كيف سيتجاوز عالم الكم الحوسبة

على مدى نصف العقد الماضي ، جذبت الحوسبة الكمومية اهتمامًا هائلاً من وسائل الإعلام. لماذا؟

بعد كل شيء ، لدينا أجهزة كمبيوتر بالفعل ، والتي كانت موجودة منذ الأربعينيات. هل الفائدة بسبب حالات الاستخدام؟ ذكاء اصطناعي أفضل؟ تسعير أسرع وأكثر دقة لشركات الخدمات المالية وصناديق التحوط؟ أدوية أفضل حالما تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكبر ألف مرة؟

إن حل المشكلات المستعصية حاليًا – تلك التي ليس من المستحيل حلها ولكن لم يتم حلها بعد باستخدام تكنولوجيا اليوم – هو في الأساس سبب اهتمامنا بالكم.

بمرور الوقت ، نتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية في السحابة وعلى الحافة. سيكون استخدامها غير مرئي لمعظم المستخدمين ، لكن القيمة التي يقدمونها ستفيد الكثيرين.

سحر “عالم الكم”

أعتقد أن كلمة “كوانتوم” هي جزء كبير من جاذبية هذا النوع الجديد من الحوسبة. قد يتذكر البعض منكم البرنامج التلفزيوني نقلة نوعية بطولة سكوت باكولا من حوالي عام 1990. بعد خمسة وعشرين عامًا ، حصلنا على الأول رجل النمل فيلم مع بول رود. أدخلتنا هذه القصص إلى “عالم الكم”. كل شيء خيال ، لكن ممتع.

لذلك ، ليس من المستغرب أن يجذب الحديث عن “التراكب” و “التشابك” و “الفعل المخيف” الانتباه. تعتمد الحوسبة الكمية على ميكانيكا الكم ، وهي واحدة من أغرب جوانب الفيزياء وأكثرها إثارة للدهشة ، إن لم يكن العلم كله. الحديث عن “الكم” يجذب الناس ويريدون معرفة المزيد. يكاد يبيع نفسه.

إذا كانت الحوسبة هي كل ما يمكننا فعله بهذا العمل الكمي ، فسيكون ذلك مفيدًا ، ولكن هناك العديد من المجالات التي تلعب فيها دورًا. أنت على سبيل المثال. تصف ميكانيكا الكم سلوك أصغر جسيمات المادة ، بما في ذلك الذرات والإلكترونات والفوتونات. يحكم الكم الكثير من كل شيء في داخلك وحولك.

إذا كنت قد تعرضت لإصابة في الركبة أو الكتف ، فربما تكون قد حصلت على التصوير بالرنين المغناطيسي حتى يتمكن الطاقم الطبي من تحديد المشكلة بدقة. يرمز التصوير بالرنين المغناطيسي إلى “التصوير بالرنين المغناطيسي” ويعمل عن طريق الكشف عن الطاقة المنبعثة من ذرات الهيدروجين تحت تأثير المجالات المغناطيسية القوية وموجات الراديو. لحسن الحظ ، يحتوي جسم الإنسان على العديد من ذرات الهيدروجين في الماء والدهون ، لذلك يمكن أن ينتج التصوير بالرنين المغناطيسي صورًا عالية الدقة للمناطق محل الاهتمام. هذه عملية كمومية ، ويعود تاريخ التطبيق إلى أعمال فيليكس بلوخ وآخرين بدءًا من الأربعينيات.

لاحظ استخدامي لـ “دقة عالية”. نظرًا لأن علم الكم يتعامل مع الأشياء الصغيرة جدًا ، فيمكننا الحصول على معلومات وتفاصيل دقيقة إذا كان بإمكاننا استخدامها بشكل جيد. في بعض الحالات ، قد تكون أفضل طريقة يمكننا أن نأمل في قياسها.

تغيير البحر في المواقع

هذا مثال آخر ، على الرغم من أنه ليس كميًا للبدء. في الأيام الخوالي للسفن الخشبية ، كان من الصعب تحديد موقعك في البحر. كان من السهل نسبيًا العثور على خط العرض بسبب موقع النجوم والكواكب ، لكن دوران الأرض جعل خطوط الطول أكثر صعوبة. تذكر أنه إذا نظرت إلى الكرة الأرضية ، فإن الخطوط الطولية تتجه شمالًا وجنوبيًا ، وخطوط العرض تتجه شرقًا وغربًا.

كانت إحدى الطرق للعثور على موقعك والتنقل هي “الحساب الميت”. افترض أنك عرفت بدقة موقعك الأولي. ثم بدأت في التحرك في اتجاه وسرعة معينة. أي أنك أبحرت بسرعة معينة. بعد فترة زمنية معينة ، يمكنك حساب مركزك الجديد.

