التقدم الكمي لشركة IBM: تتفوق أجهزة الشركة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في الاختبارات

أعلن باحثو شركة IBM في 3 أغسطس 2026 أنهم حصلوا على ميزة كمية في ثلاث تجارب مختلفة. ويعني هذا الإنجاز أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بالشركة كانت قادرة على التفوق على الخوارزميات الكلاسيكية في مهام محددة. إن الكون بطبيعته كمومي، مما يجعل هذه الحواسيب واعدة في نمذجة الظواهر المعقدة التي لا تستطيع الآلات الكلاسيكية إلا تقريبها.

تقليديًا، تحتاج طرق الكيمياء الحسابية، مثل نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، إلى تحويل السلوكيات الكمومية المعقدة إلى معادلات يمكن للأجهزة الكلاسيكية معالجتها. يتطلب هذا التحويل، عندما تصبح الأنظمة أكثر تعقيدًا، مقايضات في الدقة أو السرعة أو التكلفة. إن الميزة الكمومية تلغي الحاجة إلى هذه التعديلات.

بالنسبة لنتانيل ليندنر، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي للتكنولوجيا في شركة Qedma، فإن “الكيمياء هي واحدة من أهم التطبيقات طويلة المدى للحوسبة الكمومية”.

ومن المتوقع أن الحواسيب الكمومية لن تحاكي الأنظمة بدقة أكبر من الأنظمة التقليدية فحسب، بل ستستكشف أيضًا سيناريوهات تتجاوز قدرات الحوسبة التقليدية. واستشهد دومينيك هانجليتر، عالم الكمبيوتر في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH) في زيوريخ والذي لم يشارك في الدراسات، بمحاكاة المواد الكمومية وكسر بعض أنظمة التشفير كأمثلة.

على الرغم من إمكاناتها، لا تزال الآلات الكمومية الحالية عرضة للضوضاء والأخطاء وفقدان المعلومات، وغالبًا ما تتفوق عليها أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في النمذجة. وبالتالي، يظل إثبات تفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية هدفًا أساسيًا لهذا المجال.

تم نشر الأوراق التي تحتوي على تفاصيل العروض التوضيحية الثلاثة الجديدة، التي تم إجراؤها على معالجات الكم Quantum Heron R3 من شركة IBM، كطبعات أولية وهي في انتظار مراجعة النظراء. في مؤتمر عبر الهاتف مع الصحفيين في 28 يوليو، قدم باحثو شركة IBM والمتعاونون معهم النتائج، وسلطوا الضوء على كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، المدعومة بالمعالجات الكلاسيكية، أن تتفوق في مشاكل محددة.

العرض التوضيحي الأول: إنشاء أنماط باستخدام الكيوبتات

تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الكيوبتات – وحداتها الأساسية – والتي يتم التحكم فيها عن طريق بوابات كمومية، مماثلة لبوابات البت المنطقية في أجهزة الكمبيوتر التقليدية. تحدد مجموعة المنافذ المتاحة قدرات كل كمبيوتر كمي.

تُستخدم بوابات كليفورد على نطاق واسع في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. من السهل محاكاتها، لكن وظائفها مقيدة، ويمكن إعادة إنتاج النماذج التي تستخدم هذه المنافذ فقط بكفاءة بواسطة الأجهزة الكلاسيكية.

إن إدراج بوابات خاصة بجوار بوابات كليفورد يسمح للحاسوب الكمي بأن يصبح عالميًا، وقادرًا على إجراء أي نوع من العمليات الحسابية.

تعتبر محاكاة حاسوب كمي عالمي في نظام كلاسيكي غير عملية، لأنها ستستغرق وقتًا طويلاً حتى تفقد النتيجة غرضها. قد تستغرق بعض الحسابات ملايين السنين، وهو ما يتجاوز حتى عمر الكون بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا. وفي هذا السيناريو بالتحديد، من المتوقع أن تثبت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قيمتها.

التغطية الكاملة: آخر الأخبار (AR)

استخدمت شركة IBM، بالشراكة مع باحثين في جامعة شيكاغو، الكمبيوتر الكمي العالمي لتوليد عينات مكونة من أنماط ثنائية (أصفار وواحد). أفاد الفريق أنه لا يوجد كمبيوتر كلاسيكي يمكنه تكرار نفس توزيع الأنماط في فترة زمنية معقولة.

وقال عالم آي بي إم علي جوادي أبهاري إن الفريق “أثبت رياضيا أنه لا يوجد كمبيوتر كلاسيكي يمكنه توليد هذا النمط”.

