمل الحوسبة الكمّية، والاتصالات الكمّية، والاستشعار الكمّي. وخلال العقد الماضي، أعلنت حكومات 20 دولة عن استثمارات في تطوير التكنولوجيا الكمّية بإجمالي يتجاوز 40 مليار دولار على مستوى العالم؛ حيث خصصت الصين وحدها 15.3 مليار دولار على مدى خمس سنوات. وفي عام 2016، صنّفت بكين تطوير التقنيات الكمّية كأولوية وطنية، وأنشأت مراكز متقدمة للإنتاج. من جانبها، أقرت الولايات المتحدة في عام 2018 "المبادرة الوطنية للكمّ"، وهي تشريع يهدف إلى الحفاظ على ريادة البلاد التكنولوجية والعلمية في مجال المعلومات الكمّية وتطبيقاتها. وقد أعلنت الحكومة الأمريكية عن تمويل غير مصنف بقيمة 3.7 مليار دولار، بالإضافة إلى مزيد من التمويل المخصص لأبحاث وتطوير الدفاع. وإلى جانب المبادرات التي تقودها الحكومات، هناك جهود بحث وتطوير متعددة جارية في القطاع الخاص والأوساط الأكاديمية.
وعلى الرغم من أن هذه الاستثمارات لا تزال ضئيلة مقارنةً بالتمويل الأمريكي والدولي الموجه للذكاء الاصطناعي، إلا أن صعود التكنولوجيا الكمّية بدأ بالفعل في تشكيل السياسات الدولية. ففي عام 2019، أعلنت الولايات المتحدة عن "بيان تعاون كمّي" ثنائي مع اليابان، وهو الاتفاق الذي عززته الحكومة الأمريكية في عام 2023. وفي عام 2024، أنشأت واشنطن مبادرة متعددة الأطراف تُعرف باسم "مجموعة تطوير الكمّ" لتنسيق استراتيجيات تطوير وإدارة هذه التقنية الجديدة. كما ناقشت الولايات المتحدة قضايا الكمّ ضمن العديد من المنتديات الاقتصادية والأمنية، بما في ذلك "أوكوس" (الاتفاق الدفاعي الثلاثي بين أستراليا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة)، و"الحوار الأمني الرباعي" (الكواد) الذي يضم أستراليا والهند واليابان والولايات المتحدة، ومجلس التجارة والتكنولوجيا الأمريكي-الأوروبي. وفي إشارة إلى تزايد القلق بشأن هذه التقنية في واشنطن، جادل أحد المحللين في "مركز الأمن الأمريكي الجديد" في نوفمبر، بعد الانتخابات الرئاسية الأمريكية، بأن الإدارة القادمة يجب أن "تتحرك بسرعة خلال الأيام المئة الأولى لإعادة تنشيط القدرة التنافسية الأمريكية في مجال الكمّ".
حتى الآن، تم النظر إلى ظهور التكنولوجيا الكمّية في المقام الأول باعتباره قضية تتعلق بالأمن القومي. فمنذ التسعينيات، أدرك الباحثون أن أحد أكبر التهديدات التي قد يشكلها الكمبيوتر الكمّي القوي هو قدرته على كسر الشفرات، مما يجعله قادرًا على اختراق التشفير المستخدم في أكثر أنظمة الاتصالات والشبكات الرقمية تطورًا في العالم اليوم. وقد دفع هذا القلق الحكومة الأمريكية إلى تطوير والدعوة إلى اعتماد التشفير المقاوم للكمّ، وتعزيز ضوابط التصدير على التكنولوجيا الكمّية والمنتجات ذات الصلة، وبناء شراكات عملية مع الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومات المحلية.
لكن التركيز على كسر الشفرات أدى إلى تجاهل صانعي السياسات للتطبيقات المهمة الأخرى للتكنولوجيا الكمّية. في الواقع، قبل أن تصبح الحواسيب الكمّية قادرة على فك أنظمة التشفير المتقدمة—وهي قدرة ستتطلب قوة حسابية هائلة حتى بعد تطوير التكنولوجيا—يمكن أن يكون لها تأثير تحولي في العديد من القطاعات الاقتصادية، بما في ذلك الطاقة والصناعات الدوائية. إذا تم استغلالها بفعالية، يمكن أن تحفّز التقنيات الكمّية الابتكار، والاكتشافات العلمية، والنمو الاقتصادي، وخلق الفرص. وبالنظر إلى التأثير البشري الهائل، فإن بعض الإنجازات التي يمكن أن تحققها الحواسيب الكمّية قد تضاهي تلك التي يُتوقع أن تأتي من الذكاء الاصطناعي. ولهذا السبب، من المهم بشكل خاص أن يتم تطوير هذه التكنولوجيا في المجتمعات المفتوحة، مع وجود ضوابط واضحة لضمان استخدامها لأغراض حميدة.
لن يكون الفوز في سباق الكمّ أمرًا سهلاً. فقد أخذت الصين زمام المبادرة بالفعل في بعض المجالات مثل الاتصالات الكمّية، وخلال السنوات القادمة، سيكون من الضروري أن تركز الولايات المتحدة على الابتكار والقيادة للحفاظ على قدرتها التنافسية. وستحتاج الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون إلى تخصيص موارد أكبر بكثير لإنجاح مشاريعهم الكمّية، كما سيكون عليهم تطوير صناعات كمّية وسلسلة إمداد قوية لدعم هذه المشاريع. وإذا فشلت الولايات المتحدة وحلفاؤها في جعل هذه الجهود هدفًا استراتيجيًا رئيسيًا وأولوية في صنع السياسات، فقد يخسرون نفوذهم الدبلوماسي، وقوتهم العسكرية، والقدرة على الإشراف على هذه التكنولوجيا القوية. كما أنهم قد يفوتون فرصة تمهيد طريق جديد للتقدم الاقتصادي والاجتماعي.
منذ أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، انخرطت الولايات المتحدة والعديد من الدول المتقدمة الأخرى بشكل متزايد في السباق نحو القيادة في علوم وتكنولوجيا المعلومات الكمّية، وهو مجال يشمل الحوسبة الكمّية، والاتصالات الكمّية، والاستشعار الكمّي. وخلال العقد الماضي، أعلنت حكومات 20 دولة عن استثمارات في تطوير التكنولوجيا الكمّية بإجمالي يتجاوز 40 مليار دولار على مستوى العالم؛ حيث خصصت الصين وحدها 15.3 مليار دولار على مدى خمس سنوات. وفي عام 2016، صنّفت بكين تطوير التقنيات الكمّية كأولوية وطنية، وأنشأت مراكز متقدمة للإنتاج. من جانبها، أقرت الولايات المتحدة في عام 2018 "المبادرة الوطنية للكمّ"، وهي تشريع يهدف إلى الحفاظ على ريادة البلاد التكنولوجية والعلمية في مجال المعلومات الكمّية وتطبيقاتها. وقد أعلنت الحكومة الأمريكية عن تمويل غير مصنف بقيمة 3.7 مليار دولار، بالإضافة إلى مزيد من التمويل المخصص لأبحاث وتطوير الدفاع. وإلى جانب المبادرات التي تقودها الحكومات، هناك جهود بحث وتطوير متعددة جارية في القطاع الخاص والأوساط الأكاديمية.
وعلى الرغم من أن هذه الاستثمارات لا تزال ضئيلة مقارنةً بالتمويل الأمريكي والدولي الموجه للذكاء الاصطناعي، إلا أن صعود التكنولوجيا الكمّية بدأ بالفعل في تشكيل السياسات الدولية. ففي عام 2019، أعلنت الولايات المتحدة عن "بيان تعاون كمّي" ثنائي مع اليابان، وهو الاتفاق الذي عززته الحكومة الأمريكية في عام 2023. وفي عام 2024، أنشأت واشنطن مبادرة متعددة الأطراف تُعرف باسم "مجموعة تطوير الكمّ" لتنسيق استراتيجيات تطوير وإدارة هذه التقنية الجديدة. كما ناقشت الولايات المتحدة قضايا الكمّ ضمن العديد من المنتديات الاقتصادية والأمنية، بما في ذلك "أوكوس" (الاتفاق الدفاعي الثلاثي بين أستراليا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة)، و"الحوار الأمني الرباعي" (الكواد) الذي يضم أستراليا والهند واليابان والولايات المتحدة، ومجلس التجارة والتكنولوجيا الأمريكي-الأوروبي. وفي إشارة إلى تزايد القلق بشأن هذه التقنية في واشنطن، جادل أحد المحللين في "مركز الأمن الأمريكي الجديد" في نوفمبر، بعد الانتخابات الرئاسية الأمريكية، بأن الإدارة القادمة يجب أن "تتحرك بسرعة خلال الأيام المئة الأولى لإعادة تنشيط القدرة التنافسية الأمريكية في مجال الكمّ".
