- Quantum Echoes هو مقياس زمني لقياس مدى انتشار المعلومات الكمية في الأنظمة المعقدة باستخدام صدى تداخلي شديد الحساسية.
- تعمل الخوارزمية على شريحة Willow، وتوفر ميزة كمية يمكن التحقق منها، أسرع بما يصل إلى 13.000 مرة من أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية في المهام المكافئة.
- وتؤكد التجارب التي أجريت على الجزيئات الحقيقية وبيانات الرنين المغناطيسي النووي إمكانات هذه المادة في مجالات الكيمياء واكتشاف الأدوية وعلم المواد، على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة أولية.
- تظل التحديات الحرجة مثل تصحيح الأخطاء وقابلية التوسع نحو كيوبتات منطقية طويلة العمر قائمة قبل أن نرى تطبيقات كمية ضخمة.
تجاوزت الحوسبة الكمومية مرحلة التنظير ، وباتت تؤثر على النقاشات الدائرة حول الطب، والمواد المتقدمة، والأمن السيبراني. وقد أمضت جوجل سنوات في محاولة إثبات أن حواسيبها الكمومية ليست مجرد نماذج أولية جذابة، بل أدوات ذات تطبيقات عملية في العالم الحقيقي. وتزعم الشركة، من خلال خوارزمية "Quantum Echoes" وشريحة "Willow"، أنها حققت إنجازًا هامًا قد يغير مسار هذا السباق التكنولوجي.
هذه الخوارزمية الجديدة، وهي عبارة عن مُرتبط زمني مصمم لدراسة كيفية انتشار المعلومات الكمومية في الأنظمة المعقدة، ليست سريعة بشكل لا يصدق فحسب - وفقًا للبيانات المنشورة، فإنها تعمل أسرع بحوالي 13.000 مرة من أفضل أجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية لمهمة مماثلة - ولكن الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أنها خوارزمية قابلة للتحقق، مما يعني أنه يمكن تكرار نتائجها والتحقق منها على أجهزة كمومية أخرى مماثلة، وهو عامل أساسي إذا أردنا أن تتجاوز هذه التقنية المختبر.
ما هي أصداء الكم بالضبط ولماذا يتحدث الجميع عنها؟
خوارزمية Quantum Echoes هي خوارزمية كمومية من نوع OTOC (مُرتبط خارج الترتيب الزمني) . تتمثل وظيفتها الرئيسية في قياس كيفية تغير حالة الكيوبت بعد إخضاع نظام كمومي لسلسلة من العمليات ثم "إعادة" تطوره. عمليًا، تعمل هذه الخوارزمية كمقياس للفوضى الكمومية: فهي تحلل كيفية انتشار المعلومات داخل مجموعة من الكيوبتات عن طريق قياس كميات مثل المغنطة والكثافة والتيارات والسرعة.
تقترح جوجل استخدام هذه الخوارزمية كنوع من صدى الكم المصمم بعناية . أولًا، تستقبل شريحة ويلو إشارة كمومية معقدة تُحفز النظام على التطور. ثم، يُدخل اضطراب طفيف في كيوبت محدد، وبعد ذلك، تُنفذ سلسلة العمليات العكسية لمحاولة عكس العملية. في نهاية هذه الرحلة، يُعيد النظام "صدى" كموميًا للحالة الأولية، والذي، بفضل التداخل البنّاء، يُضخّم ويكشف معلومات دقيقة للغاية حول ما حدث خلال هذه الرحلة.
من الناحية النظرية، تُستخدم هذه الأنواع من مُرتبطات الزمن غير المُرتبة لدراسة كيفية امتزاج المعلومات وانتشارها في أنظمة بالغة التعقيد ، مثل النماذج التي تصف الثقوب السوداء أو المواد الكمومية الغريبة. ويكمن الجديد هنا في أنه ولأول مرة، تم تطبيقها عمليًا في المختبر من خلال تجربة قابلة للتكرار والتحقق، والتي تُشير أيضًا إلى تطبيقات فيزيائية محددة للغاية.
