أجهزة الكمبيوتر الكمومية :

الحساب الكمومي ‏ هو أي وسيلة تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم وظواهره، مثل حالة التراكب الكمي والتشابك الكمي، للقيام بمعالجة البيانات. في الحواسيب التقليدية، تكون كمية البيانات مقاسة بالبت: أما في الحاسوب الكمي فتقاس كمية البيانات بالكيوبت.

أصبحت برمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية أسهل: صمم علماء الكمبيوتر في ETH Zurich أول لغة برمجة يمكن استخدامها لبرمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ببساطة وموثوقية وأمان مثل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يقول مارتن فيتشيف ، أستاذ علوم الكمبيوتر في مختبر الأنظمة الآمنة والموثوقة والذكية في شركة ETH: “برمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال تمثل تحديًا للباحثين” ، وهذا هو السبب في أنني متحمس للغاية بحيث يمكننا الآن مواصلة تقاليد ETH زيورخ في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية ولغات البرمجة. “

ويضيف: “تسمح لغة البرمجة الكمومية Silq للمبرمجين باستخدام إمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل أفضل من اللغات الحالية ، لأن الشفرة أصغر حجمًا وأسرع وأكثر بديهية وأسهل للفهم للمبرمجين”. هذا الأسبوع ، سيقدم Vechev Silq لخبراء آخرين في هذا المجال في PLDI 2020 ، وهو مؤتمر للغات البرمجة. لتسهيل المناقشة والاعتماد والمزيد من التطوير ، قام هو وفريقه بإطلاق موقع Silq على موقع الويب الخاص به (silq.ethz.ch).

شهدت الحوسبة الكمومية اهتمامًا متزايدًا خلال العقد الماضي ، نظرًا لأن هذه الحواسيب ، التي تعمل وفقًا لمبادئ فيزياء الكم ، لديها إمكانات هائلة. اليوم ، يعتقد معظم الباحثين أن أجهزة الكمبيوتر هذه ستتمكن يومًا ما من حل مشكلات معينة بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، نظرًا لأنها لإجراء حساباتها ، فإنها تستخدم حالات كمية متشابكة تتداخل فيها أجزاء مختلفة من المعلومات في وقت معين. هذا يعني أنه في المستقبل ، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على حل المشكلات التي لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية حلها في إطار زمني معقول.

هذا التفوق الكمي لم يثبت بشكل قاطع. ومع ذلك ، تم تحقيق بعض التطورات التقنية الهامة في الآونة الأخيرة. في أواخر صيف 2019 ، نجح كمبيوتر كمومي في حل مشكلة – وإن كانت محددة للغاية – بسرعة أكبر من أسرع كمبيوتر كلاسيكي.

بالنسبة لبعض “الخوارزميات الكمومية” ، أي الاستراتيجيات الحسابية ، من المعروف أيضًا أنها أسرع من الخوارزميات الكلاسيكية ، التي لا تستغل إمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية. حتى الآن ، ومع ذلك ، لا تزال هذه الخوارزميات لا يمكن حسابها على الأجهزة الكمومية الموجودة لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال حاليًا عرضة للخطأ.

التعبير عن نية المبرمج :

لا يتطلب الاستفادة من إمكانات الحساب الكمومي أحدث التقنيات فحسب ، بل يتطلب أيضًا لغة برمجة كمومية لوصف الخوارزميات الكمية. من حيث المبدأ ، الخوارزمية هي “وصفة” لحل المشكلة ؛ تصف لغة البرمجة الخوارزمية حتى يتمكن الكمبيوتر من إجراء العمليات الحسابية اللازمة.

اليوم ، ترتبط لغات البرمجة الكمية ارتباطًا وثيقًا بأجهزة معينة ؛ وبعبارة أخرى ، فإنهم يصفون بدقة سلوك الدوائر الكامنة. بالنسبة للمبرمجين ، فإن “لغات وصف الأجهزة” هذه مرهقة وعرضة للخطأ ، حيث يجب أن تكون تعليمات البرمجة الفردية مفصلة للغاية وبالتالي تصف بوضوح التفاصيل الدقيقة اللازمة لتنفيذ الخوارزميات الكمية.

