الإنترنت الكمي: هكذا تخطط IBM و Cisco لربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية

إنفورماتيك ديجيتال » موارد » الإنترنت الكمي: هكذا تخطط IBM و Cisco لربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية

في هذا السياق، يبرز التحالف بين شركتي IBM وسيسكو . فقد قررت هاتان الشركتان العملاقتان توحيد جهودهما لتصميم وبناء أسس شبكة من الحواسيب الكمومية المترابطة والمقاومة للأعطال . ولا يقتصر هدفهما على تصنيع أجهزة أكثر قوة فحسب، بل يشمل أيضاً تمكين هذه الأجهزة من التعاون عبر بنية تحتية للاتصالات الكمومية، مما يُفضي إلى ما يُطلق عليه الكثيرون بالفعل "إنترنت الحوسبة الكمومية".

كيوبت: قلب الحوسبة الكمومية الحديثة

لفهم سبب أهمية هذا التحالف، يجب علينا أولاً توضيح ماهية الكيوبت وكيف يختلف عن البت التقليدي . فبينما تعمل الحواسيب التقليدية ببتات لا يمكن أن تكون إلا 0 أو 1، تخضع الكيوبتات لقواعد ميكانيكا الكم ويمكن أن توجد في حالة تراكب بين الحالتين في آن واحد.

بفضل هذا التراكب الكمومي ، يستطيع المعالج الكمومي استكشاف عدد من الحالات بالتوازي، وهو عدد يتزايد أُسّيًا مع عدد الكيوبتات. فعلى سبيل المثال، قامت شركة IBM بنشر عائلة معالجات Heron الخاصة بها، التي تضم 133 كيوبتًا ، في مراكز بحثية مختلفة حول العالم، مما يدل على أن هذا النهج بدأ يُصبح مفيدًا خارج نطاق المختبر.

تشير توقعات الشركة إلى أنه باستخدام معالج يضم حوالي 300 كيوبت مُحكمة التحكم ، سيكون من الممكن حلّ مسائل تستغرق آلاف السنين حتى مع أقوى الحواسيب العملاقة التقليدية. وتشمل هذه المسائل المحاكاة الكيميائية المتقدمة، والتحسين المالي الفائق، وتصميم مواد ذات خصائص محددة للغاية.

لكنّ المفتاح لا يكمن فقط في زيادة عدد الكيوبتات، بل في تحسين استقرارها وتماسكها الكمومي . لسنوات، كان العائق الرئيسي في الحوسبة الكمومية هو الحفاظ بدقة على الحالة الكمومية لفترة كافية لإجراء حسابات مفيدة قبل أن يتدهور النظام بسبب التشويش وفقدان التماسك.

لقد حققت شركة IBM تقدماً ملحوظاً في مجال تصحيح الأخطاء الكمومية . لم تقتصر جهود الشركة على تحسين دقة كل كيوبت على حدة، بل صممت أنظمةً تعمل فيها كيوبتات فيزيائية متعددة بشكل متكرر لتشكيل كيوبتات منطقية أكثر قوة، قادرة على اكتشاف الأخطاء وتصحيحها في الوقت الفعلي. يُعد هذا التطور بالغ الأهمية لتحقيق أجهزة تتمتع بقدرة حقيقية على تحمل الأعطال.

التشابك الكمي والشبكات: حيث تدخل شركة سيسكو المشهد

بمجرد التوصل إلى أجهزة كمومية مستقرة على الأقل، تتمثل الخطوة التالية في تمكين المعالجات المختلفة من التعاون فيما بينها. وهنا تبرز خبرة سيسكو، إذ تركز أبحاثها على ما تسميه الشبكات الكمومية - وهي بنى تحتية قادرة على نقل المعلومات الكمومية دون المساس بخصائصها.

