مجلة أقلام مرحبا بك في مجلة أقلام , هنا ستجد آخر المقالات والأخبار
تحدي قفزة الكم: جامعة كاليفورنيا في بيركلي تقود مركزًا للحوسبة الكمية بقيمة 25 مليون دولار
كجزء من جهود الحكومة الفيدرالية لتسريع تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، منحت مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، 25 مليون دولار على مدى خمس سنوات لإنشاء معهد متعدد الجامعات يركز على تطوير علوم وهندسة الكم. وتدريب القوى العاملة المستقبلية لبناء واستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية .
يعد المركز الذي تقوده جامعة كاليفورنيا في بيركلي واحدًا من ثلاثة معاهد لتحدي قفزة الكم (QLCI) التي تم الإعلان عنها في 21 يوليو 2020 من قبل مؤسسة العلوم الوطنية ويمثل استثمارًا بقيمة 75 مليون دولار. تعد المبادرات جزءًا أساسيًا من قانون مبادرة الكم الوطنية لعام 2018 ، وبرنامج صناعات المستقبل للبيت الأبيض وجهود قفزة الكم المستمرة لمؤسسة العلوم الإنسانية.
يربط QLCI للحساب الكمي الحالي والمستقبلي UC Berkeley و UCLA و UC Santa Barbara وخمس جامعات أخرى في جميع أنحاء البلاد ، ويسخر ثروة من علماء الكم التجريبي والنظري لتحسين وتحديد أفضل السبل لاستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية البدائية الحالية ، ومعظمها تم بناؤه بواسطة الصناعة الخاصة أو المختبرات الحكومية. الهدف ، في النهاية ، هو جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية شائعة مثل الهواتف المحمولة ، وهي أجهزة كمبيوتر رقمية ، في جيوبنا.
قال دان ستامبر كورن ، أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ومدير المعهد: “هناك شعور بأننا على شفا خطوة كبيرة حقًا نحو الحوسبة الكمومية “. “نعتقد أن تطوير الكمبيوتر الكمومي سيكون ثورة علمية حقيقية ، التحدي العلمي المحدد في الوقت الحالي ، خاصة إذا كنت تفكر في حقيقة أن الكمبيوتر يلعب دورًا مركزيًا في كل ما يفعله المجتمع تقريبًا. إذا كانت لديك فرصة لإحداث ثورة في ماهية الكمبيوتر ، فأنت بذلك تحدث ثورة في كل شيء آخر “.
يقع بالقرب من قلب صناعة الكمبيوتر اليوم ، وادي السيليكون ، وفي جامعات كاليفورنيا الكبرى والمختبرات الوطنية ، “يؤسس هذا المركز كاليفورنيا كمركز عالمي للبحوث في الحوسبة الكمومية ،” قال.
تختلف أجهزة الكمبيوتر الكمومية اختلافًا جوهريًا عن أجهزة الكمبيوتر الرقمية في هواتفنا المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات والأجهزة. يمكنك التفكير في أجهزة الكمبيوتر الرقمية على أنها مجموعة من ملايين البتات المستقلة – سواء كانت آحاد أو أصفار – تنقلب ذهابًا وإيابًا كل جزء من المليار من الثانية بناءً على سلسلة من التعليمات تسمى الخوارزمية. كلما زادت صعوبة المشكلة ، زادت قائمة التعليمات.
في الكمبيوتر الكمومي ، ترتبط كل بتة ببعضها البعض – متشابكة كميًا – بحيث يكون وصف حالة حتى 100 بت كمي أكبر بكثير مما يمكن تخزينه على أكبر كمبيوتر رقمي تقليدي.
قال أوميش فازيراني ، أستاذ علوم الكمبيوتر بجامعة كاليفورنيا في بيركلي والمدير المشارك للمعهد: “ترجمة هذه القدرة الرائعة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى حل فعلي لمشكلة حسابية يمثل تحديًا كبيرًا ويتطلب طريقة جديدة تمامًا للتفكير في الخوارزميات”. “تصميم خوارزميات كمومية فعالة هو التحدي الرئيسي في تحقيق الإمكانات الهائلة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.”