هذا هو المكان الذي يأتي فيه Vechev ومجموعته مع تطويرهم لـ Silq. “Silq هي لغة البرمجة الكمية الأولى التي لم يتم تصميمها بشكل أساسي حول بناء ووظيفة الأجهزة ، ولكن على عقلية المبرمجين عندما يريدون حل مشكلة – دون مطالبتهم بفهم كل تفاصيل هندسة الكمبيوتر والتنفيذ “، يقول بنيامين بيشيل ، طالب دكتوراه في مجموعة فيتشيف يشرف على تطوير سيلق.

يشير علماء الكمبيوتر إلى لغات الكمبيوتر التي تجرد من التفاصيل التقنية لنوع معين من أجهزة الكمبيوتر باعتبارها لغات برمجة عالية المستوى. Silq هي أول لغة برمجة عالية المستوى لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. تعد لغات البرمجة عالية المستوى أكثر تعبيرًا ، مما يعني أنها يمكن أن تصف حتى المهام والخوارزميات المعقدة ذات التعليمات البرمجية الأقل. وهذا يجعلها أكثر فهمًا وأسهل في الاستخدام للمبرمجين. كما يمكن استخدامها مع بنى الكمبيوتر المختلفة.

القضاء على الأخطاء من خلال الحوسبة الآلية :

يتعلق أكبر ابتكار وتبسيط يجلبه Silq إلى لغات البرمجة الكمومية بمصدر الأخطاء التي ابتليت بها البرمجة الكمية حتى الآن. يحسب الكمبيوتر مهمة في عدة خطوات وسيطة ، مما يؤدي إلى إنشاء نتائج وسيطة أو قيم مؤقتة.

من أجل تخفيف الذاكرة ، تقوم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بمسح هذه القيم تلقائيًا. يشير علماء الكمبيوتر إلى هذا على أنه “جمع القمامة” ، حيث يتم التخلص من القيم المؤقتة غير الضرورية.

في حالة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، يكون هذا التخلص أكثر تعقيدًا بسبب التشابك الكمي: يمكن أن تتفاعل القيم المحسوبة سابقًا مع القيم الحالية ، مما يتداخل مع الحساب الصحيح. وبناءً على ذلك ، فإن تنظيف هذه القيم المؤقتة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية يتطلب تقنية أكثر تقدمًا لما يسمى بالحاسوب.

يشرح Bichsel: “Silq هي لغة البرمجة الأولى التي تقوم تلقائيًا بتحديد القيم التي لم تعد مطلوبة ومحوها”. وقد حقق علماء الكمبيوتر ذلك من خلال تطبيق معرفتهم بلغات البرمجة الكلاسيكية: تستخدم طريقة الحوسبة الآلية الخاصة بهم أوامر برمجة فقط خالية من أي عمليات كمومية خاصة – فهي “qfree” ، كما يقول Vechev و Bichsel.

يقول Vechev: “Silq هو إنجاز كبير من حيث تحسين برمجة أجهزة الكمبيوتر الكمومية ؛ فهي ليست المرحلة النهائية من التطوير”. لا تزال هناك العديد من الأسئلة المفتوحة ، ولكن نظرًا لأن Silq أسهل في الفهم ، يأمل Vechev و Bichsel في تحفيز كل من التطوير الإضافي للغات البرمجة الكمومية ونظرية وتطوير خوارزميات الكم الجديدة.

يقول Bichsel: “حقق فريقنا المكون من أربعة أشخاص الاختراق بعد عامين من العمل بفضل الجمع بين الخبرات المختلفة في تصميم اللغة وفيزياء الكم والتنفيذ. إذا تبنت فرق البحث والتطوير الأخرى ابتكاراتنا ، فسيكون ذلك نجاحًا كبيرًا”. .

ما رأيك في الموضوع ؟