حتى الآن، تم النظر إلى ظهور التكنولوجيا الكمّية في المقام الأول باعتباره قضية تتعلق بالأمن القومي. فمنذ التسعينيات، أدرك الباحثون أن أحد أكبر التهديدات التي قد يشكلها الكمبيوتر الكمّي القوي هو قدرته على كسر الشفرات، مما يجعله قادرًا على اختراق التشفير المستخدم في أكثر أنظمة الاتصالات والشبكات الرقمية تطورًا في العالم اليوم. وقد دفع هذا القلق الحكومة الأمريكية إلى تطوير والدعوة إلى اعتماد التشفير المقاوم للكمّ، وتعزيز ضوابط التصدير على التكنولوجيا الكمّية والمنتجات ذات الصلة، وبناء شراكات عملية مع الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومات المحلية.
لكن التركيز على كسر الشفرات أدى إلى تجاهل صانعي السياسات للتطبيقات المهمة الأخرى للتكنولوجيا الكمّية. في الواقع، قبل أن تصبح الحواسيب الكمّية قادرة على فك أنظمة التشفير المتقدمة—وهي قدرة ستتطلب قوة حسابية هائلة حتى بعد تطوير التكنولوجيا—يمكن أن يكون لها تأثير تحولي في العديد من القطاعات الاقتصادية، بما في ذلك الطاقة والصناعات الدوائية. إذا تم استغلالها بفعالية، يمكن أن تحفّز التقنيات الكمّية الابتكار، والاكتشافات العلمية، والنمو الاقتصادي، وخلق الفرص. وبالنظر إلى التأثير البشري الهائل، فإن بعض الإنجازات التي يمكن أن تحققها الحواسيب الكمّية قد تضاهي تلك التي يُتوقع أن تأتي من الذكاء الاصطناعي. ولهذا السبب، من المهم بشكل خاص أن يتم تطوير هذه التكنولوجيا في المجتمعات المفتوحة، مع وجود ضوابط واضحة لضمان استخدامها لأغراض حميدة.
لن يكون الفوز في سباق الكمّ أمرًا سهلاً. فقد أخذت الصين زمام المبادرة بالفعل في بعض المجالات مثل الاتصالات الكمّية، وخلال السنوات القادمة، سيكون من الضروري أن تركز الولايات المتحدة على الابتكار والقيادة للحفاظ على قدرتها التنافسية. وستحتاج الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون إلى تخصيص موارد أكبر بكثير لإنجاح مشاريعهم الكمّية، كما سيكون عليهم تطوير صناعات كمّية وسلسلة إمداد قوية لدعم هذه المشاريع. وإذا فشلت الولايات المتحدة وحلفاؤها في جعل هذه الجهود هدفًا استراتيجيًا رئيسيًا وأولوية في صنع السياسات، فقد يخسرون نفوذهم الدبلوماسي، وقوتهم العسكرية، والقدرة على الإشراف على هذه التكنولوجيا القوية. كما أنهم قد يفوتون فرصة تمهيد طريق جديد للتقدم الاقتصادي والاجتماعي.
في كل مكان وفي وقت واحد
تم اقتراح مفهوم الحاسوب الكمّي لأول مرة من قبل الفيزيائي النظري والحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان في عام 1981. نشأ فاينمان في عصر بزوغ ميكانيكا الكم، عندما بدأ العلماء في إدراك أن الذرات، والإلكترونات، والضوء، وغيرها من الأجسام على المستوى دون النانوي—وهي اللبنات الأساسية لكل شيء في الكون—تخضع لقوانين مختلفة جوهريًا عن تلك التي تحكم العالم المألوف لدينا. فعلى عكس الكرة، على سبيل المثال، التي تتبع القوانين المباشرة للميكانيكا الكلاسيكية، تتصرف الإلكترونات كجسيمات وأمواج في آنٍ واحد، ولا يمكن تحديد موقعها بدقة تامة.
كانت رؤية فاينمان أن الفهم الحقيقي للعالم الكمّي—والكون نفسه—يتطلب بناء حاسوب يعمل وفق القوانين نفسها. قال فاينمان: "الطبيعة ليست كلاسيكية، اللعنة! وإذا كنت تريد محاكاة الطبيعة، فمن الأفضل أن تكون كمّية."
لقد ثبت أن رؤية فاينمان كانت ثاقبة. فعلى مدى العقود الأربعة التي تلت، غيّرت الحواسيب التي تتبع التصميم "الكلاسيكي" العالم بشكل جذري: فالهواتف المحمولة اليوم، بحجم الجيب، أقوى بمليون مرة من الحواسيب الشخصية الضخمة في الثمانينيات. كما أن قانون مور—وهو التنبؤ بأن عدد الترانزستورات على شريحة الحاسوب سيتضاعف كل عامين—لا يزال ساريًا إلى حد كبير في صناعة أشباه الموصلات، على الرغم من التوقعات المتكررة بانهياره. وتستطيع أفضل الحواسيب الفائقة اليوم تنفيذ كوينتيليون—أي مليار مليار—عملية في الثانية. ومع ذلك، وبينما تنضج هذه الثورة، أصبح من الواضح بشكل متزايد أن بعض العمليات الحسابية تظل خارج نطاق قدرة حتى أفضل الحواسيب الكلاسيكية.
يعود ذلك إلى أن التقنيات الحاسوبية الحالية مقيدة بالمبدأ الأساسي الذي تقوم عليه. فجميع أشكال الحوسبة الكلاسيكية، سواء كان الأمر يتعلق بالأباكوس، أو الحواسيب المحمولة، أو العناقيد الحاسوبية عالية الأداء في منشآت الأمن القومي، تعتمد على ما يسميه الباحثون منطق بوليان. في هذا النظام، تكون الوحدة الأساسية للمعلومات هي "بت"، وهي كيان يمكن أن يكون في حالة واحدة من حالتين، تُعرّف تقليديًا على أنها 0 أو 1. وعلى الرغم من أن هذا النظام أثبت فعاليته العالية في العديد من أنواع الحسابات، إلا أنه لا يستطيع معالجة المسائل ذات التعقيد الهائل، مثل تحليل عدد مكوّن من ألف رقم، أو حساب ديناميكيات التفاعل لجزيء يحتوي على مئات الذرات، أو حل بعض مشاكل التحسين المعقدة التي تظهر في مجالات متعددة.
في المقابل، من خلال استغلال ميكانيكا الكم، لا تواجه الحوسبة الكمّية هذه القيود. فإحدى دروس الفيزياء الكمّية—وهي فكرة مذهلة ومخالفة للحدس—هي أن الجسيمات يمكن أن توجد في مزيج متزامن من حالات متعددة. ونتيجة لذلك، بدلاً من "البتات" التي تعمل على مبدأ إما-أو، تستخدم الحوسبة الكمّية البت الكمّي أو الكيوبت (Qubit)، وهو نظام يمكن أن يكون في حالتي 0 و1 في الوقت نفسه. توفر هذه القدرة على التواجد في حالتين معًا، والتي تُعرف باسم التراكب الكمّي (Superposition)، ميزة حسابية هائلة تتعاظم كلما زاد عدد الكيوبتات التي تعمل معًا. في حين أن الحاسوب الكلاسيكي يجب أن يعالج كل حالة بشكل متسلسل، فإن الحاسوب الكمّي يمكنه استكشاف العديد من الاحتمالات في وقت واحد. فكر في محاولة العثور على المسار الصحيح داخل متاهة: يجب على الحاسوب الكلاسيكي تجربة كل مسار واحدًا تلو الآخر، بينما يمكن للحاسوب الكمّي استكشاف العديد من المسارات في آنٍ واحد، مما يجعله أسرع بأوامر من الحجم في بعض المهام. ومن المهم ملاحظة أنه على عكس ما قد يُفهم، فإن الحاسوب الكمّي ليس مجرد مجموعة ضخمة من الحواسيب الكلاسيكية تعمل بالتوازي. وعلى الرغم من أن هناك عددًا هائلًا من الإجابات المحتملة التي يمكن استكشافها عبر المعالج الكمّي، فإن نتيجة واحدة فقط يمكن قياسها في النهاية. لذا، فإن استخراج حل من الحاسوب الكمّي يتطلب برمجة ذكية تعزز الإجابة الصحيحة.