في هذا النموذج البسيط ، نفترض أن اتجاهك لم يتغير. هذا الافتراض مشكوك فيه إلى حد ما لأن الرياح هبت عليك ، لكن دعنا نذهب معه. يمكن لبوصلة تحديد اتجاهك والتغييرات التي تطرأ عليه.

كانت السرعة والوقت المنقضي أكثر تعقيدًا. كانت إحدى طرق قياس سرعتك هي إلقاء سجل على حبل في الماء من مقدمة السفينة ثم قياس المدة التي استغرقتها للوصول إلى الخلف. نظرًا لأنك تعرف طول السفينة ، يمكنك حساب سرعتك. بصرف النظر عن خشونة القياس لمشاهدة تحرك سجل في الماء ، كان ضبط الوقت الدقيق أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الدقة.

من الساعات إلى GPS

لم يكن حتى الثامن عشر^العاشر القرن الذي اخترع فيه جون هاريسون ساعة دقيقة للغاية بحيث سمحت للبحارة بقياس موقعهم بدقة كافية لتجنب أن ينتهي بهم الأمر عن غير قصد على الصخور أو الابتعاد مئات الأميال عن مسارهم. يحكي الكتاب قصة تطور هذا “الكرونومتر البحري” جيدًا خط الطول بواسطة دافا سوبيل. إنها ملحمة ليست فقط عن التكنولوجيا ولكن من المؤامرات والسياسة والسلوك التنافسي المشكوك فيه.

ظهر الوقت في مكانين في الحساب الميت: مرة لقياس السرعة ، ثم مرة أخرى لقياس الوقت المنقضي الأطول لجزء الرحلة. في الممارسة العملية ، تضمنت أي رحلة العديد من الأجزاء حيث كانت السفينة تتدحرج وتتأرجح ذهابًا وإيابًا.

لم يكن هذا التطور مريحًا فحسب ؛ لقد أنقذ الأرواح وأحدث ثورة في السفر عن طريق البحر.

الآن لدينا نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، لذا تم حل المشكلة.

ليس تماما.

نظام تحديد المواقع العالمي (GPS): هل هو علاج شامل؟

GPS ، أو نظام تحديد المواقع العالمي ، هو نظام يتكون من أكثر من 30 قمرا صناعيا ترسل إشارات إلى أجهزة مثل هاتفك الذكي. إذا التقط هاتفك أربعة أو أكثر من هذه الإشارات ، فيمكنه تحديد موقعك في غضون بضعة أمتار أو ياردات. قد تكون معتادًا على “التثليث” أو المصطلح الأكثر ملاءمة “التثليث” لحساب الموقع. بدلاً من الحاجة إلى ثلاثة مصادر ، نحتاج إلى أربعة مصادر أو أكثر للدقة بسبب انحناء الأرض وارتفاعها.

يعمل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بشكل جيد مع برامج الخرائط ، على الرغم من أن إشارات GPS يمكن أن تتأثر بالطقس والظروف الجوية الأخرى. المشاكل الأكثر أهمية ، خاصة بالنسبة لأولئك المعنيين بالأمان ، هي “التشويش على نظام تحديد المواقع العالمي” أو “الرفض” ، حيث تتحول الإشارة إلى ضوضاء ، أو “انتحال نظام تحديد المواقع العالمي” ، حيث يتم استبدال الإشارة الصالحة بإشارة أقوى ولكنها خاطئة. لا تريد أن تكون على متن طائرة تعتقد أنها تبعد مئات الكيلومترات أو الأميال عن موقعها الفعلي.

سيساعدك البحث على الويب في العثور على أمثلة لكل منها مستخدم في مناطق الحرب أو بواسطة قوات الأمن المحلية. إن رفض أو انتحال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) في مدينة كبيرة يمكن أن يعيق الكثير من وسائل النقل ، مع ما يترتب على ذلك من آثار على السلامة والتجارة.

بصرف النظر عن تحديد المواقع والملاحة ، فإن GPS له وظيفة حيوية أخرى: الوقت.

GPS وتزامن الوقت

إذا كنت قد ذهبت إلى ماكينة الصراف الآلي مؤخرًا ، فابحث عن إيصالك. ربما جاء الطابع الزمني من بيانات من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). هل استمعت إلى تقرير حالة الطقس وتساءلت عن دقة التنبؤ؟ من المحتمل أن تأتي مزامنة الأوقات في محطات الطقس الموزعة من GPS.