أظهر العمل النظري أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي أفضل طريقة للقيام ببعض المهام المهمة: تحليل الأرقام الكبيرة أو تشفير البيانات أو فك تشفيرها أو البحث في قواعد البيانات أو إيجاد الحلول المثلى للمشكلات. يوفر استخدام مبادئ ميكانيكا الكم لمعالجة المعلومات تسريعًا هائلاً بمرور الوقت الذي يستغرقه حل العديد من المشكلات الحسابية على أجهزة الكمبيوتر الرقمية الحالية.
قال إريك هدسون ، أستاذ الفيزياء بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس والمدير المشارك للمعهد الجديد: “يمكن أن تستغرق المشكلات العلمية التي تستغرق عمر الكون لحلها على جهاز كمبيوتر قياسي بضع دقائق فقط على جهاز كمبيوتر كمي”. “قد نحصل على القدرة على تصميم أدوية جديدة لمكافحة الأمراض على الكمبيوتر الكمومي بدلاً من المختبر. يعد تعلم بنية الجزيئات وتصميم الأدوية الفعالة ، التي تحتوي كل منها على آلاف الذرات ، من التحديات الكمومية بطبيعتها. يمكن للكمبيوتر الكمومي أن يحسب بنية الجزيئات وكيف تتفاعل الجزيئات وتتصرف “.
وأضاف ستامبر كورن: “أعتقد أن الحوسبة الكمومية أمر لا مفر منه”. “لا أعرف المقياس الزمني – هل هو 100 سنة أم 10 سنوات؟ – لكننا نتحدث عن الزيادات الأسية في القدرة “.
مشكلة التحجيم
في الوقت الحالي ، عادةً ما تربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية معًا 50 بتًا كميًا أو أقل ، أو الكيوبتات. قال ستامبر كورن إن هذا إنجاز كبير ، مع الأخذ في الاعتبار أنه ظهر بسرعة خلال العقد الماضي وأدى بالفعل إلى نشوء صناعة كمبيوتر كمومية ناشئة. في ضوء هذه التطورات ، يتوقع العلماء والحكومة الفيدرالية تقدمًا أسرع إذا استثمرت الحكومة في البحث الأساسي والتعليم الذي يكمل التقدم التقني الذي تحرزه شركات مثل Google و Microsoft Corp. و Intel و IBM.
المعهد الجديد ، الذي يضم أيضًا جامعة جنوب كاليفورنيا ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، جامعة تكساس في أوستن ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة واشنطن ، سياتل ، سوف يتعامل مع بعض التحديات الرئيسية في هذا المجال.
“نحن نعلم أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية في طريقها – هناك باحثون في جميع أنحاء البلاد يعملون على بنائها واختبارها ،” قال هنري وارسال ، مدير برنامج مؤسسة العلوم الوطنية. “لكن أي شخص لديه جهاز كمبيوتر سيخبرك أن الأجهزة ليست مفيدة بدون برامج لتشغيلها – وهذا هو المكان الذي سيقودنا فيه هذا المركز نحو الحلول. سيساعدنا معهد NSF Quantum Leap Challenge للحوسبة الكمية الحالية والمستقبلية في الحصول على عناصر البرمجة الرئيسية في مكانها عندما تكون أجهزة الحوسبة الكمية في مكانها الصحيح. “
تتمثل إحدى التحديات الأولى التي يواجهها المعهد في تحديد التطبيقات الأكثر ملاءمةً لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية ، من أجل الاستفادة الكاملة من أجهزة الكمبيوتر من الجيل الأول اليوم.