التحدي الرئيسي يتمثل في كيفية بناء معالجات كمّية كبيرة ومستقرة بما يكفي لإنتاج نتائج موثوقة للمشكلات المهمة. فهذه المعالجات تكون حساسة للغاية لبيئتها ويمكن أن تتأثر بسهولة بالتغيرات في درجة الحرارة، والاهتزازات، وغيرها من الاضطرابات، مما يؤدي إلى أخطاء في النظام. وبما أن دقة العمليات الحسابية تعتمد على الحفاظ على تماسك الكيوبتات، يستثمر الباحثون بكثافة في تحسين جودة الكيوبت، من خلال تصاميم جديدة، وعمليات تصنيع رقائق متقدمة، وتقنيات تصحيح الأخطاء الكمّية.
في الوقت الحالي، هناك مجموعة واسعة من الطرق لتصميم الكيوبتات، لكل منها مزاياها وعيوبها. من الناحية النظرية، يمكن تحويل أي نظام كمّي—مثل الذرات، أو الجزيئات، أو الأيونات، أو الفوتونات—إلى كيوبت. ولكن في الممارسة العملية، تحدد عوامل مثل إمكانية التصنيع، والتحكم، والأداء، وسرعة الحساب المسارات الأكثر جدوى. وتشمل أبرز الجهود الحالية الكيوبتات المعتمدة على الموصلات الفائقة، والذرات المتعادلة، والفوتونات، ومصائد الأيونات. ولا يزال من غير الواضح أي من هذه الطرق، إن وجدت، سيكون الأكثر نجاحًا.
وبالإضافة إلى بناء المعالج الكمّي نفسه، هناك تحديات أخرى مثل كيفية تعبئة الكيوبتات، ونقل إشاراتها، وتشغيل التطبيقات الكمّية. يحتاج الباحثون إلى ثلاجات تبريد فائقة يمكنها تبريد الكيوبتات فائقة التوصيل إلى أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق، مما يوفر بيئة شديدة البرودة، ومظلمة، وهادئة لتشغيلها. ويأتي الخبراء في هذه المجالات المتخصصة من مصادر متنوعة في العديد من الدول.
اليوم، هناك العديد من الشركات المتخصصة في الحوسبة الكمّية "متكاملة الخدمات"، بما في ذلك أمازون، وجوجل، وآي بي إم، وكويرا (QuEra)، التي تحاول دمج المكونات في منتج نهائي جاهز للاستخدام. بعبارة أخرى، تواجه الحوسبة الكمّية اليوم العديد من التحديات والمجهولات، وسيتطلب تطويرها المستمر سلسلة من الابتكارات الهندسية. ما هو واضح هو أنه لكي تنجح أي من هذه الأساليب، يجب أن تكون موثوقة، وقابلة للتوسيع، وفعالة من حيث التكلفة.
كانت رؤية فاينمان أن الفهم الحقيقي للعالم الكمّي—والكون نفسه—يتطلب بناء حاسوب يعمل وفق القوانين نفسها. قال فاينمان: "الطبيعة ليست كلاسيكية، اللعنة! وإذا كنت تريد محاكاة الطبيعة، فمن الأفضل أن تكون كمّية."
لقد ثبت أن رؤية فاينمان كانت ثاقبة. فعلى مدى العقود الأربعة التي تلت، غيّرت الحواسيب التي تتبع التصميم "الكلاسيكي" العالم بشكل جذري: فالهواتف المحمولة اليوم، بحجم الجيب، أقوى بمليون مرة من الحواسيب الشخصية الضخمة في الثمانينيات. كما أن قانون مور—وهو التنبؤ بأن عدد الترانزستورات على شريحة الحاسوب سيتضاعف كل عامين—لا يزال ساريًا إلى حد كبير في صناعة أشباه الموصلات، على الرغم من التوقعات المتكررة بانهياره. وتستطيع أفضل الحواسيب الفائقة اليوم تنفيذ كوينتيليون—أي مليار مليار—عملية في الثانية. ومع ذلك، وبينما تنضج هذه الثورة، أصبح من الواضح بشكل متزايد أن بعض العمليات الحسابية تظل خارج نطاق قدرة حتى أفضل الحواسيب الكلاسيكية.
يعود ذلك إلى أن التقنيات الحاسوبية الحالية مقيدة بالمبدأ الأساسي الذي تقوم عليه. فجميع أشكال الحوسبة الكلاسيكية، سواء كان الأمر يتعلق بالأباكوس، أو الحواسيب المحمولة، أو العناقيد الحاسوبية عالية الأداء في منشآت الأمن القومي، تعتمد على ما يسميه الباحثون منطق بوليان. في هذا النظام، تكون الوحدة الأساسية للمعلومات هي "بت"، وهي كيان يمكن أن يكون في حالة واحدة من حالتين، تُعرّف تقليديًا على أنها 0 أو 1. وعلى الرغم من أن هذا النظام أثبت فعاليته العالية في العديد من أنواع الحسابات، إلا أنه لا يستطيع معالجة المسائل ذات التعقيد الهائل، مثل تحليل عدد مكوّن من ألف رقم، أو حساب ديناميكيات التفاعل لجزيء يحتوي على مئات الذرات، أو حل بعض مشاكل التحسين المعقدة التي تظهر في مجالات متعددة.
في المقابل، من خلال استغلال ميكانيكا الكم، لا تواجه الحوسبة الكمّية هذه القيود. فإحدى دروس الفيزياء الكمّية—وهي فكرة مذهلة ومخالفة للحدس—هي أن الجسيمات يمكن أن توجد في مزيج متزامن من حالات متعددة. ونتيجة لذلك، بدلاً من "البتات" التي تعمل على مبدأ إما-أو، تستخدم الحوسبة الكمّية البت الكمّي أو الكيوبت (Qubit)، وهو نظام يمكن أن يكون في حالتي 0 و1 في الوقت نفسه. توفر هذه القدرة على التواجد في حالتين معًا، والتي تُعرف باسم التراكب الكمّي (Superposition)، ميزة حسابية هائلة تتعاظم كلما زاد عدد الكيوبتات التي تعمل معًا. في حين أن الحاسوب الكلاسيكي يجب أن يعالج كل حالة بشكل متسلسل، فإن الحاسوب الكمّي يمكنه استكشاف العديد من الاحتمالات في وقت واحد. فكر في محاولة العثور على المسار الصحيح داخل متاهة: يجب على الحاسوب الكلاسيكي تجربة كل مسار واحدًا تلو الآخر، بينما يمكن للحاسوب الكمّي استكشاف العديد من المسارات في آنٍ واحد، مما يجعله أسرع بأوامر من الحجم في بعض المهام. ومن المهم ملاحظة أنه على عكس ما قد يُفهم، فإن الحاسوب الكمّي ليس مجرد مجموعة ضخمة من الحواسيب الكلاسيكية تعمل بالتوازي. وعلى الرغم من أن هناك عددًا هائلًا من الإجابات المحتملة التي يمكن استكشافها عبر المعالج الكمّي، فإن نتيجة واحدة فقط يمكن قياسها في النهاية. لذا، فإن استخراج حل من الحاسوب الكمّي يتطلب برمجة ذكية تعزز الإجابة الصحيحة.
التحدي الرئيسي يتمثل في كيفية بناء معالجات كمّية كبيرة ومستقرة بما يكفي لإنتاج نتائج موثوقة للمشكلات المهمة. فهذه المعالجات تكون حساسة للغاية لبيئتها ويمكن أن تتأثر بسهولة بالتغيرات في درجة الحرارة، والاهتزازات، وغيرها من الاضطرابات، مما يؤدي إلى أخطاء في النظام. وبما أن دقة العمليات الحسابية تعتمد على الحفاظ على تماسك الكيوبتات، يستثمر الباحثون بكثافة في تحسين جودة الكيوبت، من خلال تصاميم جديدة، وعمليات تصنيع رقائق متقدمة، وتقنيات تصحيح الأخطاء الكمّية.
في الوقت الحالي، هناك مجموعة واسعة من الطرق لتصميم الكيوبتات، لكل منها مزاياها وعيوبها. من الناحية النظرية، يمكن تحويل أي نظام كمّي—مثل الذرات، أو الجزيئات، أو الأيونات، أو الفوتونات—إلى كيوبت. ولكن في الممارسة العملية، تحدد عوامل مثل إمكانية التصنيع، والتحكم، والأداء، وسرعة الحساب المسارات الأكثر جدوى. وتشمل أبرز الجهود الحالية الكيوبتات المعتمدة على الموصلات الفائقة، والذرات المتعادلة، والفوتونات، ومصائد الأيونات. ولا يزال من غير الواضح أي من هذه الطرق، إن وجدت، سيكون الأكثر نجاحًا.