يكمن جوهر هذا اللغز في التشابك الكمومي . فعندما يتشابك كيوبتان، ترتبط حالة أحدهما بحالة الآخر، حتى لو كانا على بُعد كيلومترات. وأي قياس على أحدهما يؤثر فورًا على الآخر. إن تسخير هذه الظاهرة هو ما يسمح لشبكة كمومية موزعة بالعمل كنظام منطقي واحد متماسك.

تعمل فرق سيسكو على تطوير أنظمة نقل تحافظ على هذا التشابك عبر مسافات طويلة باستخدام الألياف الضوئية . إن مجرد إعادة استخدام البنية التحتية الحالية للإنترنت لا يكفي، بل يتطلب الأمر تطوير عناصر محددة مثل أجهزة إعادة الإرسال أو الجسور الكمومية، وإدارة الفوتونات الفردية التي تشفر المعلومات الكمومية بأقل قدر من الفقد.

تتضح إمكانيات هذه التقنية جلياً عند التفكير في تطبيقاتها. فعلى سبيل المثال، ستُمكّن شبكة كمومية قوية بنكاً عالمياً من إجراء حسابات تحسين المحفظة الاستثمارية في الوقت الفعلي، وذلك بتوزيع عبء العمل على عدة معالجات كمومية موزعة في قارات مختلفة، مع مستوى أمان يفوق بكثير مستوى الأنظمة الحالية.

في مجالات الصحة وعلوم المواد، من شأن هذه البنية التحتية أن تسهل عمليات المحاكاة الجزيئية على نطاق لا يمكن تصوره اليوم، مما يجعل تصميم الأدوية المعقدة أو البحث عن مركبات جديدة ذات خصائص متقدمة أسرع بكثير، سواء للبطاريات أو الموصلات الفائقة أو المواد فائقة المقاومة.

أهداف تحالف IBM وCisco: من الإنجازات حتى عام 2030

في هذا السياق، أعلنت شركتا IBM وسيسكو عن تعاون طويل الأمد لوضع أسس الحوسبة الكمومية الموزعة. وتتطلعان إلى أوائل ثلاثينيات القرن الحالي، حيث تتوقعان بحلول ذلك الوقت أن تكون المكونات الرئيسية لإنترنت كمومي فعال جاهزة.

يتمثل أول إنجاز رئيسي حددوه في إطار زمني تقريبي مدته خمس سنوات لإثبات جدوى ربط عدة حواسيب كمومية فردية واسعة النطاق وقادرة على تحمل الأعطال. وتتلخص الفكرة في أن هذه الأجهزة ستكون قادرة على إجراء حسابات مشتركة باستخدام عشرات أو حتى مئات الآلاف من الكيوبتات ، وهو ما يتجاوز بكثير قدرة جهاز واحد معزول.

من حيث القدرة، ينبغي أن تكون هذه الشبكة التجريبية قادرة على معالجة مسائل تتضمن مليارات أو تريليونات من البوابات الكمومية ، أي عدد هائل من عمليات التشابك ومعالجة الحالات الكمومية. هذا المستوى من التعقيد هو تحديدًا ما هو مطلوب للتطبيقات التحويلية مثل التحسين الهائل أو تصميم أدوية الجيل القادم.

تُواصل شركة IBM في الوقت نفسه تنفيذ خطتها الخاصة لتوفير حواسيب كمومية واسعة النطاق وقادرة على تحمل الأعطال قبل نهاية هذا العقد. لكن ما تسعى إليه بالتعاون مع سيسكو هو تجاوز ذلك، لضمان ألا تبقى هذه الأجهزة "جزرًا" معزولة من حيث قوة الحوسبة، بل أن تُشكّل شبكة حوسبة كمومية موزعة تُضخّم قدرتها الإجمالية.

في هذا النهج، يتم تصور البنية ككل: أجهزة لربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، وبرامج لتنسيق العمليات الحسابية الموزعة بينها، وطبقات من ذكاء الشبكة التي تحدد كيف ومتى يتم نقل المعلومات الكمومية من عقدة إلى أخرى، مما يزيد من الأداء والموثوقية.