يتحدث الناس عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات النطاق المتوسط الصاخبة ، أو أجهزة NISQ ، وهو ما لدينا في الوقت الحاضر. قال ستامبر كورن: “إنهم محدودون جدًا فيما يمكنهم القيام به ، والأهم من ذلك أنهم لا يعرفون كيفية تصحيح الأخطاء التي تظهر أثناء الحساب”. “ستكون مفيدة للحسابات على نطاق قصير أو على نطاق صغير ، ولكن من الأهمية بمكان أن نجد طرقًا لاستخدامها بشكل منتج ، لأن ذلك سيحفز المجال بأكمله.”
سيعالج المعهد أيضًا التحدي طويل الأمد المتمثل في تطوير خوارزميات للجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي ستمكن من التقدم العلمي والاقتصادي والمجتمعي الهام ، بالإضافة إلى تجاوز الحدود بين القدرات الحسابية الكم والكلاسيكية.
قال فازيراني: “إن إدراك القوة الكاملة للحساب الكمي يتطلب تطوير مخططات فعالة لتصحيح الأخطاء أثناء تشغيل الآلات الكمومية ، بالإضافة إلى بروتوكولات للاختبار والقياس المعياري”.
يعد فهم القدرات الحسابية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أحد أهم التحديات في هذا المجال وسيكون محركًا مهمًا للتقدم في المضي قدمًا. سيتطلب هذا زيادة كبيرة في عدد علماء الكمبيوتر المشاركين في هذه الأسئلة.
قال فازيراني ، الذي يقود جهود الحوسبة الكمومية في المعهد: “معهد سيمونز لنظرية الحوسبة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي مهيأ بشكل فريد لخلق هذا التفاعل”. “إن معهد Simons هو مكان مخصص لأسس الحوسبة وسيستضيف عددًا من الباحثين في مجال الحوسبة الكمومية ويسهل هذا النوع من التعاون المكثف شخصيًا والمتعدد التخصصات الذي يمكن أن يؤدي إلى تقدم سريع.”
المفتاح أيضًا هو الشراكة مع معهد UCLA للرياضيات البحتة والتطبيقية ، والتي ستساعد في تطبيق الأدوات الرياضية وعلوم البيانات في هذا المجال.
يتطلب حجم التحدي أيضًا مدخلات من خبرة المجال من التخصصات العلمية والرياضية / الحسابية ، للسماح بتصميم خوارزمية كمومية ليتم تكييفها مع مشاكل محددة.
قالت بيرجيتا والي: “يدخل تصميم الخوارزمية الكمية حقبة التصميم المشترك ، حيث يتم الاستفادة من القيود العلمية والحسابية المحددة والحاجة إلى الحفاظ على التماسك الكمي الهش الذي تقوم عليه الخوارزميات الكمومية لتوليد حل فعال لمشكلة علمية معينة”. أستاذ الكيمياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ومدير مشارك للمعهد. “نحن نعرف كيفية القيام بذلك للأنظمة الصغيرة ، ولكن التوسع في الآلات الكمومية الكبيرة يجلب تحديات جديدة للتنفيذ. هذا شيء سنتعامل معه في المعهد الجديد “.
سيعالج التجريبيون والمنظرون من مجالات الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد والهندسة والرياضيات وعلوم الكمبيوتر بعضًا من هذه المشكلات البارزة – على وجه الخصوص ، كيفية رفع مستوى أجهزة الكمبيوتر من عشرات إلى ملايين الكيوبتات دون فقدان الخصائص الكمومية للمجموعة من الكيوبتات.
“السؤال الكبير هو: كيف تجعل نظامًا كميًا أكبر وأكبر دون أن يجعله يعمل بشكل أسوأ وأسوأ؟” قال ستامبر كورن. “ما يراه الناس هو أنه مع زيادة حجم الشيء ، تزحف المزيد من الضوضاء ، وتصبح المعايرة أكثر صعوبة ، ويصعب الاتصال – من الصعب جعل أحد أجزاء الكمبيوتر يتحدث إلى الآخر.”