وبالإضافة إلى بناء المعالج الكمّي نفسه، هناك تحديات أخرى مثل كيفية تعبئة الكيوبتات، ونقل إشاراتها، وتشغيل التطبيقات الكمّية. يحتاج الباحثون إلى ثلاجات تبريد فائقة يمكنها تبريد الكيوبتات فائقة التوصيل إلى أجزاء من الألف من الدرجة فوق الصفر المطلق، مما يوفر بيئة شديدة البرودة، ومظلمة، وهادئة لتشغيلها. ويأتي الخبراء في هذه المجالات المتخصصة من مصادر متنوعة في العديد من الدول.
اليوم، هناك العديد من الشركات المتخصصة في الحوسبة الكمّية "متكاملة الخدمات"، بما في ذلك أمازون، وجوجل، وآي بي إم، وكويرا (QuEra)، التي تحاول دمج المكونات في منتج نهائي جاهز للاستخدام. بعبارة أخرى، تواجه الحوسبة الكمّية اليوم العديد من التحديات والمجهولات، وسيتطلب تطويرها المستمر سلسلة من الابتكارات الهندسية. ما هو واضح هو أنه لكي تنجح أي من هذه الأساليب، يجب أن تكون موثوقة، وقابلة للتوسيع، وفعالة من حيث التكلفة.
آلات الإجابة الجديدة
يتم دفع السباق نحو الوصول إلى حاسوب كمّي كامل النطاق بعدة دوافع. في جوهر الأمر، تعد الحوسبة الكمّية بتوفير إجابات لمشكلات كان يُعتقد سابقًا أنها غير قابلة للحل—ألغاز تستغرق آلاف السنين ليتم حلها بواسطة أفضل الحواسيب الكلاسيكية في العالم. وأشهر هذه المشكلات هو تحليل الأعداد الصحيحة، أو تحليل عدد معين إلى حاصل ضرب عدة أعداد أصغر: حتى أسرع الحواسيب الفائقة غير قادرة على تحليل الأعداد الكبيرة جدًا. وهذا يعني أن أكثر أشكال التشفير تقدمًا—والتي تعتمد على تحليل الأعداد—لا يمكن كسرها حاليًا. ولكن قد تغيّر الحواسيب الكمّية ذلك.
في عام 1994، أثبت عالم الحاسوب بيتر شور أن الحاسوب الكمّي سيكون قادرًا على تحليل الأعداد الكبيرة جدًا. في ذلك الوقت، كان هذا الحاسوب لا يزال في مجال النظرية البحتة، ولكن مع بدء تطور التكنولوجيا، أثارت رؤية شور مخاوف من أن المعالجات الكمّية قد تصبح يومًا ما قادرة على كسر حتى أكثر أنظمة التشفير تطورًا. اليوم، يفترض خبراء الأمن القومي أن الدول والجهات الفاعلة غير الحكومية المعادية تقوم بالفعل بجمع المعلومات المشفرة بانتظار تطور هذه التقنية، وهو نهج يُعرف باسم "خزّن الآن، فكّ التشفير لاحقًا".
ولكن فك التشفير ليس سوى تطبيق واحد محتمل للحواسيب الكمّية، ومن المحتمل أن يكون أكثر من عقد بعيدًا عن التحقق. كما أدرك فاينمان، فإن الاستخدامات الأكثر وضوحًا للحوسبة الكمّية تتعلق بمحاكاة الظواهر الكمّية—أي القدرة على إجراء حسابات دقيقة للأنظمة الكمّية مثل الإلكترونات، والجزيئات، والمواد—وهذه التطبيقات قد تصبح قيد الاستخدام قريبًا. بالفعل، تساهم المعالجات الكمّية اليوم في اكتشافات في عدد من المجالات المتخصصة في الفيزياء، بما في ذلك هندسة الكوازيات، وديناميكيات الأجسام المتعددة، ونقل الدوران، والنقل الفلزي، وبلورات الزمن، وديناميكيات الثقوب الدودية، والمغنطة.
مع حاسوب كمّي متكامل وكامل القدرات، فإن الاحتمالات مذهلة. على سبيل المثال، الأسمدة الزراعية. في الوقت الحالي، تُعد عملية تثبيت النيتروجين—التفاعل الكيميائي المطلوب لإنتاج الأمونيا من غاز النيتروجين—شديدة استهلاك الطاقة، حيث تمثل ما يصل إلى 2٪ من إجمالي استهلاك الطاقة السنوي في العالم. ويرجع ذلك إلى أن المحفزات الصناعية المستخدمة في هذه العملية غير فعالة للغاية. في الواقع، فإن الجزيء الطبيعي FeMoco، وهو محفّز طبيعي لتثبيت النيتروجين بيولوجيًا، أكثر كفاءة بكثير، لكنه لم يتمكن العلماء بعد من تصنيعه كيميائيًا بكميات صناعية، كما أن آلية عمله ثبت أنها معقدة للغاية بحيث لا يمكن فهمها باستخدام التقنيات الحاسوبية الحالية. ولكن مع الحواسيب الكمّية، قد يتمكن الباحثون من إجراء الحسابات الصعبة اللازمة لفهم آلية تفاعل FeMoco، مما يتيح تصميم محفزات مستوحاة منه يمكن أن توفر كميات هائلة من الطاقة.
خذ الصناعات الدوائية كمثال آخر، حيث يجب أن تتفاعل الجزيئات الدوائية بفعالية مع الجزيئات داخل الجسم. لمحاكاة سلوك إنزيم السيتوكروم P450—وهو مجموعة من الإنزيمات المسؤولة إلى حد كبير عن استقلاب الأدوية، وبالتالي عن كيفية استجابة المرضى لها—ستتطلب الحواسيب الكلاسيكية كميات هائلة من القدرة الحاسوبية. ولكن باستخدام الحواسيب الكمّية، يمكن القيام بذلك بكفاءة أعلى بكثير، مما قد يؤدي إلى ابتكارات مهمة في مكافحة الأمراض.
في الصناعات الكيميائية والمادية، يمكن أن تساعد الحوسبة الكمّية في تصميم بطاريات أكثر كفاءة للسيارات الكهربائية وعناصر غير قابلة للتآكل للسفن. وقد تساهم في حل مشكلة تحويل مفاعلات الاندماج النووي إلى مصدر طاقة مستدام.
مجال آخر واعد هو التعلم الآلي. في حين أن الحواسيب الكلاسيكية التي تتعلم من البيانات الكمّية—مثل البيانات الإلكترونية والمغناطيسية وغيرها التي تصف سلوك نظام كمّي—تتطلب كميات هائلة من البيانات ووقت معالجة كبير، فإن الحواسيب الكمّية التي تتعلم من البيانات الكمّية تحتاج إلى عدد أقل بكثير من العينات لإتقان المهمة. بفضل هذه الزيادة الهائلة في الكفاءة، يمكن لهذه الحواسيب التعلم من سلوك عدد لا يحصى من المواد والمواد الكيميائية والتنبؤ به. في الوقت الحالي، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الحواسيب الكمّية ستحظى بميزة في التعلم من البيانات الكلاسيكية—مثل النصوص، والصوتيات، ومقاطع الفيديو التي تشكل أساس أنظمة الذكاء الاصطناعي الحالية. ومع ذلك، فإن الحوسبة الكمّية تستفيد بالفعل من تطورات الذكاء الاصطناعي الكلاسيكي، حيث يستخدم الباحثون النماذج اللغوية الكبيرة، ونماذج المحولات، وهياكل الذكاء الاصطناعي الأخرى للمساعدة في تصميم الأجهزة الكمّية، وتطوير البرمجيات، وتحسين تصحيح الأخطاء الكمّية.
بالطبع، من المنطقي أن تتمتع الحواسيب الكمّية بميزة طبيعية في التطبيقات التي تعتمد على ميكانيكا الكمّ نفسها. ولكن الأمر المثير للدهشة هو أن الحواسيب الكمّية أثبتت قدرتها على تحقيق تقدم هائل في حل بعض أنواع المشكلات غير الكمّية، مثل تحليل الأعداد. في الواقع، اكتشف الباحثون والرياضيون 60 خوارزمية تتيح للحواسيب الكمّية حل المشكلات بسرعة تفوق بكثير نظيراتها الكلاسيكية. بعض هذه التحسينات تتسم بالتسارع الأسي، كما هو موضح في الأمثلة أعلاه، في حين أن البعض الآخر أقل دراماتيكية لكنه لا يزال يوفر مكاسب كبيرة على الحواسيب الكلاسيكية.