غالبًا ما تحصل المعاملات المالية عبر الشبكات على طوابع زمنية من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). الدقة ضرورية في التطبيقات المالية عالية السرعة لمعرفة التسلسل الدقيق للمعاملات.

قد تستخدم محطات القاعدة الخلوية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمزامنة أوقاتها من أجل استخدام طيف النطاق العريض بشكل أكثر دقة. ربما تكون قد علمت أنك استخدمت نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على هاتفك للقيادة إلى صالة البيتزا لالتقاطها ، ولكن كان نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) متورطًا أيضًا عندما اتصلت بهم لتقديم طلبك. إذا فشل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) عندما تكون في طريقك ، فقد تتوقف العديد من ميزات هاتفك عن العمل حتى تتم إعادة مزامنتها مع الأقمار الصناعية.

أصبحت شبكات الطاقة معقدة هذه الأيام ، مع وجود مصادر طاقة متعددة وغالبًا تدفق ثنائي الاتجاه. تُستخدم مزامنة الوقت من GPS في بعض الشبكات لتحسين توزيع الكهرباء وتحقيق التوازن بينها.

لقد عاش البشر بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وضبط الوقت بدقة منذ آلاف السنين ، لكننا أصبحنا نعتمد على كليهما في حياتنا الحديثة. كتجربة فكرية ، كيف سيكون يومك بدون GPS؟

الساعات الكمومية وأجهزة الاستشعار والجيروسكوبات والمزيد

اتضح أنه يمكننا ، ومن المحتمل أن ننتقل إلى الحلول القائمة على الكم من أجل PNT – تحديد المواقع والملاحة والتوقيت. قد يستخدم الجيش والدفاع هذه الحلول في البداية ، ولكن كما هو الحال مع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، يمكن للشركات تسويقها ، ويمكننا استخدامها في حياتنا اليومية.

تُستخدم الساعات الذرية الكمومية اليوم في الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، وستصبح منتشرة في النهاية لأنها تصبح أصغر حجمًا وأقل تكلفة. ستظهر في شبكاتنا ومراكز البيانات السحابية وأبراج الهواتف المحمولة والطائرات والسفن ، وكذلك في سياراتنا وهواتفنا. لن تعمل فقط بشكل مستقل أو في مجموعات وتكون دقيقة للغاية ، بل ستحافظ على هذه الدقة لأسابيع أو شهور قبل إعادة المزامنة.

ستقيس المستشعرات الكمية سرعتنا وأي اختلافات بدقة غير عادية ، لتحل في النهاية محل مقاييس التسارع الرخيصة ولكن ليست دقيقة للغاية في هواتفنا والأجهزة الأخرى. ستحدد الجيروسكوبات الكمومية بدقة أي تغييرات في حركتنا الزاوية في ثلاثة أبعاد ، الانحراف واللف والميل.

قدرات رائعة في المستقبل

تذكر تلك السفينة التي تسير مع الريح؟ سيأخذ الكمبيوتر في السيارة أو الشاحنة ذاتية القيادة في الاعتبار تغيرات الاتجاه والانحدار والارتفاع للطرق. بالتقدم من هذا السجل الموجود منذ مئات السنين ، سنتمكن قريبًا من قياس كل هذه التغييرات مئات المرات في الثانية.

يمكننا حتى قياس تقلبات الجاذبية باستخدام مقياس الجاذبية الكمي. يمكن أن يحدد هذا التغييرات في كثافة الأرض ويساعد في اكتشاف موارد جديدة. تشمل التطبيقات الأخرى عمليات السلامة والاسترداد ، مثل البحث عن الفراغات في المباني المنهارة. قد نحصل حتى على تنبيهات مبكرة للكوارث الطبيعية مثل الانهيارات الأرضية والحفر.

مثل التصوير بالرنين المغناطيسي ، تتمتع كل هذه التطبيقات الكمية بدقة أفضل من التقنيات التي تحل محلها. غالبًا ما يكون التصوير بالرنين المغناطيسي أكثر أمانًا من التقنيات السابقة ، مثل الأشعة السينية. لقد ذكرنا العديد من الحالات التي ستزيد فيها أجهزة القياس الكمومية الجديدة من سلامتنا أيضًا.

الحوسبة الكمومية قادمة ، وهي تعد بجعل بعض المشكلات المستعصية حاليًا قابلة للحل. الاستشعار الكمي وضبط الوقت موجودان هنا اليوم. بينما نخفض تكاليف هذه الأجهزة وآثارها ، فإنها ستدخل في حياتنا اليومية وتفتح لنا جميعًا خدمات أساسية رائعة وجديدة.

بوب سوتور هو نائب الرئيس وكبير المدافعين الكميين عن Infleqtion