نشرت جوجل هذه النتائج في ورقتين بحثيتين متكاملتين: الأولى في مجلة Nature ، وتركز على إثبات فعالية الخوارزمية وميزتها الكمومية القابلة للتحقق، والثانية منشورة على مستودع arXiv، وتتناول تطبيقاتها المحتملة في الكيمياء والتحليل الطيفي. ومن بين مؤلفي مقالة Nature ميشيل ديفوريه، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025، وأحد أبرز الشخصيات في تطوير الكيوبتات فائقة التوصيل.
بحسب مهندسي الشركة، يعمل برنامج Quantum Echoes على شريحة Willow بسرعة تفوق سرعة أفضل خوارزمية كلاسيكية مكافئة تعمل على أقوى الحواسيب العملاقة في العالم بـ 13.000 مرة. عمليًا، ما قد يستغرق حله على جهاز كلاسيكي آلاف أو تريليونات السنين، تنجزه شريحة Willow في دقائق معدودة، متجاوزةً بذلك عتبة ما يُعتبر ميزة كمومية حقيقية.
أساسيات الحوسبة الكمومية لفهم الخوارزمية
لفهم آلية عمل Quantum Echoes بوضوح، من المفيد تذكر أن الحاسوب الكمومي لا يعمل بالبتات التقليدية ، بل بالكيوبتات. فبينما لا يمكن للبت أن يكون إلا 0 أو 1، يمكن للكيوبت أن يكون في حالة تراكب بين هاتين الحالتين في آن واحد. وهذا يسمح لمجموعة من الكيوبتات بتمثيل عدد هائل من تركيبات الأصفار والآحاد في وقت واحد.
تُصنع الكيوبتات من خلال معالجة أنظمة فيزيائية مثل الفوتونات والإلكترونات والأيونات المحصورة والذرات أو الدوائر فائقة التوصيل . وتراهن جوجل، كغيرها من الشركات، على الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي نتاج مباشر لتجارب الدوائر الكمومية العيانية التي بدأها ديفوريه وباحثون آخرون في ثمانينيات القرن الماضي. يمكن لهذه الكيوبتات أن تتشابك، أي أن تشترك في حالة كمومية واحدة، وأن تُشكّل هياكل جماعية تتداخل فيها الاحتمالات كالموجات.
في هذا السياق، تُعرَّف الخوارزمية الكمومية ببساطة بأنها سلسلة من البوابات المنطقية تُطبَّق على شبكة من الكيوبتات المتداخلة والمتشابكة . ومع تطور الدائرة، تتعزز سعات الاحتمالات أو تلغي بعضها بعضًا من خلال التداخل. ويكمن التحدي في تصميم الخوارزمية بحيث تُضخَّم الحلول الصحيحة في النهاية وتصبح الأكثر احتمالًا عند قياس النظام.
يحدث التداخل البنّاء، وهو أحد الجوانب الرئيسية لظاهرة الصدى الكمومي، عندما تصطف الموجات الكمومية في طور واحد وتتجمع بدلاً من أن تلغي بعضها بعضاً. إذا كانت الدائرة مصممة بشكل جيد، فإن هذا التأثير يجعل "الصدى" النهائي للخوارزمية بارزاً بوضوح عن الضوضاء الخلفية، مما يسمح بقراءة دقيقة للغاية لكيفية انتشار المعلومات عبر النظام، حتى لو كانت العملية الوسيطة فوضوية للغاية.
يبدو كل هذا بالغ الأهمية، ولكنه ينطوي أيضاً على مشكلة خطيرة: هشاشة الأنظمة الكمومية تجاه التشويش . فالتغيرات الطفيفة في درجة الحرارة، أو الاهتزازات، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو التداخل الخارجي، كفيلة بإدخال أخطاء في الكيوبتات، وكسر تماسك النظام، وإفساد الحساب. ولذلك، يُعدّ التحكم في الأخطاء الكمومية وتقليل فقدان التماسك من أكبر التحديات التي تواجه هذا القطاع.