إحدى المجالات البحثية المكثفة هي دراسة التحسين (Optimization). عند التعامل مع مجموعة من المتغيرات، يسعى التحسين إلى إيجاد الحل الأكثر كفاءة، وهو أمر يستخدمه المخططون الماليون، ومديرو اللوجستيات في الشحن، ومدربو الرياضة، وغيرهم الكثير. كما أن التحسين هو عنصر أساسي في أنظمة الذكاء الاصطناعي. وبالنظر إلى مدى أهمية عمليات التحسين للاقتصاد العالمي، فإنه إذا تم تنفيذ حتى جزء صغير منها بشكل أسرع وأرخص وباستهلاك أقل للطاقة، فسيكون التأثير غير قابل للقياس.
في عام 1994، أثبت عالم الحاسوب بيتر شور أن الحاسوب الكمّي سيكون قادرًا على تحليل الأعداد الكبيرة جدًا. في ذلك الوقت، كان هذا الحاسوب لا يزال في مجال النظرية البحتة، ولكن مع بدء تطور التكنولوجيا، أثارت رؤية شور مخاوف من أن المعالجات الكمّية قد تصبح يومًا ما قادرة على كسر حتى أكثر أنظمة التشفير تطورًا. اليوم، يفترض خبراء الأمن القومي أن الدول والجهات الفاعلة غير الحكومية المعادية تقوم بالفعل بجمع المعلومات المشفرة بانتظار تطور هذه التقنية، وهو نهج يُعرف باسم "خزّن الآن، فكّ التشفير لاحقًا".
ولكن فك التشفير ليس سوى تطبيق واحد محتمل للحواسيب الكمّية، ومن المحتمل أن يكون أكثر من عقد بعيدًا عن التحقق. كما أدرك فاينمان، فإن الاستخدامات الأكثر وضوحًا للحوسبة الكمّية تتعلق بمحاكاة الظواهر الكمّية—أي القدرة على إجراء حسابات دقيقة للأنظمة الكمّية مثل الإلكترونات، والجزيئات، والمواد—وهذه التطبيقات قد تصبح قيد الاستخدام قريبًا. بالفعل، تساهم المعالجات الكمّية اليوم في اكتشافات في عدد من المجالات المتخصصة في الفيزياء، بما في ذلك هندسة الكوازيات، وديناميكيات الأجسام المتعددة، ونقل الدوران، والنقل الفلزي، وبلورات الزمن، وديناميكيات الثقوب الدودية، والمغنطة.
مع حاسوب كمّي متكامل وكامل القدرات، فإن الاحتمالات مذهلة. على سبيل المثال، الأسمدة الزراعية. في الوقت الحالي، تُعد عملية تثبيت النيتروجين—التفاعل الكيميائي المطلوب لإنتاج الأمونيا من غاز النيتروجين—شديدة استهلاك الطاقة، حيث تمثل ما يصل إلى 2٪ من إجمالي استهلاك الطاقة السنوي في العالم. ويرجع ذلك إلى أن المحفزات الصناعية المستخدمة في هذه العملية غير فعالة للغاية. في الواقع، فإن الجزيء الطبيعي FeMoco، وهو محفّز طبيعي لتثبيت النيتروجين بيولوجيًا، أكثر كفاءة بكثير، لكنه لم يتمكن العلماء بعد من تصنيعه كيميائيًا بكميات صناعية، كما أن آلية عمله ثبت أنها معقدة للغاية بحيث لا يمكن فهمها باستخدام التقنيات الحاسوبية الحالية. ولكن مع الحواسيب الكمّية، قد يتمكن الباحثون من إجراء الحسابات الصعبة اللازمة لفهم آلية تفاعل FeMoco، مما يتيح تصميم محفزات مستوحاة منه يمكن أن توفر كميات هائلة من الطاقة.
خذ الصناعات الدوائية كمثال آخر، حيث يجب أن تتفاعل الجزيئات الدوائية بفعالية مع الجزيئات داخل الجسم. لمحاكاة سلوك إنزيم السيتوكروم P450—وهو مجموعة من الإنزيمات المسؤولة إلى حد كبير عن استقلاب الأدوية، وبالتالي عن كيفية استجابة المرضى لها—ستتطلب الحواسيب الكلاسيكية كميات هائلة من القدرة الحاسوبية. ولكن باستخدام الحواسيب الكمّية، يمكن القيام بذلك بكفاءة أعلى بكثير، مما قد يؤدي إلى ابتكارات مهمة في مكافحة الأمراض.
في الصناعات الكيميائية والمادية، يمكن أن تساعد الحوسبة الكمّية في تصميم بطاريات أكثر كفاءة للسيارات الكهربائية وعناصر غير قابلة للتآكل للسفن. وقد تساهم في حل مشكلة تحويل مفاعلات الاندماج النووي إلى مصدر طاقة مستدام.
مجال آخر واعد هو التعلم الآلي. في حين أن الحواسيب الكلاسيكية التي تتعلم من البيانات الكمّية—مثل البيانات الإلكترونية والمغناطيسية وغيرها التي تصف سلوك نظام كمّي—تتطلب كميات هائلة من البيانات ووقت معالجة كبير، فإن الحواسيب الكمّية التي تتعلم من البيانات الكمّية تحتاج إلى عدد أقل بكثير من العينات لإتقان المهمة. بفضل هذه الزيادة الهائلة في الكفاءة، يمكن لهذه الحواسيب التعلم من سلوك عدد لا يحصى من المواد والمواد الكيميائية والتنبؤ به. في الوقت الحالي، لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت الحواسيب الكمّية ستحظى بميزة في التعلم من البيانات الكلاسيكية—مثل النصوص، والصوتيات، ومقاطع الفيديو التي تشكل أساس أنظمة الذكاء الاصطناعي الحالية. ومع ذلك، فإن الحوسبة الكمّية تستفيد بالفعل من تطورات الذكاء الاصطناعي الكلاسيكي، حيث يستخدم الباحثون النماذج اللغوية الكبيرة، ونماذج المحولات، وهياكل الذكاء الاصطناعي الأخرى للمساعدة في تصميم الأجهزة الكمّية، وتطوير البرمجيات، وتحسين تصحيح الأخطاء الكمّية.
بالطبع، من المنطقي أن تتمتع الحواسيب الكمّية بميزة طبيعية في التطبيقات التي تعتمد على ميكانيكا الكمّ نفسها. ولكن الأمر المثير للدهشة هو أن الحواسيب الكمّية أثبتت قدرتها على تحقيق تقدم هائل في حل بعض أنواع المشكلات غير الكمّية، مثل تحليل الأعداد. في الواقع، اكتشف الباحثون والرياضيون 60 خوارزمية تتيح للحواسيب الكمّية حل المشكلات بسرعة تفوق بكثير نظيراتها الكلاسيكية. بعض هذه التحسينات تتسم بالتسارع الأسي، كما هو موضح في الأمثلة أعلاه، في حين أن البعض الآخر أقل دراماتيكية لكنه لا يزال يوفر مكاسب كبيرة على الحواسيب الكلاسيكية.
إحدى المجالات البحثية المكثفة هي دراسة التحسين (Optimization). عند التعامل مع مجموعة من المتغيرات، يسعى التحسين إلى إيجاد الحل الأكثر كفاءة، وهو أمر يستخدمه المخططون الماليون، ومديرو اللوجستيات في الشحن، ومدربو الرياضة، وغيرهم الكثير. كما أن التحسين هو عنصر أساسي في أنظمة الذكاء الاصطناعي. وبالنظر إلى مدى أهمية عمليات التحسين للاقتصاد العالمي، فإنه إذا تم تنفيذ حتى جزء صغير منها بشكل أسرع وأرخص وباستهلاك أقل للطاقة، فسيكون التأثير غير قابل للقياس.