تخطط المجموعة للتركيز على ثلاث منصات تجريبية تستخدم أنظمة كمومية مختلفة مثل الكيوبتات: الأيونات المحاصرة والذرات المحاصرة والدوائر فائقة التوصيل.
“تعمل بعض هذه الأنظمة بشكل رائع مع عدد صغير من الكيوبتات ، لذا يمكننا العمل بجد لزيادة دقتها وجعلها أكثر دقة. يعمل البعض بشكل طبيعي على عدد أكبر من الكيوبتات ، ويمكننا اختبار الأفكار حول كيفية تشغيل جهاز كمبيوتر كمي بنطاق محدود من عناصر التحكم ، ولكن هناك الكثير من الكيوبتات التي يمكن العمل بها ، “قال ستامبر كورن. “إنهم جميعًا في مرحلة مبكرة من منحنى التطور التكنولوجي ، لذلك من خلال تقديم بعض التقنيات الجديدة بمساعدة المهندسين ، يمكننا تحسين قدرتنا على تشغيل الكثير من الأنظمة في وقت واحد.”
ستعمل المنحة على تعزيز التفاعل بين الباحثين وطلاب الدكتوراه من العديد من المجالات بمساعدة الزمالات والمؤتمرات وورش العمل. لكن المكون الرئيسي سيكون تدريب القوى العاملة في المستقبل على غرار الطريقة التي عزز بها التدريب على علوم الكمبيوتر في جامعات مثل جامعة كاليفورنيا في بيركلي وستانفورد صعود وادي السيليكون ليصبح عملاقًا تقنيًا. ستقوم جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس بتجربة برنامج درجة الماجستير في علوم وتكنولوجيا الكم لتدريب القوى العاملة الذكية الكم ، بينما ستساعد الدورات التدريبية الضخمة عبر الإنترنت ، أو MOOCs ، في نشر المعرفة وفهم أجهزة الكمبيوتر الكمومية حتى لطلاب المدارس الثانوية.
يأمل الفريق في الشراكة مع مختبرات وزارة الطاقة ، مثل مختبر لورانس بيركلي الوطني ، الذي أطلق في عام 2018 اختبارًا كميًا متقدمًا لمزيد من الحساب الكمي بناءً على الدوائر فائقة التوصيل.
جاء المشروع يؤتي ثماره ، جزئيًا ، بفضل كونسورتيوم على مستوى جامعة كاليفورنيا ، معهد كاليفورنيا للتشابك الكمومي ، بتمويل من برامج ومبادرات الأبحاث المتعددة في جامعة كاليفورنيا (MRPI).
قالت تيريزا مالدونادو ، نائب رئيس جامعة كاليفورنيا: “إن الجائزة تعترف برؤية الفريق حول كيف يمكن للتقدم في علم الكم الحاسوبي أن يكشف عن فهم أساسي جديد للظواهر بأصغر نطاق يمكن أن تفيد الابتكارات في مجالات الذكاء الاصطناعي والطب والهندسة وغير ذلك”. البحث والابتكار. “نحن فخورون بقيادة الأمة في إشراك طلاب ممتازين من خلفيات متنوعة في هذا المجال من الدراسة.”
المديرون المشاركون للمعهد هم إريك هدسون من جامعة كاليفورنيا. ويلي ، وهو المدير المشارك لمركز بيركلي للمعلومات والحسابات الكمية (QBIC) ؛ فازيراني ، أستاذ الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر روجر أ. ستراوخ والمدير المشارك لمركز بيركلي للمعلومات الكمومية والحساب (QBIC) ؛ وهارتموت هافنر ، أستاذ مساعد بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ورئيس مايك جيورجي في الفيزياء.
المعاهدتان الأخريان التي تبلغ تكلفتهما 25 مليون دولار والتي تم الإعلان عنها اليوم تتركزان في جامعة كولورادو ، بولدر ، وجامعة إلينوي ، أوربانا شامبين ، وسيركزان على الاستشعار الكمي والشبكات الكمية ، على التوالي.