على المدى المتوسط، تهدف الشركتان إلى إجراء عرض توضيحي أولي لشبكة كمومية موزعة بحلول نهاية عام 2030. وسيعتمد هذا العرض التوضيحي على تشابك الكيوبتات من عدة أجهزة كمبيوتر كمومية مستقلة، مثبتة في بيئات مبردة مختلفة، مما يضيف أيضًا تحديًا كبيرًا في هندسة الفيزياء.

ولتحقيق ذلك، سيكون من الضروري ابتكار وتطوير تقنيات ربط جديدة، مثل محولات الطاقة الضوئية الميكروية التي تحول الإشارات الكمومية في نطاق الموجات الميكروية (النموذجية للكيوبتات فائقة التوصيل) إلى فوتونات ضوئية تنتقل عبر الألياف، والعكس صحيح. علاوة على ذلك، ستكون هناك حاجة إلى حزمة برمجية متخصصة قادرة على تنظيم تدفق المعلومات الكمومية هذا دون فقدان التماسك .

QPU وQNU ومركز البيانات الكمومي الجديد

من أبرز العناصر المفاهيمية المثيرة للاهتمام في الخطة تعريف مكونين رئيسيين: وحدة المعالجة الكمومية (QPU) ووحدة الشبكة الكمومية (QNU) . وحدة المعالجة الكمومية، ببساطة، هي المعالج الكمومي نفسه، حيث توجد الكيوبتات الثابتة التي تُجري العمليات الحسابية.

أما وحدة معالجة الكم (QNU)، من جانبها، فقد تم تصميمها كواجهة شبكة كمومية مسؤولة عن تحويل تلك المعلومات الكمومية الثابتة لوحدة معالجة الكم (QPU) إلى ما يسمى عادة بالمعلومات الكمومية "الطائرة": وهي حالات تنتقل، بشكل عام، مشفرة في الفوتونات عبر شبكة اتصالات.

تعتزم شركة IBM بناء وحدات الشبكة الكمومية هذه لتكون بمثابة جسور بين وحدات المعالجة الكمومية المتعددة داخل مركز بيانات كمومي واحد. أما دور شركة Cisco فسيكون تصميم شبكة قادرة على توزيع التشابك بين أي أزواج من وحدات الشبكة الكمومية عند الطلب، وذلك بحسب احتياجات كل خوارزمية أو تطبيق.

لتنسيق هذه الديناميكية في استخدام الموارد، تعمل سيسكو على تطوير إطار عمل بروتوكول برمجي عالي السرعة قادر على إعادة تكوين مسارات الشبكة بشكل مستمر وديناميكي. عمليًا، يعني هذا إنشاء روابط التشابك الكمومي وتدميرها وإعادة توجيهها بسرعة عالية لتغذية العمليات الحسابية الجزئية التي تُجريها وحدات المعالجة الكمومية المختلفة.

ومن مجالات العمل المشترك الأخرى تطوير ما يُسمى "جسور الشبكات الكمومية "، التي تتألف من أجهزة من الجيل التالي وبرمجيات مفتوحة المصدر. ستستخدم هذه الجسور عقد شبكة سيسكو لربط عدد كبير من وحدات المعالجة الكمومية من آي بي إم داخل مركز بيانات واحد، وسيتم توسيع هذا النموذج لاحقًا ليشمل مراكز بيانات متعددة مترابطة.

في هذا السيناريو، يتم إعادة تعريف مفهوم مركز البيانات الكمومي بالكامل: لم يعد الأمر يتعلق فقط بنشر رفوف من الخوادم الكلاسيكية، ولكن يتعلق بدمج أجهزة التبريد مع المعالجات الكمومية، ووحدات المعالجة الكمومية، والمحولات الضوئية، وأجهزة التوجيه الكمومية، وطبقة مختلطة من الحوسبة الكلاسيكية والكمومية التي تعمل بطريقة منسقة.

