المسرد

مسرد الحوسبة الكمومية

تعريفات بلغة بسيطة لـ 22 مصطلحاً للحوسبة الكمومية. من كيوبت إلى التفوق الكمومي، دون الحاجة إلى شهادة في الرياضيات.

Written by

Sohum Thakkar

CEO, Qolour

الكيوبت(البت الكمومي): الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية. على عكس البت التقليدي (الذي هو 0 أو 1)، يمكن للكيوبت أن يكون في تراكب من 0 و1 في آن واحد. فيزيائياً، يمكن صنع الكيوبت من دائرة فائقة التوصيل، أو أيون محصور، أو فوتون، أو أي نظام كمومي ثنائي المستوى آخر.
التراكب: قدرة نظام كمومي على الوجود في تركيبة من حالات متعددة في آن واحد. الكيوبت في تراكب ليس 0 ولا 1، له سعة احتمال لكل منهما. عند القياس، ينهار التراكب إلى نتيجة تقليدية واحدة باحتمال تحدده السعات.
التشابك الكمومي: ترابط كمومي بين جسيمين أو أكثر بحيث لا يمكن وصف حالتيهما بشكل مستقل. قياس جسيم متشابك واحد يحدد فوراً نتيجة قياس الآخر، حتى على مسافات كبيرة. التشابك هو المورد الذي يشغّل النقل الآني الكمومي وتوزيع المفاتيح الكمومي وكثير من الخوارزميات الكمومية.
كرة بلوخ: تمثيل هندسي لحالة كيوبت فردي كنقطة على سطح كرة ثلاثية الأبعاد. القطب الشمالي يمثل |0⟩، والقطب الجنوبي يمثل |1⟩، وكل نقطة أخرى تمثل تراكباً. كرة بلوخ هي أداة التصور الأكثر شيوعاً في تعليم الحوسبة الكمومية.
البوابة الكمومية: عملية تحوّل حالة كيوبت واحد أو أكثر. البوابات الكمومية قابلة للعكس (بعكس معظم البوابات المنطقية التقليدية) وتُمثَّل بمصفوفات وحدوية. البوابات الشائعة تشمل هادامارد (H)، وPauli-X/Y/Z، وCNOT، وبوابات الدوران Rx, Ry, Rz.
الدائرة الكمومية: تسلسل من البوابات الكمومية المطبقة على الكيوبتات، ينتهي بالقياس. الدوائر الكمومية هي أدنى مستوى من التجريد لبرمجة حاسوب كمومي، إنها المكافئ الكمومي لبرنامج بلغة التجميع.
القياس: عملية قراءة الحالة التقليدية لكيوبت. يسبب القياس انهيار تراكب الكيوبت إلى إما 0 أو 1، باحتمالات تعطيها السعات المربعة للحالة الكمومية. بمجرد قياس كيوبت، يُدمَّر التراكب الأصلي.
قاعدة بورن: القاعدة التي تعطي احتمال قياس نتيجة معينة من حالة كمومية. إذا كان كيوبت في حالة α|0⟩ + β|1⟩، احتمال قياس 0 هو |α|²، واحتمال قياس 1 هو |β|². سُميت على اسم Max Born، الذي فاز بجائزة نوبل 1954 من أجلها.
فقدان التماسك: العملية التي يفقد بها نظام كمومي خصائصه الكمومية (التراكب والتشابك) بسبب التفاعل مع بيئته. فقدان التماسك هو العقبة الرئيسية لبناء حواسيب كمومية واسعة النطاق، يجب عزل الكيوبتات عن الحرارة والاهتزاز والمجالات الكهرومغناطيسية الشاردة للحفاظ على حالتها الكمومية.
تصحيح الأخطاء الكمومي(QEC): مجموعة من التقنيات لحماية المعلومات الكمومية من فقدان التماسك وأخطاء البوابات بترميز كيوبت منطقي واحد في عدة كيوبتات فيزيائية. الرموز الشائعة تشمل رمز Shor، ورمز Steane، ورمز السطح.
