بالرغم من الاكتشاف الأخيرس يملك سكب الماء البارد على الاحصاء الكمية أيها الضجيج، لا تحسبوا التكنولوجيا حتى الآن. في 4 مارس، جوجل وأعلنت XPrize عن أ جائزة بقيمة 5 ملايين دولار أمريكي إلى أي شخص يأتي بحالات استخدام لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. إذا كان هذا يبدو وكأنه اعتراف بأن حالات الاستخدام غير موجودة بالفعل، فهو ليس كذلك، كما يقول رايان بابوش، رئيس الخوارزميات الكمومية في جوجل. ويقول: “نحن نعرف بعض التطبيقات التي قد يكون لهذه الأجهزة تأثير كبير عليها”.
يقول ماتياس ترويير، نائب رئيس الشركة: “إن الكمبيوتر الكمي عبارة عن مُسرّع لأغراض خاصة”. مايكروسوفت كوانتوم وعضو المجلس الاستشاري لمسابقة Xprize. “يمكن أن يكون لها تأثير كبير على المشاكل الخاصة حيث يمكن لميكانيكا الكم مساعدتك في حلها.”
إن أنواع المشاكل التي قد تكون الحواسيب الكمومية مفيدة لها تعود إلى جذورها التاريخية. في عام 1981، فيزيائي ريتشارد فاينمان اقترح فكرة الكمبيوتر الكمي كوسيلة لمحاكاة التعقيد الكامل للعالم الكمي.
“إن التأثير التجاري لحل الأنظمة الكمومية يكمن في الكيمياء وعلوم المواد والمستحضرات الصيدلانية.” —ماتياس ترويير، مايكروسوفت كوانتوم
ومنذ ذلك الحين، توصل العلماء إلى خوارزميات بارعة لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مفيدة للأشياء غير الكمومية، مثل البحث في قواعد البيانات أو كسر التشفير. ومع ذلك، فإن خوارزميات البحث في قاعدة البيانات لا تعد بتسريعات قابلة للتطبيق في المستقبل المنظور، ويبدو تدمير أمن الإنترنت سببًا مشكوكًا فيه لبناء آلة جديدة.لكن أ دراسة حديثة يقترح أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون قادرة على محاكاة الظواهر الكمومية التي تهم العديد من الصناعات قبل أن تتمكن من إحراز تقدم في تلك التطبيقات الأخرى.
يقول تروير: “إن التأثير التجاري لحل الأنظمة الكمومية يكمن في الكيمياء، وعلوم المواد، والمستحضرات الصيدلانية”. ويضيف تروير أن هذه صناعات ذات أهمية. “من العصر الحجري إلى العصر البرونزي، العصر الحديدي، العصر الفولاذي، عصر السيليكون، نحن نحدد التقدم من خلال التقدم في المواد.”
في هذا الطريق إلى العصر الكمي الجديد المحتمل، إليك بعض الأمثلة ذات الميزة الكمية المثبتة على الأجهزة التي يتوقعها الباحثون في مجال الحوسبة الكمومية خلال العقد القادم. ومع القليل من الحظ، يأمل تروير أن تحفز الجائزة البالغة قيمتها 5 ملايين دولار المجتمع العلمي على إيجاد المزيد من الطرق لاستخدام الخوارزميات الكمومية في العالم الحقيقي. “الهدف [of the prize] هو أننا نريد أن يهتم المزيد من علماء الكم ليس فقط بتطوير خوارزميات الكم ونظريتها ولكن أيضًا بالتساؤل: أين يمكن تطبيقها؟ كيف يمكننا استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة المشاكل الكبيرة في العالم؟
استقلاب الدواء
في ورقة 2022 نشرت في بناسقام تعاون بين شركة الأدوية Boehringer Ingelheim وجامعة كولومبيا وGoogle Quantum AI وشركة المحاكاة الكمومية QSimulate بفحص إنزيم يسمى السيتوكروم P450. هذا الإنزيم بالتحديد مسؤول عن استقلاب ما يقرب من 70 بالمائة من الأدوية التي تدخل جسم الإنسان.إن عملية الأكسدة التي يستقلب بها الإنزيم الأدوية هي عملية كمومية بطبيعتها، بطريقة يصعب محاكاتها بشكل كلاسيكي (الطرق الكلاسيكية تعمل بشكل جيد عندما لا يكون هناك الكثير من الارتباطات الكمومية على مستويات مختلفة).