يوضح هانجليتر أن هذا الدليل الرياضي يشير، على الأقل، إلى أنه لا يمكن محاكاة مجموعة من العينات من هذه الخوارزمية الكمومية بشكل كلاسيكي. ويفكر قائلاً: “هذا لا يعني أن كل هذه العينات يصعب محاكاتها”.

ليس من الممكن حتى الآن استبعاد الاستنساخ الكلاسيكي للعينات التي حصل عليها الباحثون بشكل كامل، في حالة ظهور طريقة غير معروفة لتكرار توزيع النتائج. قال هانغليتر: “كل ما تحتاجه هو شخص لديه فكرة عبقرية”.

ونظرًا لعدم اليقين بشأن التكاثر الكلاسيكي، كيف يمكن للباحثين التأكد من أن الكمبيوتر الكمي يعمل بشكل صحيح؟

وللتحقق من صحة النتائج، أجرت فرق من شركة IBM وجامعة شيكاغو اختبارات على دوائر ذات مستويات مختلفة من التعقيد.

وفي النموذج الذي تم تطويره، أضاف الباحثون بوابات خاصة، تسمى بوابات T، إلى بوابات كليفورد. ومع ذلك، فإن تضمين منافذ T يؤدي فعليًا إلى حدوث أخطاء: كلما زاد عدد منافذ T المطبقة، زادت قوة الكمبيوتر، ولكنه يزيد أيضًا من الضوضاء المتراكمة، مما قد يؤثر على دقة الإخراج.

مع خمس بوابات T فقط، كانت المحاكاة الكلاسيكية لا تزال قابلة للتطبيق، وكانت النتائج التي تم الحصول عليها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية متوافقة.

أدت الزيادة في عدد البوابات T إلى جعل المحاكاة الكلاسيكية أكثر صعوبة إلى حد كبير وقللت من دقتها. عندما وصل إجمالي بوابات T إلى 468، لم تتمكن أي خوارزمية كلاسيكية معروفة من محاكاة النموذج.

خلفية القضية: IBM تصل إلى مرحلة تاريخية مع أول شريحة تكنولوجية أقل من 1 نانومتر، مما يدفع عصر الحوسبة الكمومية

غيرت مجموعة جافادي أبهاري الإستراتيجية: قاموا بتشغيل الكمبيوتر الكمي بدون بوابات T، حتى تتمكن الآلة الكلاسيكية من التنبؤ بالنتيجة.

وبمقارنة التوقعات مع النتائج الكمومية، قدر الباحثون دقة الدائرة بنسبة 32%. ثم قاموا بحساب تأثير بوابات T على تقليل الإخلاص. نظرًا لأن المنافذ تم وضعها لتقليل الضوضاء، فقد وجد الفريق أن دقة الكمبيوتر الكمي يمكن أن تنخفض، على الأكثر، إلى 28.4%.

أوضح جوادي أبهاري أنه “إذا كانت هذه النتيجة عبارة عن صورة فوتوغرافية، فإن الدقة ستكون مرتبطة بتشابه الصورة بأكملها مع الصورة الأصلية أكثر من ارتباطها بجزء البكسل الصحيح تمامًا.” وأضاف: “حتى لو كانت وحدات البكسل ذات ألوان مختلفة قليلاً أو في مواضع خاطئة، فإنها يمكن أن تساهم في زيادة الدقة.”

بالنسبة لهانجليتر، “هذا الرقم مرتفع جدًا حقًا”، فهو أعلى بمائة مرة من الأعمال الرائدة السابقة. وهو يعتبر هذا العرض فريدًا ويقترح الحاجة إلى مزيد من الأبحاث المماثلة.

Ver essa foto no Instagram

Um post compartilhado por IBM (@ibm)

العرض الثاني: محاكاة المغناطيس الكمومي

استخدم الباحثون في شركة Qedma، وهي شركة ناشئة للحوسبة الكمومية، جهاز كمبيوتر كميًا من شركة IBM لمحاكاة المغناطيس الكمي. تتمتع هذه المادة بسلوك مغناطيسي تحكمه ميكانيكا الكم، وهو ما لا تستطيع الفيزياء الكلاسيكية تفسيره بشكل كامل.

تمتلك كل ذرة عزمًا مغناطيسيًا خاصًا، يشبه إبرة البوصلة الصغيرة. في المغناطيس التقليدي، تنشأ المغناطيسية من محاذاة هذه اللحظات في عدة ذرات في نفس الاتجاه.