ما وراء مبنى واحد: نحو الإنترنت الكمي

يُعدّ ربط حاسوبين كموميين في غرفة واحدة تحديًا قائمًا، لكنّ القفزة النوعية الحقيقية تكمن في نقل الكيوبتات عبر مسافات أطول ، على سبيل المثال، بين مبانٍ أو مراكز بيانات تفصل بينها كيلومترات. وهنا تبرز أهمية الفوتونات الضوئية والبنية التحتية للألياف الضوئية المنتشرة عالميًا .

ستدرس شركتا IBM وسيسكو كيفية دمج تقنيات الفوتونات الضوئية ومحولات الطاقة الكهرومغناطيسية في شبكة كمومية قادرة على نقل المعلومات عند الحاجة فقط، مما يقلل الفاقد ويحافظ على التشابك الكمومي. والهدف النهائي هو توسيع هذه الشبكة الكمومية مدينةً تلو الأخرى، ودولةً تلو الأخرى، وصولاً إلى مستوى كوكب الأرض.

في هذا المستقبل المحتمل، لن يقتصر ما يُسمى بشبكة الحوسبة الكمومية على مجرد ربط أجهزة الكمبيوتر الكمومية، بل سيكون بمثابة الرابط الذي يجمع بين أجهزة الاستشعار الكمومية فائقة الحساسية، وأنظمة الاتصالات الكمومية، وغيرها من الأجهزة الموزعة التي تتبادل المعلومات عن بُعد دون فقدان مزايا الفيزياء الكمومية.

التطبيقات التي يتم النظر فيها متنوعة للغاية: من الاتصالات فائقة الأمان (بفضل بروتوكولات توزيع المفاتيح الكمومية التي تسمح لك بمعرفة ما إذا كان شخص ما يحاول التجسس) إلى مراقبة بيئية أكثر دقة، قادرة على تتبع المناخ والطقس والنشاط الزلزالي أو حتى العمليات الصناعية الحساسة للغاية بالتفصيل.

كل هذا يفتح الباب أمام ما تصفه شركتا IBM وسيسكو أنفسهما بمساحة حسابية أكبر بشكل هائل . فعندما تعمل العديد من الحواسيب الكمومية معًا، وتُدمج مع الحواسيب العملاقة التقليدية ومسرعات مثل وحدات معالجة الرسومات (GPUs)، نحصل على إطار عمل للحوسبة الفائقة الكمومية قادر على معالجة مشاكل مستعصية على الحل اليوم.

في الوقت نفسه، تتعاون شركة IBM مع مؤسسات مثل مركز المواد والأنظمة الكمومية فائقة التوصيل (SQMS) ، بقيادة مختبر فيرميلاب في الولايات المتحدة، لدراسة عدد وحدات المعالجة الكمومية التي يمكن أن تعمل بكفاءة في مراكز البيانات الكمومية هذه وكيفية التوسع من عدد قليل من وحدات المعالجة الكمومية المترابطة إلى عشرات أو مئات في السنوات القادمة.

التحديات التقنية والأمن السيبراني والجدول الزمني الواقعي

رغم أن الحديث قد يبدو طموحاً للغاية، إلا أن الشركات تدرك وجود عقبات تقنية خطيرة لا تزال قائمة . فالضوضاء الكمومية، وفقدان الترابط الكمومي، والحاجة إلى الحفاظ على درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، لا تزال تشكل قيوداً رئيسية عند تطوير الأجهزة.

تحتاج المعالجات الكمومية القائمة على الدوائر فائقة التوصيل إلى العمل عند درجة حرارة تقارب -273 درجة مئوية ، مما يستلزم استخدام أجهزة تبريد معقدة، واستهلاكًا كبيرًا للطاقة، ومتطلبات بنية تحتية غير مألوفة في مراكز البيانات التقليدية. ويُعدّ التوسع إلى بنى تحتوي على مئات الآلاف من الكيوبتات المنطقية المقاومة للأعطال تحديًا هندسيًا هائلًا.