ووجدوا أن الكمبيوتر الكمي الذي يحتوي على بضعة ملايين من الكيوبتات سيكون قادرًا على محاكاة العملية بشكل أسرع وأكثر دقة من التقنيات الكلاسيكية الحديثة. وكتب الباحثون (بما في ذلك بابوش) في مقال: “لقد وجدنا أن الدقة العالية التي يوفرها الكمبيوتر الكمي ضرورية لحل الكيمياء في هذا النظام بشكل صحيح، لذلك لن يكون الكمبيوتر الكمي أفضل فحسب، بل سيكون ضروريًا”. مشاركة مدونة.
شركة2 عزل
إحدى الاستراتيجيات لتقليل كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هي عزل– استخدام محفز للتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون وتكوين مركب يمكن تخزينه لفترة طويلة. توجد استراتيجيات عزل، ولكنها ليست فعالة من حيث التكلفة أو الطاقة بما يكفي لإحداث تغيير كبير في انبعاثات الكربون الحالية.
عديدمؤخرًادراسات اقترحوا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل القريب يجب أن تكون قادرة على نمذجة تفاعلات ثاني أكسيد الكربون باستخدام محفزات مختلفة بشكل أكثر دقة من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. إذا كان هذا صحيحا، فإن هذا من شأنه أن يسمح للعلماء بتقدير كفاءة مختلف مرشحي العزل بشكل أكثر فعالية.
الأسمدة الزراعية
يتم تسميد معظم الأراضي الزراعية اليوم بالأمونيا التي يتم إنتاجها تحت درجة حرارة وضغط مرتفعين في النباتات الكبيرة عبر عملية هابر بوش. في عام 2017، قام فريق من Microsoft Research وETH Zurich يعتبر طريقة بديلة لإنتاج الأمونيا – تثبيت النيتروجين عن طريق إنزيم النيتروجينيز – والتي من شأنها أن تعمل في درجة الحرارة والضغط المحيطين.
أظهر الباحثون أن هذا التفاعل لا يمكن محاكاته بدقة بالطرق الكلاسيكية، لكنه في متناول الكمبيوتر الكلاسيكي والكمي الذي يعمل جنبًا إلى جنب. يقول ترويير، الذي شارك في البحث: “إذا تمكنت، على سبيل المثال، من العثور على عملية كيميائية لتثبيت النيتروجين على نطاق صغير في قرية في مزرعة، فسيكون لذلك تأثير كبير على الأمن الغذائي”.
كاثودات البطارية البديلة
العديد من بطاريات الليثيوم أيون استخدم الكوبالت في الكاثودات الخاصة بهم. تعدين الكوبالت له بعض العيوب العملية، بما في ذلك مخاوف بيئية و ممارسات العمل غير الآمنة. أحد البدائل للكوبالت هو النيكل. في يذاكر تم نشره في عام 2023، وهو تعاون بين شركة BASF المنتجة للمواد الكيميائية، وGoogle Quantum AI، وجامعة ماكواري في سيدني، وQSimulate، والذي تناول ما قد يتطلبه الأمر لمحاكاة كاثود قائم على النيكل، وأكسيد نيكل الليثيوم، على كمبيوتر كمي.
وقال الباحثون إن أكسيد نيكل الليثيوم النقي غير مستقر في الإنتاج، كما أن بنيته الأساسية غير مفهومة جيدًا. إن الحصول على محاكاة أفضل للحالة الأساسية للمادة قد يقترح طرقًا لإنشاء نسخة مستقرة. وكتب المؤلفون في مقال نشرته صحيفة “ديلي ميل” أن متطلبات الحوسبة الكمومية لمحاكاة هذه المشكلة بشكل مناسب “بعيدة المنال عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأولى المصححة للأخطاء”. مشاركة مدونة“لكننا نتوقع أن ينخفض هذا الرقم مع التحسينات الخوارزمية المستقبلية.”