في سياق المغناطيس الكمي، يمكن للعزم المغناطيسي للذرة أن يظهر في اتجاهات متعددة في وقت واحد. وتعرف هذه الظاهرة بالتراكب الكمي، وهي شبيهة بفكرة قطة شرودنغر، التي هي حية وميتة في نفس الوقت. علاوة على ذلك، يمكن للعزوم المغناطيسية للذرات القريبة أن تتشابك، مما يؤدي إلى ربط سلوكياتها.

يمكن لهذه اللحظات المغناطيسية المتشابكة والمتداخلة، مع إمكاناتها الكمومية، أن تعمل معًا بطرق غير عادية، مما يؤدي إلى حالات غريبة من المادة. إن فهم هذا السلوك يمكن أن يساعد في تفسير الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية، مع إمكانية إحداث ثورة في نقل الطاقة والإلكترونيات.

في Qedma، قام الفريق بقيادة نتانيل ليندنر بمحاكاة مغناطيس كمي يتم تعريضه لنبضات منتظمة، مثل “الركلات”.

تمثل “الركلة” أو النبضة صدمة مفاجئة لحالة المغناطيس، تشبه ضربه بشعاع من الضوء. في الكمبيوتر الكمي، يتم إنشاء كل “ركلة” من خلال تطبيق سلسلة من البوابات المنطقية على جميع الكيوبتات.

عندما يتعرض النظام للاضطراب بشكل متكرر، فإنه لا يصل إلى التوازن الحراري على الفور. وبدلاً من ذلك، تظل في مرحلة متوسطة، تسمى حالة ما قبل الحرارة، حيث تحافظ على بنيتها قبل أن تسترخي في النهاية وتصل إلى التوازن. ويمكن توضيح ذلك من خلال هز كرة الثلج: لفترة معينة، يتم تعليق الثلج في “حالة ما قبل الحرارة” قبل أن يستقر.

في نفس الموضوع: الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية يقودان التقدم في اكتشاف مواد المستقبل

في هذه الفترة ما قبل الحرارية تظهر التأثيرات الكمومية الأكثر إثارة للاهتمام للمغناطيس. تعتبر المغنطة خلال هذه المرحلة مفيدة بشكل خاص لفهم سلوكها. هذه التأثيرات نفسها أيضًا تجعل من الصعب على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية محاكاة المغناطيس بدقة.

قام فريق ليندنر بمحاكاة التأثير على مغناطيسات كمومية ذات أبعاد مختلفة ومقارنة النتائج الكمومية مع تلك التي تم الحصول عليها في عمليات المحاكاة الكلاسيكية لنفس الأحجام.

بالنسبة للمغناطيس المكون من 28 ذرة، كانت بيانات الكمبيوتر الكلاسيكية متسقة مع كل من الحدس الفيزيائي وبيانات الكمبيوتر الكمي، مما يدل على الأداء المتوقع للآلة الكمومية.

ومع ذلك، بالنسبة للمغناطيس الذي يحتوي على 51 و74 ذرة، فشلت ثلاثة نماذج كلاسيكية: نفدت ذاكرة بعضها، وفقد البعض الآخر الدقة مع زيادة التعقيد، أو أصبح بطيئًا للغاية. واستمر المعالج الكمي بدوره في العمل، مقدمًا قيم مغنطة تتماشى مع التوقعات النظرية.

تؤدي القيود المفروضة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إلى تعقيد عملية التحقق من النتائج الكمومية للمغناطيسات الأكبر حجمًا، حيث لا توجد قيم مغنطة دقيقة للمقارنة. لا يمكن للباحثين مقارنة المحاكاة بمادة حقيقية، حيث أن المغناطيسات كانت عبارة عن نظام نظري تم إنشاؤه خصيصًا لمعالج IBM. يعلق هانجلايتر قائلاً: “إن الأمر يشبه اختيار مشكلة من السهل جدًا محاكاتها على جهاز كمبيوتر كمي بدلاً من شيء قد تجده في الطبيعة.”

ومع ذلك، أجرت مجموعة ليندنر محاكاتها على معالجات كمومية متعددة، لكل منها أنماط الضوضاء الخاصة بها وأنظمة تخفيف الأخطاء، بما في ذلك المعالج الذي يعمل على أجهزة مختلفة، للتحقق من الأعطال المحتملة. وكانت النتائج متزامنة.