آلات أسرع، مخاطر أكبر
إن إمكانيات الحوسبة الكمّية ملهمة، لكن حدود هذه التكنولوجيا الحالية تبعث على التواضع. فالوصول من الحواسيب الكمّية اليوم إلى الأنظمة المتقدمة المطلوبة لتطبيقاتها الواعدة سيتطلب دمج مكونات معقدة للغاية والتغلب على عدد لا يحصى من التحديات. ونتيجة لذلك، قد يظل العديد من التطبيقات المتوقعة بعيدًا لسنوات قادمة. وفقًا للتقديرات الحالية، على سبيل المثال، فإن الحاسوب الكمّي القادر على فك التشفير سيتطلب حوالي 40,000 ضعف عدد الكيوبتات الفيزيائية المتاحة اليوم، إضافةً إلى تقليل معدلات الخطأ الفيزيائي بمقدار خمسة أضعاف مقارنةً بأفضل النماذج الأولية الحالية. أما الحواسيب الكمّية القادرة على إجراء حسابات كيميائية بسيطة، فهي أقل تكلفة بحوالي مرتبتين من حيث الحجم، لكنها لا تزال تعتمد على تقنيات أكثر تطورًا بكثير.
إحدى الطرق لقياس مدى تقدم الحوسبة الكمّية هي النظر إلى خريطة الطريق التي نشرتها جوجل في عام 2018. تضمنت الخطة ستة معالم تقنية أساسية مطلوبة لتحقيق حاسوب كمّي كامل النطاق: إثبات أن المعالج الكمّي يمكن أن يتفوق على المعالج الكلاسيكي في مهمة أولى؛ تطوير نموذج أولي للكيوبت المنطقي؛ إثبات كفاءة الكيوبت المنطقي الفعلي؛ بناء بوابة منطقية للعمليات بين كيوبتات منطقية متعددة؛ إنتاج 100 كيوبت منطقي، وهو ما يُعتبر نقطة انطلاق للمحاكاة الكمّية البسيطة؛ وإنتاج 1,000 كيوبت منطقي لمحاكاة أكثر تعقيدًا. (أما الحاسوب الكمّي القادر على فك الشفرات فسيحتاج إلى قدرات أكثر تقدمًا بكثير.)
حققت جوجل بالفعل أول معلمين، وأعلنت في ديسمبر 2024 عن Willow، وهو معالج كمّي جديد قادر على حل خوارزمية قياسية في غضون دقائق، وهي مهمة ستستغرق أسرع الحواسيب الفائقة اليوم 10²⁵ سنة لإكمالها. كما أن شركات أخرى، مثل IBM، وIonQ، وQuEra، نشرت خرائط طريق خاصة بها للوصول إلى حاسوب كمّي واسع النطاق مع تصحيح الأخطاء. في الصين، حقق باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية المعلم الأول الذي حددته جوجل، كما أنهم طوروا معالجات تحتوي على مئات الكيوبتات. وكما هو الحال مع بقية الأطراف الفاعلة في هذا المجال، فمن المؤكد أن الصينيين يمتلكون تطورات أخرى لم يتم الإعلان عنها بعد.
لتقييم الوضع الحالي لسباق الحوسبة الكمّية، أعلنت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA)، الذراع البحثي لوزارة الدفاع الأمريكية، مؤخرًا عن مبادرة لتحديد ما إذا كان أي نهج للحوسبة الكمّية يمكن أن يصل إلى مستوى التشغيل الفعلي بحلول عام 2033. وعلى الرغم من استحالة التنبؤ بوتيرة الابتكار المستقبلي، فقد قدر بعض الباحثين أن النماذج الأولية للحواسيب الكمّية الكاملة النطاق، التي قد تحتوي على عشرة كيوبتات منطقية، قد تكون متاحة بحلول نهاية هذا العقد. وإذا تحقق ذلك، إلى جانب تحسين طرق تصحيح الأخطاء الكمّية وتطوير خوارزميات أكثر كفاءة، فسيقترب العالم بشكل غير مسبوق من القدرة على المحاكاة الكمّية الحقيقية.
وفقًا للتقديرات الحالية، فمن غير المرجح أن يتمكن الباحثون من تطوير أول حاسوب كمّي قادر على فك التشفير—أي حاسوب يحتوي على ملايين الكيوبتات مع تصحيح كافٍ للأخطاء—قبل أواخر الثلاثينيات من القرن الحالي. وحتى عند ذلك، فإن تحليل رقم كبير واحد سيستغرق ساعات. ومع ذلك، من الضروري أن تبدأ الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون في الاستعداد لهذه التقنية الآن.
من المعروف أن الشبكات كانت بطيئة جدًا في تبني معايير أمنية جديدة، حتى بعد توفرها لسنوات طويلة. وسيتطلب تطوير مجموعة من المعايير الأمنية المقاومة للحوسبة الكمّية سنوات من البحث، والاختبار، والتحسين. منذ عام 2016، يقود المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا الأمريكي (NIST) جهودًا لتطوير معايير التشفير لعصر ما بعد الكمّ. وفي أغسطس 2024، أعلن المعهد عن أول مجموعة من ثلاثة خوارزميات تشفير كلاسيكية كمقاييس جاهزة للاستخدام الفوري، مع إرشادات للدمج في أنظمة التشفير والمنتجات الأخرى. وعلى الرغم من أن هذه المجموعة من الخوارزميات غير قابلة للاختراق بواسطة جميع طرق فك التشفير المعروفة اليوم، فمن المحتمل أن يكون أحدها أو أكثر عرضة للهجمات في المستقبل. وقد ازدادت هذه المخاوف في أعقاب أبحاث جديدة تشير إلى أن التشفير العام قد لا يكون آمنًا تمامًا ضد الهجمات الكمّية.
مثل غيرها من التقنيات الجديدة والقوية، فإن الحوسبة الكمّية تحمل وعودًا هائلة، لكنها تجلب أيضًا مخاطر كبيرة. بالإضافة إلى سرقة البيانات واسعة النطاق، والاضطرابات الاقتصادية، والاختراقات الاستخباراتية، يمكن استخدام الحواسيب الكمّية لأغراض ضارة مثل محاكاة وتصنيع الأسلحة الكيميائية أو تحسين مسارات طيران سرب من الطائرات بدون طيار. وكما هو الحال مع الذكاء الاصطناعي، فإن إمكانية إساءة الاستخدام أو الاستغلال تثير أسئلة جوهرية حول من يجب أن يتحكم في التكنولوجيا وكيف يمكن التخفيف من أسوأ التهديدات. سيتعين على صانعي السياسات تحديد كيفية تعظيم الفوائد الاقتصادية والمجتمعية مع تقليل المخاطر. سيحتاج تحقيق هذا التوازن إلى نقاش دقيق داخل المجتمع المدني وفهم عام لإمكانيات التكنولوجيا وأضرارها. هناك عدة سيناريوهات لمستقبل العالم مع الحوسبة الكمّية. السيناريو الأفضل هو أن تقود الديمقراطيات الليبرالية تطوير التكنولوجيا وإدارتها الجماعية. أما السيناريو الأسوأ فهو أن تتخلى الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون، من خلال التقاعس أو الجهود غير الكافية، عن الهيمنة على هذه التكنولوجيا الجديدة لصالح الصين والدول الاستبدادية الأخرى.
إحدى الطرق لقياس مدى تقدم الحوسبة الكمّية هي النظر إلى خريطة الطريق التي نشرتها جوجل في عام 2018. تضمنت الخطة ستة معالم تقنية أساسية مطلوبة لتحقيق حاسوب كمّي كامل النطاق: إثبات أن المعالج الكمّي يمكن أن يتفوق على المعالج الكلاسيكي في مهمة أولى؛ تطوير نموذج أولي للكيوبت المنطقي؛ إثبات كفاءة الكيوبت المنطقي الفعلي؛ بناء بوابة منطقية للعمليات بين كيوبتات منطقية متعددة؛ إنتاج 100 كيوبت منطقي، وهو ما يُعتبر نقطة انطلاق للمحاكاة الكمّية البسيطة؛ وإنتاج 1,000 كيوبت منطقي لمحاكاة أكثر تعقيدًا. (أما الحاسوب الكمّي القادر على فك الشفرات فسيحتاج إلى قدرات أكثر تقدمًا بكثير.)
حققت جوجل بالفعل أول معلمين، وأعلنت في ديسمبر 2024 عن Willow، وهو معالج كمّي جديد قادر على حل خوارزمية قياسية في غضون دقائق، وهي مهمة ستستغرق أسرع الحواسيب الفائقة اليوم 10²⁵ سنة لإكمالها. كما أن شركات أخرى، مثل IBM، وIonQ، وQuEra، نشرت خرائط طريق خاصة بها للوصول إلى حاسوب كمّي واسع النطاق مع تصحيح الأخطاء. في الصين، حقق باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية المعلم الأول الذي حددته جوجل، كما أنهم طوروا معالجات تحتوي على مئات الكيوبتات. وكما هو الحال مع بقية الأطراف الفاعلة في هذا المجال، فمن المؤكد أن الصينيين يمتلكون تطورات أخرى لم يتم الإعلان عنها بعد.