بوابة هادامارد(بوابة H): بوابة كيوبت فردي تنشئ تراكباً متساوياً. مطبقة على |0⟩، تنتج (|0⟩ + |1⟩)/√2. بوابة هادامارد هي حصان العمل للخوارزميات الكمومية وتظهر في بداية تقريباً كل دائرة كمومية.
بوابة CNOT(NOT المتحكم بها): بوابة كيوبتين تقلب الكيوبت الثاني (الهدف) إذا وفقط إذا كان الكيوبت الأول (التحكم) في حالة |1⟩. CNOT هي بوابة التشابك الأكثر شيوعاً، وعند دمجها مع دورانات الكيوبت الفردي، تكون شاملة للحوسبة الكمومية.
حالة بِل: واحدة من أربع حالات كيوبتين متشابكة قصوياً. تشكّل حالات بِل الأربع أساساً لفضاء هيلبرت للكيوبتين وهي أبسط أمثلة التشابك. تُولَّد بتطبيق بوابة هادامارد متبوعة بـ CNOT.
التفوق الكمومي(الميزة الكمومية): النقطة التي يمكن فيها لحاسوب كمومي حل مشكلة لا يستطيع أي حاسوب تقليدي حلها في وقت معقول. ادّعت Google التفوق الكمومي في 2019 بمعالج Sycamore في مهمة أخذ عينات دوائر عشوائية.
خوارزمية Shor: خوارزمية كمومية طورها Peter Shor في 1994 تحلل الأعداد الكبيرة أسرع أُسّياً من أفضل خوارزمية تقليدية معروفة. تهدد خوارزمية Shor تشفير RSA وهي أحد المحفزات الرئيسية للتشفير ما بعد الكمومي.
خوارزمية Grover: خوارزمية كمومية طورها Lov Grover في 1996 تبحث في قاعدة بيانات غير مرتبة من N عنصراً في O(√N) عمليات، أسرع تربيعياً من أفضل خوارزمية تقليدية. تُستخدم كروتين فرعي في كثير من الخوارزميات الكمومية الأخرى.
BB84: أول بروتوكول لتوزيع المفاتيح الكمومي، اخترعه Charles Bennett وGilles Brassard في 1984. يتيح BB84 لطرفين مشاركة مفتاح تشفير سري بأمان مضمون بقوانين الفيزياء، أي متنصت يُكتشف بالضرورة.
متباينة CHSH: متباينة رياضية (Clauser–Horne–Shimony–Holt) يجب أن تستوفيها أي نظرية تقليدية. تنتهك ميكانيكا الكم متباينة CHSH، والانتهاكات التجريبية تُثبت أن الكون لا يمكن وصفه بمتغيرات خفية محلية. مُنحت جائزة نوبل 2022 للتحقق من هذا تجريبياً.
NISQ(كم متوسط الحجم صاخب): مصطلح صاغه John Preskill يصف العصر الحالي للحوسبة الكمومية: مئات إلى آلاف الكيوبتات، لكن بضوضاء كبيرة ودون تصحيح أخطاء كامل. أجهزة NISQ تشمل معالجات IBM Eagle وHeron وآلات IonQ بالأيون المحصور.
النقل الآني الكمومي: بروتوكول لنقل حالة كمومية غير معروفة من موقع إلى آخر باستخدام زوج متشابك مشترك وبتّين تقليديين من الاتصال. على الرغم من الاسم، لا تُنقل مادة أو طاقة، فقط معلومات كمومية.
دالة الموجة: وصف رياضي للحالة الكمومية لنظام. تحتوي دالة الموجة على كل المعلومات اللازمة لحساب احتمالات كل نتيجة قياس ممكنة عبر قاعدة بورن.
مشغّلات باولي(مصفوفات باولي): مجموعة من ثلاث بوابات كيوبت فردي (X, Y, Z) سُميت على اسم Wolfgang Pauli. X هي النظير الكمومي لـ NOT (تقلب |0⟩ ↔ |1⟩)، Y تجمع قلباً وطوراً، وZ تقلب طور |1⟩. مع مصفوفة الوحدة، تشكّل أساساً لكل عمليات الكيوبت الفردي.

تريد فعل هذه الأشياء فعلاً، لا قراءتها فقط؟

Qubi جهاز حوسبة كمومية عملي. احمل التراكب في يدك. اربط جهازين بالتشابك. شغّل دوائر كمومية حقيقية.

احصل على Qubi