إن الحصول على نفس سلوك المغنطة على مثل هذه الأجهزة المتنوعة يقلل من احتمالية أن تكون النتائج نتيجة لفشل معين في الأجهزة.

العرض الثالث: تقييم النظام الواقعي

وفي العرض التوضيحي الثالث، قام باحثون من شركة البرمجيات الكمومية Algorithmiq بمحاكاة مادة على جهاز كمبيوتر كمي من شركة IBM. مثل مغناطيس القدماء، هذه المادة موجودة نظريا فقط.

ولجعل النظام أكثر تشابهًا مع المادة الحقيقية، قام سيرجي فيليبوف وفريقه عن عمد بإدخال الفوضى وتحليل كيفية انتقال المعلومات من خلالها.

المزيد عن الموضوع: يحقق حاسوب هيليوس الكمي دقة غير مسبوقة ويسرع تطور التكنولوجيا

وقالت سابرينا مانيسكالكو، المؤسس المشارك والرئيس التنفيذي لشركة ألغوريتميك، خلال المؤتمر الصحفي، إن “المحفزات والبطاريات وجميع المواد التي ستعمل على تشغيل الجيل القادم من الطاقة النظيفة معقدة وغير منتظمة وغير منتظمة، وهذا التعقيد هو ما يجعل من الصعب محاكاتها”. وأضافت: “لقد أنشأنا نموذجا للفوضى الحقيقية في المادة”.

وبطريقة مشابهة لاستنتاج شفافية أو عتامة مادة من خلال تسليط الضوء على أحد طرفيها ومراقبته وهو يمر عبرها، قام فريق فيليبوف بإزعاج مجموعة من البتات الكمومية – كل منها يمثل ذرة – وقاموا بتقييم التأثير على مجموعة أخرى من البتات الكمومية في الطرف المقابل من الكمبيوتر، بعد انتشار الاضطراب.

وبسبب الخلل الموجود في النظام، تم نشر المعلومات بشكل غير منتظم: في بعض المناطق، كان المرور سريعا، بينما في مناطق أخرى، تأخر.

في الفيزياء الكلاسيكية، من الممكن قياس النظام قبل وبعد حدوث اضطراب أو عملية لتحديد التغييرات. ومع ذلك، في ميكانيكا الكم، القياس نفسه يعدل النظام. إن التحقق من خاصية ما، مثل موضع الإلكترون أو حالة الكيوبت، يدمر الحالة الكمية الأساسية، مما يجعل من المستحيل قياس نفس النظام مرتين ومقارنة النتائج مباشرة.

للتغلب على هذه المشكلة، استخدم الباحثون حلاً مبتكرًا لقياس كيفية تغيير تدفق المعلومات للمادة: وهو عكس المحاكاة. أولاً، قاموا بتطبيق سلسلة من العمليات لمحاكاة التطور الطبيعي للمادة مع مرور الوقت. بعد ذلك، أحدثوا اضطرابًا بسيطًا، وأخيرًا، أجروا جميع العمليات بترتيب عكسي، مما أدى إلى عكس تدفق الوقت في المادة.

وبدون وجود اضطراب، فإن قلب المحاكاة قد يؤدي إلى عودة الكيوبتات إلى حالتها الأولية. ومع ذلك، فإن الاضطراب يقاطع هذا التراجع المثالي. وبما أن النظام يعمل في الاتجاه المعاكس، لم يبق سوى التأثيرات المرتبطة بالاضطراب.

وينتج عن قياس هذه التغييرات قيمة تعرف باسم صدى لوسشميت. مثلما يمكن للأصداء الموجودة في الكهف أن توفر بيانات حول شكله، فإن صدى لوسشميت يكشف عن معلومات مهمة حول المادة.

أجرى فريق فيليبوف عمليات المحاكاة على جهازي كمبيوتر كمي مختلفين من شركة IBM واستخدم خوارزميتين كلاسيكيتين على معالج كلاسيكي.

وبدرجات مختلفة من الاضطراب، ولّد الحاسوبان الكميان إشارات صدى مماثلة، في حين أظهرت عمليات المحاكاة الكلاسيكية اختلافات بينهما وفيما يتعلق بالنتائج الكمومية. يشير هذا إلى أن عمليات المحاكاة الكمومية حافظت على دقتها حيث فشلت الأساليب الكلاسيكية. كما أن الاتفاق بين المعالجات الكمومية، التي تتميز كل منها بملفات تعريف مختلفة للضوضاء والخطأ، يقلل أيضًا من احتمالية أن تكون الإشارة ناجمة عن خصوصيات إحدى الآلات.