كيف تعمل تقنية Quantum Echoes خطوة بخطوة على شريحة Willow
تُعدّ Willow أحدث شريحة كمومية فائقة التوصيل من جوجل ، وهي الشريحة التي يعمل عليها مشروع Quantum Echoes. وقد حظي هذا المعالج باهتمام واسع النطاق بعد إنجازه اختبارات قياس الأداء لأخذ عينات من دوائر عشوائية في أقل من خمس دقائق، وهي مهام يعجز الحاسوب العملاق التقليدي عن إنجازها في عشرات التريليونات من السنين. ومع مشروع Quantum Echoes، تعود Willow لتتبوأ مكانة مركزية في هذا المجال.
يمكن فهم المخطط الأساسي للخوارزمية على أنه تجربة "إعادة الزمن" الكمومية، مع أنه لا يتم إرسال أي شيء إلى الماضي . ما يتم فعله هو تطبيق سلسلة من العمليات على النظام، وإدخال اضطراب طفيف على كيوبت محدد، ثم تنفيذ نفس السلسلة بشكل عكسي، بدقة متناهية. إذا تم ضبط كل شيء بدقة، يعود النظام إلى حالة قريبة من حالته الأصلية ويطلق صدى تداخلي يحتوي على كم هائل من المعلومات.
بطريقة مبسطة للغاية، يتبع الإجراء ثلاث مراحل رئيسية: أولاً، يتم إعداد حالة أولية مضبوطة جيدًا في مجموعة من الكيوبتات ؛ ثم، يُسمح لتلك الحالة بالتطور من خلال سلسلة من البوابات الكمومية التي تجعلها معقدة وفوضوية للغاية؛ وأخيرًا، يتم تنفيذ عكس الزمن للدائرة، ويتم تغيير كيوبت في منتصف العملية، ويتم ملاحظة تأثير هذا الاضطراب على الصدى النهائي.
يكمن جمال هذا الإعداد في أن الصدى المقاس في النهاية ليس انعكاسًا ضعيفًا، بل إشارة مُضخّمة بفعل التداخل البنّاء . ولهذا السبب تحديدًا، تُعدّ هذه التقنية حساسة للغاية للتغيرات الطفيفة في الديناميكيات الداخلية للنظام. وقد استغلت جوجل هذه الحساسية لتقليل معدل الخطأ الفعلي للشريحة بشكل كبير، محققةً نتائج أقل من العتبة التي يصبح عندها تصحيح الأخطاء على نطاق واسع ممكنًا.
في بعض التجارب الموصوفة، تمكنت الآلة الكمومية من حل المسألة في غضون ساعتين فقط، بينما كان حاسوب فرونتير العملاق - أحد أقوى الحواسيب في العالم - سيحتاج إلى حوالي 3,2 سنوات من الحوسبة المتواصلة لتشغيل برنامج كلاسيكي مكافئ. هذا الفارق الهائل في الأداء، إلى جانب إمكانية تكرار النتيجة على حاسوب ويلو أو أجهزة أخرى ذات جودة مماثلة، هو أساس ما يُسمى "الميزة الكمومية القابلة للتحقق".
علاوة على ذلك، فإن البروتوكول الذي تستخدمه جوجل ليس مجرد تمرين بسيط في التفوق الكمي دون تطبيق عملي . فبخلاف التجارب السابقة التي ركزت على مسائل رياضية اصطناعية يصعب تطبيقها في العالم الحقيقي، تُستخدم الخوارزمية هنا لمحاكاة عمليات فيزيائية محددة للغاية: بنية وديناميكيات الجزيئات الحقيقية، والتي دُرست أيضًا باستخدام الرنين المغناطيسي النووي.
ميزة كمية قابلة للتحقق: لماذا يختلف هذا الاختراق؟
حتى الآن، تعرضت العديد من إعلانات "التفوق الكمي" لانتقادات بسبب عدم وضوح كيفية التحقق المستقل من النتائج أو الفائدة العملية للمشاكل التي تم حلها. فعلى سبيل المثال، تمثل إنجاز جوجل في عام 2019 في إجراء عملية حسابية على دوائر عشوائية لم يستطع أي حاسوب عملاق محاكاتها في وقت معقول، ولكنها لم تكن ذات فائدة خارج المختبر.