لتقييم الوضع الحالي لسباق الحوسبة الكمّية، أعلنت وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA)، الذراع البحثي لوزارة الدفاع الأمريكية، مؤخرًا عن مبادرة لتحديد ما إذا كان أي نهج للحوسبة الكمّية يمكن أن يصل إلى مستوى التشغيل الفعلي بحلول عام 2033. وعلى الرغم من استحالة التنبؤ بوتيرة الابتكار المستقبلي، فقد قدر بعض الباحثين أن النماذج الأولية للحواسيب الكمّية الكاملة النطاق، التي قد تحتوي على عشرة كيوبتات منطقية، قد تكون متاحة بحلول نهاية هذا العقد. وإذا تحقق ذلك، إلى جانب تحسين طرق تصحيح الأخطاء الكمّية وتطوير خوارزميات أكثر كفاءة، فسيقترب العالم بشكل غير مسبوق من القدرة على المحاكاة الكمّية الحقيقية.
وفقًا للتقديرات الحالية، فمن غير المرجح أن يتمكن الباحثون من تطوير أول حاسوب كمّي قادر على فك التشفير—أي حاسوب يحتوي على ملايين الكيوبتات مع تصحيح كافٍ للأخطاء—قبل أواخر الثلاثينيات من القرن الحالي. وحتى عند ذلك، فإن تحليل رقم كبير واحد سيستغرق ساعات. ومع ذلك، من الضروري أن تبدأ الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون في الاستعداد لهذه التقنية الآن.
من المعروف أن الشبكات كانت بطيئة جدًا في تبني معايير أمنية جديدة، حتى بعد توفرها لسنوات طويلة. وسيتطلب تطوير مجموعة من المعايير الأمنية المقاومة للحوسبة الكمّية سنوات من البحث، والاختبار، والتحسين. منذ عام 2016، يقود المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا الأمريكي (NIST) جهودًا لتطوير معايير التشفير لعصر ما بعد الكمّ. وفي أغسطس 2024، أعلن المعهد عن أول مجموعة من ثلاثة خوارزميات تشفير كلاسيكية كمقاييس جاهزة للاستخدام الفوري، مع إرشادات للدمج في أنظمة التشفير والمنتجات الأخرى. وعلى الرغم من أن هذه المجموعة من الخوارزميات غير قابلة للاختراق بواسطة جميع طرق فك التشفير المعروفة اليوم، فمن المحتمل أن يكون أحدها أو أكثر عرضة للهجمات في المستقبل. وقد ازدادت هذه المخاوف في أعقاب أبحاث جديدة تشير إلى أن التشفير العام قد لا يكون آمنًا تمامًا ضد الهجمات الكمّية.
مثل غيرها من التقنيات الجديدة والقوية، فإن الحوسبة الكمّية تحمل وعودًا هائلة، لكنها تجلب أيضًا مخاطر كبيرة. بالإضافة إلى سرقة البيانات واسعة النطاق، والاضطرابات الاقتصادية، والاختراقات الاستخباراتية، يمكن استخدام الحواسيب الكمّية لأغراض ضارة مثل محاكاة وتصنيع الأسلحة الكيميائية أو تحسين مسارات طيران سرب من الطائرات بدون طيار. وكما هو الحال مع الذكاء الاصطناعي، فإن إمكانية إساءة الاستخدام أو الاستغلال تثير أسئلة جوهرية حول من يجب أن يتحكم في التكنولوجيا وكيف يمكن التخفيف من أسوأ التهديدات. سيتعين على صانعي السياسات تحديد كيفية تعظيم الفوائد الاقتصادية والمجتمعية مع تقليل المخاطر. سيحتاج تحقيق هذا التوازن إلى نقاش دقيق داخل المجتمع المدني وفهم عام لإمكانيات التكنولوجيا وأضرارها. هناك عدة سيناريوهات لمستقبل العالم مع الحوسبة الكمّية. السيناريو الأفضل هو أن تقود الديمقراطيات الليبرالية تطوير التكنولوجيا وإدارتها الجماعية. أما السيناريو الأسوأ فهو أن تتخلى الولايات المتحدة وشركاؤها الدوليون، من خلال التقاعس أو الجهود غير الكافية، عن الهيمنة على هذه التكنولوجيا الجديدة لصالح الصين والدول الاستبدادية الأخرى.
قفزة كمّية
إتقان الحاسوب الكمّي هو مشروع جريء وطموح ومتعدد الأوجه، وليس شيئًا يمكن لأي شركة أو دولة تحقيقه بمفردها. تتطلب الأنظمة الأولية الحالية بالفعل آلاف الأجزاء والأدوات والأجهزة المتخصصة؛ ومرافق تصنيع متقدمة تعمل في درجات حرارة شديدة البرودة؛ وإتقانًا عالميًا في عشرات المجالات التقنية، وكل ذلك مدعوم بمليارات الدولارات من الاستثمارات في البحث والتطوير. ستكون أنظمة الغد أكثر تعقيدًا بشكل ملحوظ. إذا كانت الولايات المتحدة تسعى إلى قيادة هذا السباق، والعمل مع حلفائها الدوليين لبناء أكثر أنظمة الحوسبة الكمّية تقدمًا، فيجب عليها السماح للعاملين في مجال الكمّ بالتعاون عبر القطاعات والحدود. يمكن للتعاون الفعّال أن يمنح الديمقراطيات الليبرالية ميزة كبيرة على الدول الأكثر انغلاقًا واستبدادًا.
بالنسبة للعديد من الشركات التي تعمل على الأنظمة الكمّية اليوم، تعد المعالجات الكمّية الجوهرة الأساسية لملكيتها الفكرية، ويتم تصنيعها داخل بلدانها: جوجل تصنع الرقائق الكمّية في الولايات المتحدة، وتنتج Oxford Quantum Circuits الرقائق الكمّية في المملكة المتحدة، بينما تقوم Alice & Bob بذلك في فرنسا. في كل حالة، يتم استخدام هذه الرقائق لأغراض البحث والتطوير الداخلي؛ وفي بعض الحالات، يتم السماح لأطراف ثالثة بالوصول إلى النماذج الأولية المبكرة. كما أثبت قطاع أشباه الموصلات، هناك مزايا جيوسياسية لأي دولة تحتفظ بالقدرة المحلية على تصنيع مكونات استراتيجية.
ولكن لكي تتمكن الدول من تصنيع المعالجات ودمج أنظمة الحوسبة الكمّية الكاملة محليًا، يجب أن يكون لديها المواهب اللازمة. وهذا يتطلب تعاونًا بين الهيئات الحكومية والصناعات والمؤسسات البحثية والتعليمية. يمكن لشركات الحوسبة الكمّية دعم هذه العملية من خلال مشاركة احتياجاتها المتوقعة من القوى العاملة وتوفير فرص التدريب أثناء العمل. نظرًا لأن المهارات المطلوبة في الحوسبة الكمّية متخصصة للغاية، فلن يكون من الممكن لكل دولة—وربما حتى لأي دولة بمفردها—تطوير جميع المواهب المطلوبة. في عملنا الخاص بالحوسبة الكمّية، نتعاون مع أكثر من 100 مؤسسة أكاديمية وشريك صناعي في جميع أنحاء الولايات المتحدة وأوروبا ومنطقة آسيا والمحيط الهادئ. سيكون من الحكمة أن تنفذ الولايات المتحدة وحلفاؤها سياسات تأشيرات وهجرة وضوابط تصدير تسمح للشركات في هذا القطاع الحاسم بتوظيف أكثر العلماء والمهندسين والفنيين موهبةً. في سبتمبر، اتخذت وزارة التجارة الأمريكية خطوة مهمة في هذا الاتجاه من خلال الإعلان عن قواعد جديدة تتضمن إعفاءً من قيود التصدير لتسهيل توظيف العمال المهرة الدوليين في الولايات المتحدة.