على مستوى الشبكة، تتطلب هشاشة المعلومات الكمومية أثناء نقلها تطوير أجهزة مثل المحولات الكمومية والمكررات ذات الكفاءة العالية جدًا والخسائر الضئيلة. علاوة على ذلك، فإن مزامنة العمليات الكمومية بين العقد المختلفة بدقة تصل إلى أجزاء من النانوثانية أمر بالغ الصعوبة.

كما يوجد نقص كبير في النضج في طبقات البرمجيات العليا: هناك حاجة إلى بروتوكولات التوجيه الكمي ، بالإضافة إلى أدوات التنسيق لتوزيع المهام الكمية، وأنظمة تصحيح الأخطاء المنسقة بين عقد متعددة، وواجهات برمجة التطبيقات للمطورين لبرمجة الخوارزميات الموزعة دون أن يصابوا بالجنون، وما إلى ذلك.

في مجال الأمن، ثمة وجهان للعملة. فمن جهة، قد تتمكن الحواسيب الكمومية فائقة القدرة من اختراق خوارزميات التشفير الحالية القائمة على خوارزمية RSA أو المنحنيات الإهليلجية (ECC)، مما يعرض المعاملات المصرفية والاتصالات العسكرية والبيانات الطبية الحساسة للخطر. ومن جهة أخرى، توفر هذه التقنيات الكمومية نفسها أدوات مثل توزيع المفاتيح الكمومية التي تُمكّن من اتصالات آمنة نظرياً لا يمكن اختراقها.

لهذا السبب، تعمل شركات مثل IBM وسيسكو وغيرها من الشركات الرائدة في هذا المجال على تطوير تقنيات التشفير ما بعد الكمومية وبروتوكولات الأمان الكمومية، بالتزامن مع تطوير الأجهزة اللازمة. والفكرة هي أنه بحلول الوقت الذي تصبح فيه الحواسيب الكمومية قادرة على اختراق أنظمة الأمان الحالية، سنكون قد جهزنا بالفعل بدائل قوية لمواجهة هذا النوع الجديد من التهديدات.

أما بالنسبة للجدول الزمني، فقد تسارعت التقديرات. قبل بضع سنوات، قيل إن جهاز كمبيوتر كموميًا يعمل بكامل طاقته لن يظهر قبل عام 2040. أما الآن، فتضع شركة IBM الحوسبة الكمومية العملية في نطاق يتراوح بين 5 إلى 10 سنوات لتطبيقات محددة، وتعتبر نهاية العقد الثالث من القرن الحالي إطارًا زمنيًا معقولًا لإنترنت كمومي أكثر نضجًا.

في غضون ذلك، يخطط تحالف IBM-Cisco لعرض مراحل مرحلية : أولاً، الربط بين وحدتي معالجة كمومية في نظامي تبريد مختلفين؛ ثم، إنشاء شبكات داخل مركز البيانات نفسه؛ ولاحقاً، الربط بين مراكز البيانات. وسيصاحب كل هذا تمويل مشترك لمشاريع بحثية أكاديمية وتعاونية لتعزيز بيئة كمومية أوسع.

يُظهر هذا التعاون بين شركتي IBM وسيسكو أن الحوسبة الكمومية لم تعد تجربة معزولة ، بل أصبحت جزءًا لا يتجزأ من البنية التحتية الرقمية العالمية. وإذا ما تمكنتا من التغلب على تحديات الاستقرار، وتصحيح الأخطاء، والترابط، والأمان، فقد نشهد في العقد القادم ميلاد شبكة كمومية موزعة، قادرة على إحداث تحول جذري في قطاعات مثل التمويل، والطب، والخدمات اللوجستية، وعلوم المواد، تمامًا كما أحدث الإنترنت ثورة في الحوسبة التقليدية.