تهدف الشركة من خلال مشروع "أصداء الكم" إلى حسم هذا الجدل بتجربة مصممة منذ البداية لتكون قابلة للتحقق والتكرار لأي شخص يرغب في تجربتها . وقد تم تطبيق الخوارزمية بمعايير وتكوينات يمكن لمجموعات بحثية أخرى، تمتلك أجهزة كمومية مماثلة، محاولة محاكاتها. علاوة على ذلك، تتم مقارنة نتائج المحاكاة الكمومية بقياسات الفيزياء الكلاسيكية التي تم الحصول عليها باستخدام تقنيات راسخة.
تستند "إمكانية التحقق الكمومي" التي تدّعيها جوجل إلى ركيزتين أساسيتين: أولاً، إمكانية إعادة إنتاج الحسابات على أجهزة كمومية مماثلة أخرى؛ وثانياً، إمكانية مقارنة مخرجات الخوارزمية ببيانات الرنين المغناطيسي النووي التجريبية أو بالمحاكاة الكلاسيكية في الحالات التي لا تزال فيها هذه المحاكاة ممكنة. هذا التحقق المزدوج يُعزز الادعاء بأننا لا نتعامل ببساطة مع خدعة رياضية يصعب التحقق منها.
لكي يكون هذا النوع من العروض التوضيحية ممكنًا، يجب أن يجمع الجهاز بين عمليات عالية السرعة ومعدلات خطأ منخفضة للغاية . أي انحراف في تسلسل عكس الزمن يُفسد الصدى النهائي. إن قدرة ويلو على التغلب على هذا التحدي دون أي عطل تدل على أن التحكم في الكيوبتات فائقة التوصيل قد بلغ مستوىً مذهلاً، أكثر نضجًا بكثير مما كان عليه قبل بضع سنوات فقط.
مع ذلك، يحثّ العديد من الخبراء على توخي الحذر. ويشير باحثون مثل كارلوس سابين، من قسم الفيزياء النظرية في جامعة مدريد المستقلة، إلى أنه قد تم الإعلان عن مزايا كمومية أخرى، ولكن جرى تعديلها لاحقًا عندما حسّنت مجموعات أخرى الخوارزميات الكلاسيكية أو وجدت طرقًا لتقريب النتائج باستخدام الحواسيب التقليدية. ويعمل المجتمع العلمي حاليًا على التحقق من مدى دقة تجربة جوجل في تحديد حدود الكم.
التطبيقات في الكيمياء: الجزيئات والرنين المغناطيسي النووي وحلم "المنظار الكمومي"
من أبرز جوانب برنامج Quantum Echoes استخدامه كأداة للمحاكاة الكيميائية والتحليل الطيفي الكمي . بالتعاون مع جامعة كاليفورنيا في بيركلي، قامت جوجل بتشغيل الخوارزمية على برنامج Willow لدراسة جزيئين: أحدهما يحتوي على 15 ذرة والآخر على 28 ذرة، باستخدام بيانات الرنين المغناطيسي النووي التجريبية كنقطة مقارنة.
يُعدّ الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، وهو تقنية طيفية تُشابه التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي، بمثابة مجهر جزيئي يعتمد على الدوران المغناطيسي لنوى الذرات. ومن خلال رصد كيفية استجابة هذه الدورانات للمجالات المغناطيسية وإشارات الترددات الراديوية، يستطيع العلماء استنتاج المواقع النسبية للذرات، وبالتالي بنية الجزيء. وهو أداة أساسية في الكيمياء، وعلم الأحياء، وعلوم المواد.
تكمن المشكلة في أنه عندما تصبح الجزيئات كبيرة أو تصبح تفاعلات الدوران معقدة، تصبح الطرق التقليدية لتفسير بيانات الرنين النووي المغناطيسي مكلفة حسابيًا. وهنا يأتي دور برنامج Quantum Echoes: فقدرته على تتبع الديناميكيات الكمومية الداخلية لنظام فوضوي تسمح له بنمذجة تفاعلات الدوران بكفاءة أكبر عبر مسافات طويلة.