ومع ذلك، يستخدم كلا المعالجين الكميين نفس البنية، ولا توجد معلمة مقارنة خارجية للتحقق من صحة النتائج. تم تطوير المادة خصيصًا لمعالج IBM ولا تتوافق مع أي مادة حقيقية يمكن إنتاجها في المختبر.

لذلك، يظل التحقق داخليًا: تتحقق أجهزة الكمبيوتر الكمومية من شركة IBM من صحة بعضها البعض، بينما تتباعد الأساليب الكلاسيكية. بمجرد إنشاء المادة المحاكاة للأجهزة، يكون من الصعب تحديد ما إذا كانت النتائج المقابلة تعكس فيزيائية حقيقية أم أنها تناسب فقط الأجهزة التي تم تصميمها من أجلها.

قال هانغليتر: “لا أعرف ما يكفي من التفاصيل لأعرف ما إذا كان بإمكاني الوثوق بها”. ويذكر أن الباحثين يتحققون من صحة النتيجة من خلال توصيف الضوضاء في المعالج بدقة شديدة، مما يمنحهم سيطرة جيدة على ما يحدث ويسمح لهم بتقدير الخطأ الحسابي الحقيقي. “قد يكون هذا سببا للثقة.”

الميزة الكمية: أهميتها في مجال الكيمياء

ووفقا لهانجليتر، ليس من المؤكد ما إذا كانت هذه المظاهرات قد حققت الميزة الكمية. وذكر أنه “من غير المرجح أن نكون قادرين على إثبات الميزة الكمية بشكل نهائي”.

في جميع العروض الثلاثة، النقطة المتكررة هي صعوبة التحقق من دقة نتائج الكمبيوتر الكمي. وقال هانجليتر “إن التحقق أفضل مما رأيناه في العروض التوضيحية الأخرى حتى الآن، وهم يحاولون جاهدين حقًا”. ومع ذلك، لا توجد طريقة لإثبات صحة الباحثين بنسبة مائة بالمائة.

وقال دومينيك هانجليتر، عالم الكمبيوتر في المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH) في زيوريخ، إنه “من غير المرجح أن نكون قادرين على إثبات الميزة الكمية بشكل نهائي”.

اعرف المزيد: عصر جديد من الحوسبة الكمومية: Jiuzhang 4.0 الصيني يحطم الرقم القياسي للسرعة الضوئية بـ 3050 فوتونًا

تتمثل إحدى طرق التحقق من صحة نتائج الكمبيوتر الكمي في محاكاة تجربة حقيقية ومقارنة النتائج مباشرة بملاحظات الطبيعة.

صرح جاي جامبيتا، مدير الأبحاث والزميل في شركة آي بي إم، في المؤتمر الصحفي أن “هذا هو هدفنا وهدف الجميع هنا”. وذكر غامبيتا أيضًا أن الغرض من نشر هذه المقالات الثلاثة هو تعزيز الثقة في الحوسبة الكمومية.

على الرغم من أن هذه العروض التوضيحية هي تطبيقات محددة للغاية وليس لها جدوى تجارية فورية بعد، إلا أن هانجليتر يعتقد أن هذه النتائج الجديدة تزيد الثقة وتعزز إمكانات الحوسبة الكمومية.

ويرى ليندنر أن العروض الأخيرة هي “تحرك نحو الحوسبة الكمومية العملية التي يمكن للناس استخدامها اليوم للتطبيقات العلمية”.

يقترح ليندنر أن علماء الفيزياء النظرية اليوم يجب أن يستخدموا أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وبمرور الوقت، يأمل أن تمتد هذه الممارسة إلى الكيمياء والمجالات العلمية الأخرى. وأكد مجددا أن “الكيمياء هي أحد أهم التطبيقات طويلة المدى للحوسبة الكمومية”.

ومع ذلك، يسلط ليندنر الضوء على أن “الطريق إلى المزايا العملية في الكيمياء يعتمد بشكل كبير على المزيد من التقدم في الأجهزة الكمومية”. وفي غضون ذلك، فهو يشجع الكيميائيين على “الانخراط في الحوسبة الكمومية، وتعزيز فهم المجتمع للمسائل التي يمكن معالجتها بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية”. لم يتم استبدال الكيمياء الحسابية الكلاسيكية. وخلص إلى أن “هذه النتيجة هي دليل على مبدأ أداة علمية إضافية”.