ردود الفعل الانصهار
في عام 2022، مرفق الإشعال الوطني تصدرت العناوين الرئيسية مع أول تفاعل اندماج بالقصور الذاتي لإنتاج طاقة أكثر مما تم وضعه مباشرة فيه. في تفاعل الاندماج بالقصور الذاتي، يتم تسخين خليط التريتيوم والديوتيريوم بالليزر حتى يشكل بلازما تنهار على نفسها، ويبدأ تفاعل الاندماج. يقول بابوش، الذي شارك في الدراسة، إن محاكاة هذه البلازما صعبة للغاية. ويقول: “إن وزارة الطاقة تنفق بالفعل مئات الملايين من ساعات وحدة المعالجة المركزية، إن لم يكن مليارات ساعات وحدة المعالجة المركزية، فقط تحسب كمية واحدة”.
في طبعة أولية، حدد بابوش ومعاونوه خوارزمية يمكن للكمبيوتر الكمي استخدامها لنمذجة التفاعل بكامل تعقيده. سيتطلب هذا، مثل أبحاث كاثود البطارية، عددًا أكبر من الكيوبتات مما هو متاح حاليًا، لكن المؤلفين يعتقدون أن تحسينات الأجهزة والخوارزميات المستقبلية قد تسد هذه الفجوة.
تحسين أجهزة الاستشعار الكمومية
على عكس أجهزة الكمبيوتر الكمومية، أجهزة الاستشعار الكمومية لها بالفعل تأثير في العالم الحقيقي. يمكن لهذه المستشعرات قياس المجالات المغناطيسية بدقة أكبر من أي تقنية أخرى، ويتم استخدامها في عمليات مسح الدماغ، وقياسات الجاذبية لرسم خرائط النشاط الجيولوجي، والمزيد. إن مخرجات المستشعر الكمي هي بيانات كمية، ولكن تتم قراءتها حاليًا كبيانات كلاسيكية، وبيانات تقليدية وأصفار تفتقد بعضًا من التعقيد الكمي الكامل.
أ دراسة 2022 من التعاون بين Google وCaltech وHarvard وUC Berkeley وMicrosoft أنه إذا تم توجيه مخرجات المستشعر الكمي بدلاً من ذلك إلى كمبيوتر كمي، فيمكنهم استخدام خوارزمية ذكية لتعلم الخصائص ذات الصلة بنسخ أقل بشكل كبير من البيانات من المستشعر، مما يؤدي إلى تسريع القراءة. لقد أظهروا خوارزميتهم الكمومية على جهاز استشعار محاكي، مما يدل على أن هذه الخوارزميات في متناول أيدي أجهزة الكمبيوتر الكمومية الموجودة حاليًا.
و اكثر
لا تزال هناك أيضًا خوارزميات كمومية مفيدة تبحث عن حالات استخدام محددة، ويتم تقديم جوائز مالية أيضًا لتحفيز هذا البحث. ومن بين تلك الخوارزميات حل أنواع معينة من المعادلات التفاضلية الخطية، و إيجاد الأنماط في البيانات التي لا يمكن الوصول إليها بشكل كلاسيكي. بالإضافة إلى ذلك، من الناحية الكلاسيكية، لا يمكن إثبات أن العديد من الخوارزميات تعمل بكفاءة باستخدام القلم والورق، كما يقول جاي جامبيتا، نائب رئيس شركة IBM Quantum. وبدلاً من ذلك، يجرب الأشخاص الخوارزميات الإرشادية على أجهزة حقيقية، وبعضها يؤدي أداءً جيدًا بشكل مدهش. مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية، يقول غامبيتا، إن أحدث الأجهزة على وشك أن تكون جيدة بما يكفي لاختبار العديد من الخوارزميات الإرشادية، لذلك يجب أن يكون هناك العديد من حالات الاستخدام القادمة.
يقول غامبيتا: “أعتقد أنه يمكننا أخيرًا البدء في اكتشاف الخوارزميات باستخدام الأجهزة”. “وبالنسبة لي، هذا يفتح طريقا مختلفا للاكتشافات العلمية المتسارعة. وأعتقد أن هذا هو الأمر الأكثر إثارة.”