في دراسة إثبات المفهوم التي أُجريت بالتعاون مع جامعة بيركلي، تطابقت النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام الخوارزمية الكمومية مع قياسات الرنين النووي المغناطيسي التقليدية لكلا الجزيئين، مما يمثل أول تأكيد قوي على صحة هذا النهج. علاوة على ذلك، كشف التحليل الكمومي عن تفاصيل إضافية حول ديناميكيات الدوران المغزلي التي لا يمكن الحصول عليها عادةً باستخدام التقنيات الكلاسيكية، مما يشير إلى حساسية أكبر.
يتحدث باحثون مثل أشوك أجوي، المتعاون مع جوجل كوانتوم إيه آي وأستاذ في جامعة بيركلي، عن "مطيافية كمومية" مستقبلية قادرة على تجاوز القيود الحالية . في هذا السيناريو، قد يصبح الجمع بين الرنين المغناطيسي النووي التجريبي والخوارزميات الكمومية مثل كوانتوم إيكوز أداةً رائدةً لاكتشاف أدوية جديدة، وفهم الأمراض المعقدة مثل الزهايمر بشكل أفضل، أو تصميم مواد متطورة للبطاريات والبوليمرات، أو حتى الكيوبتات فائقة التوصيل نفسها.
التأثير المحتمل على الطب وعلوم المواد والصناعات الأخرى
إذا تحققت وعود جوجل، فقد يكون مشروع "أصداء الكم" الخطوة الجادة الأولى نحو الحواسيب الكمومية ذات التطبيقات العملية الملموسة . إن القدرة على نمذجة الأنظمة الكمومية متعددة الأجسام بدقة لها آثار مباشرة على مجالات مثل الكيمياء الحاسوبية، حيث تُعد محاكاة التفاعلات الإلكترونية المعقدة مشكلة بالغة الصعوبة بالنسبة للحوسبة التقليدية.
في المجال الطبي الحيوي، يُترجم هذا إلى إمكانية استكشاف مجال جزيئات الأدوية المرشحة بكفاءة أكبر بكثير . فبدلاً من اختبار آلاف المركبات عشوائياً، يمكن للحاسوب الكمومي أن يساعد في التنبؤ بالبنى التي تُناسب هدفاً بيولوجياً محدداً على أفضل وجه، مما يُسرّع من تطوير علاجات للأمراض التنكسية العصبية والسرطان وغيرها من الأمراض المعقدة.
في علم المواد، ينطبق المنطق نفسه على تصميم مركبات جديدة ذات خصائص محددة : موصلات فائقة أكثر استقرارًا، ومواد بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى، وبوليمرات متطورة، أو سبائك أخف وزنًا وأكثر متانة. إن التحكم في الديناميكيات الكمومية على المستوى المجهري هو ما يُحدث الفرق بين اختبار تركيبات عشوائية وضبط التصميم بدقة باستخدام محاكاة موثوقة.
يُضاف إلى كل هذا التأثير المحتمل على مجالات مثل الأمن السيبراني. فرغم أن مشروع "Quantum Echoes" نفسه غير مصمم لكسر التشفير، إلا أنه جزء من موجة التقدم التي تُقرّبنا من أجهزة الحوسبة الكمومية المفيدة . ويناقش مجتمع الأمن بالفعل استراتيجية "الاستغلال الآن، وفك التشفير لاحقًا": أي سرقة البيانات اليوم لفك تشفيرها عندما تتوفر أجهزة حاسوب كمومية قادرة على كسر خوارزميات التشفير الحالية. وقد دفع هذا منظمات مثل الاتحاد الأوروبي ووكالة الأمن السيبراني للاتحاد الأوروبي (ENISA) إلى التخطيط للانتقال إلى أنظمة ما بعد الحوسبة الكمومية.