ستحتاج واشنطن وشركاؤها الدوليون أيضًا إلى إنشاء سلاسل إمداد قوية لجميع الأنظمة الفرعية والمكونات التي تدخل في الحوسبة الكمّية. يتم بالفعل إنتاج العديد من المكونات الضرورية في مواقع متفرقة حول العالم، وسيستمر ذلك في المستقبل. على سبيل المثال، يتطلب بناء الكيوبتات فائقة التوصيل العديد من الأدوات نفسها المستخدمة في مرافق تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة التي تملكها شركات مثل إنتل (Intel) وTSMC؛ ويتم تصنيع هذه الأدوات في فرنسا وألمانيا وهولندا والولايات المتحدة، من بين دول أخرى. تتطلب الثلاجات المبردة خبرة لا تمتلكها سوى عدد قليل من الشركات، ومعظمها يقع في المملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي. أما المكونات الأخرى، مثل الإلكترونيات التحكمية والأسلاك، فهي مصممة من قبل شركات متخصصة في إسرائيل واليابان وتايوان، وكذلك في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي. قد تتمكن بعض الدول من إتقان أجزاء معينة من هذه التكنولوجيا، ولكن سيتعين على الدول المتشابهة التفكير التعاون معًا لإكمال اللغز بالكامل وإبقائه بعيدًا عن متناول الدول الاستبدادية.
لكي تحقق الحوسبة الكمّية إمكاناتها الكاملة، ستحتاج إلى عقول إبداعية من تخصصات متعددة لتطوير استخدامات لهذه التكنولوجيا. هناك العديد من المبادرات المبكرة لإنشاء بيئة مطورين، بما في ذلك برنامج Quantum Benchmarking التابع لوكالة DARPA، والذي يقيس التقدم نحو التطبيقات المحتملة، ومسابقة XPRIZE Quantum Applications، وهي مسابقة دولية مدتها ثلاث سنوات بقيمة 5 ملايين دولار تهدف إلى تطوير خوارزميات حوسبة كمّية لمواجهة تحديات العالم الحقيقي. ستأتي الإنجازات من خلال مطوري البرمجيات الذين ينشئون واجهات سهلة للوصول، والأكاديميين وقادة الأعمال الذين يستخدمون هذه الواجهات لحل المشكلات الأكثر أهمية بالنسبة لهم، والمستهلكين والمجتمع المدني الذين يقدمون رؤى حول ما يجدونه أكثر قيمة.
مثل سباق الهبوط على القمر أو مشروع فك تسلسل الجينوم البشري، لا يمكن تحقيق التطوير الناجح والآمن للحوسبة الكمّية بواسطة العلماء وحدهم. سيتطلب الأمر التزامًا طويل الأمد من القطاعين العام والخاص، واستثمارات كبيرة في الموارد والمواهب، ودبلوماسية دولية بعيدة النظر. ستوفر الحواسيب الكمّية فرصًا استثنائية للولايات المتحدة والعديد من الدول حول العالم، لكنها ستطرح أيضًا مخاطر جديدة، بما في ذلك احتمالية إساءة الاستخدام أو الاستغلال، والاضطرابات المحتملة في النظام العالمي. إذا تمت إدارة هذه المخاطر بشكل صحيح، فإن إمكانات الحوسبة الكمّية لتسريع تقدم البشرية وبناء مستقبل أفضل قد تكون مذهلة.
بالنسبة للعديد من الشركات التي تعمل على الأنظمة الكمّية اليوم، تعد المعالجات الكمّية الجوهرة الأساسية لملكيتها الفكرية، ويتم تصنيعها داخل بلدانها: جوجل تصنع الرقائق الكمّية في الولايات المتحدة، وتنتج Oxford Quantum Circuits الرقائق الكمّية في المملكة المتحدة، بينما تقوم Alice & Bob بذلك في فرنسا. في كل حالة، يتم استخدام هذه الرقائق لأغراض البحث والتطوير الداخلي؛ وفي بعض الحالات، يتم السماح لأطراف ثالثة بالوصول إلى النماذج الأولية المبكرة. كما أثبت قطاع أشباه الموصلات، هناك مزايا جيوسياسية لأي دولة تحتفظ بالقدرة المحلية على تصنيع مكونات استراتيجية.
ولكن لكي تتمكن الدول من تصنيع المعالجات ودمج أنظمة الحوسبة الكمّية الكاملة محليًا، يجب أن يكون لديها المواهب اللازمة. وهذا يتطلب تعاونًا بين الهيئات الحكومية والصناعات والمؤسسات البحثية والتعليمية. يمكن لشركات الحوسبة الكمّية دعم هذه العملية من خلال مشاركة احتياجاتها المتوقعة من القوى العاملة وتوفير فرص التدريب أثناء العمل. نظرًا لأن المهارات المطلوبة في الحوسبة الكمّية متخصصة للغاية، فلن يكون من الممكن لكل دولة—وربما حتى لأي دولة بمفردها—تطوير جميع المواهب المطلوبة. في عملنا الخاص بالحوسبة الكمّية، نتعاون مع أكثر من 100 مؤسسة أكاديمية وشريك صناعي في جميع أنحاء الولايات المتحدة وأوروبا ومنطقة آسيا والمحيط الهادئ. سيكون من الحكمة أن تنفذ الولايات المتحدة وحلفاؤها سياسات تأشيرات وهجرة وضوابط تصدير تسمح للشركات في هذا القطاع الحاسم بتوظيف أكثر العلماء والمهندسين والفنيين موهبةً. في سبتمبر، اتخذت وزارة التجارة الأمريكية خطوة مهمة في هذا الاتجاه من خلال الإعلان عن قواعد جديدة تتضمن إعفاءً من قيود التصدير لتسهيل توظيف العمال المهرة الدوليين في الولايات المتحدة.
ستحتاج واشنطن وشركاؤها الدوليون أيضًا إلى إنشاء سلاسل إمداد قوية لجميع الأنظمة الفرعية والمكونات التي تدخل في الحوسبة الكمّية. يتم بالفعل إنتاج العديد من المكونات الضرورية في مواقع متفرقة حول العالم، وسيستمر ذلك في المستقبل. على سبيل المثال، يتطلب بناء الكيوبتات فائقة التوصيل العديد من الأدوات نفسها المستخدمة في مرافق تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة التي تملكها شركات مثل إنتل (Intel) وTSMC؛ ويتم تصنيع هذه الأدوات في فرنسا وألمانيا وهولندا والولايات المتحدة، من بين دول أخرى. تتطلب الثلاجات المبردة خبرة لا تمتلكها سوى عدد قليل من الشركات، ومعظمها يقع في المملكة المتحدة والاتحاد الأوروبي. أما المكونات الأخرى، مثل الإلكترونيات التحكمية والأسلاك، فهي مصممة من قبل شركات متخصصة في إسرائيل واليابان وتايوان، وكذلك في الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي. قد تتمكن بعض الدول من إتقان أجزاء معينة من هذه التكنولوجيا، ولكن سيتعين على الدول المتشابهة التفكير التعاون معًا لإكمال اللغز بالكامل وإبقائه بعيدًا عن متناول الدول الاستبدادية.
لكي تحقق الحوسبة الكمّية إمكاناتها الكاملة، ستحتاج إلى عقول إبداعية من تخصصات متعددة لتطوير استخدامات لهذه التكنولوجيا. هناك العديد من المبادرات المبكرة لإنشاء بيئة مطورين، بما في ذلك برنامج Quantum Benchmarking التابع لوكالة DARPA، والذي يقيس التقدم نحو التطبيقات المحتملة، ومسابقة XPRIZE Quantum Applications، وهي مسابقة دولية مدتها ثلاث سنوات بقيمة 5 ملايين دولار تهدف إلى تطوير خوارزميات حوسبة كمّية لمواجهة تحديات العالم الحقيقي. ستأتي الإنجازات من خلال مطوري البرمجيات الذين ينشئون واجهات سهلة للوصول، والأكاديميين وقادة الأعمال الذين يستخدمون هذه الواجهات لحل المشكلات الأكثر أهمية بالنسبة لهم، والمستهلكين والمجتمع المدني الذين يقدمون رؤى حول ما يجدونه أكثر قيمة.
مثل سباق الهبوط على القمر أو مشروع فك تسلسل الجينوم البشري، لا يمكن تحقيق التطوير الناجح والآمن للحوسبة الكمّية بواسطة العلماء وحدهم. سيتطلب الأمر التزامًا طويل الأمد من القطاعين العام والخاص، واستثمارات كبيرة في الموارد والمواهب، ودبلوماسية دولية بعيدة النظر. ستوفر الحواسيب الكمّية فرصًا استثنائية للولايات المتحدة والعديد من الدول حول العالم، لكنها ستطرح أيضًا مخاطر جديدة، بما في ذلك احتمالية إساءة الاستخدام أو الاستغلال، والاضطرابات المحتملة في النظام العالمي. إذا تمت إدارة هذه المخاطر بشكل صحيح، فإن إمكانات الحوسبة الكمّية لتسريع تقدم البشرية وبناء مستقبل أفضل قد تكون مذهلة.