على الصعيد الجيوسياسي، تُعدّ خطوة جوجل جزءًا من منافسة شرسة مع عمالقة مثل آي بي إم ومايكروسوفت، بالإضافة إلى العديد من الشركات الصينية . تُظهر منصات مثل وكونغ في الصين، أو تطورات آي بي إم في مجال الكيوبتات فائقة التوصيل والكيوبتات المنطقية طويلة الأمد، أن لا أحد يرغب في التخلف عن الركب. إن الميزة الكمومية القابلة للتحقق التي تدّعيها جوجل، إلى جانب كونها إنجازًا علميًا، تُعدّ رسالة استراتيجية حول موقعها في هذا السباق.
القيود الحالية والتشكك داخل المجتمع العلمي
ليست الأمور كلها مبهرة. فرغم أن تجربة "أصداء الكم" تمثل قفزة نوعية مقارنةً بالإنجازات السابقة، يؤكد العديد من الخبراء أننا ما زلنا في مرحلة تجريبية واضحة . وحتى الآن، أُجريت التجارب باستخدام جزيئات صغيرة نسبياً ودوائر كمومية، ورغم أنها مثيرة للإعجاب، إلا أنها لا تزال بعيدة كل البعد عما هو مطلوب لمعالجة المشكلات الصناعية واسعة النطاق.
بحسب تقديرات جمعتها جوجل نفسها، للوصول إلى جزيئات تتطلب نحو 50 كيوبتًا فيزيائيًا من حيث التعقيد ، سيلزم تنفيذ ما بين مئات الآلاف وعدة ملايين من بوابات المنطق الكمومي. هذا العدد يفوق بكثير البوابات الـ 792 المستخدمة في التجارب الحالية، وقد لا تكون تقنيات الحد من الأخطاء التي تعمل في هذا النطاق قابلة للتطبيق بكفاءة على دوائر أكثر تعقيدًا.
من الانتقادات المتكررة أنه على الرغم من أن التجربة تُظهر تفوقًا كميًا حقيقيًا، إلا أنها لم تُثبت بعدُ وجود تطبيق عملي ذي أهمية . بعبارة أخرى، استُخدمت الخوارزمية للتحقق من صحة الطرق ودراسة الأنظمة التي يمكن التعامل معها بتقنيات كلاسيكية مُحسّنة، لكنها لم تحل بعدُ مشكلةً عصيةً تمامًا على الحوسبة الكلاسيكية في سياق صناعي أو طبي مُحدد.
علاوة على ذلك، لا يزال تصحيح الأخطاء يمثل عقبة رئيسية. يتطلب تشغيل الحواسيب الكمومية واسعة النطاق كيوبتات منطقية قوية مبنية من العديد من الكيوبتات الفيزيائية ، بحيث يمكن اكتشاف الأخطاء الفردية وتصحيحها دون فقدان البيانات. وقد حددت جوجل هذا الهدف باعتباره المرحلة الثالثة من خارطة طريقها الكمومية: تحقيق كيوبت منطقي طويل الأمد قادر على تحمل متطلبات تشغيل الخوارزميات المعقدة لفترة كافية للعمل دون تعطل.
على الرغم من هذه التحفظات، حتى أكثر الأصوات حذرًا تُقر بأن تجربة " أصداء الكم" قد تكون خطوة تمهيدية مهمة نحو إثبات جدواها العملية. ويكمن التحدي في قدرة المختبرات الأخرى على تكرار التجربة، وتحسين الخوارزميات الكلاسيكية المنافسة، والأهم من ذلك، توسيع نطاق هذه التقنيات لتشمل أنظمة ذات عدد أكبر من الكيوبتات والبوابات دون ارتفاع حاد في الأخطاء.
بالنظر إلى الصورة الأوسع، يبرز مشروع "أصداء الكم" كدليل واضح على أن أجهزة وبرامج الكم تتقدم بالتوازي . يُظهر مشروع "ويلو" إمكانية العمل بمعدلات خطأ منخفضة بما يكفي لتمكين بروتوكولات عكس الزمن الدقيقة، بينما تفتح الخوارزمية الباب أمام تطبيقات تعالج مباشرةً مشاكل فيزيائية واقعية. لا يزال الطريق طويلاً، لكن أصداء الحوسبة الكمومية التطبيقية بدأت تُسمع بوضوح.
