الحوسبة الكمومية

الكمبيوتر الكمومي هو كمبيوتر يستغل الظواهر الميكانيكية الكمومية . على المقاييس الصغيرة، تُظهر المادة الفيزيائية خصائص كل من الجسيمات والموجات ، وتستفيد الحوسبة الكمومية من هذا السلوك باستخدام أجهزة متخصصة. لا تستطيع الفيزياء الكلاسيكية تفسير تشغيل هذه الأجهزة الكمومية، ويمكن للكمبيوتر الكمومي القابل للتطوير إجراء بعض الحسابات بشكل أسرع بشكل كبير ^[أ] من أي كمبيوتر "كلاسيكي" حديث. من الناحية النظرية، يمكن للكمبيوتر الكمومي واسع النطاق كسر بعض مخططات التشفير المستخدمة على نطاق واسع ومساعدة الفيزيائيين في إجراء عمليات محاكاة فيزيائية ؛ ومع ذلك، فإن الحالة الحالية للتقنية تجريبية وغير عملية إلى حد كبير، مع وجود العديد من العقبات أمام التطبيقات المفيدة.

الوحدة الأساسية للمعلومات في الحوسبة الكمومية، البت الكمومي (أو "البت الكمومي")، تؤدي نفس وظيفة البت في الحوسبة الكلاسيكية. ومع ذلك، على عكس البت الكلاسيكي، الذي يمكن أن يكون في إحدى حالتين (ثنائي ) ، يمكن أن يوجد البت الكمومي في تراكب لحالتي "الأساس"، وهي حالة تكون بمعنى مجرد "بين" حالتي الأساس. عند قياس البت الكمومي، تكون النتيجة عبارة عن خرج احتمالي لبت كلاسيكي. إذا قام الكمبيوتر الكمومي بالتلاعب بالكيوبت بطريقة معينة، يمكن لتأثيرات التداخل الموجي تضخيم نتائج القياس المطلوبة. يتضمن تصميم الخوارزميات الكمومية إنشاء إجراءات تسمح للكمبيوتر الكمومي بإجراء الحسابات بكفاءة وسرعة.

لم تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية عملية بعد للعمل الحقيقي. وقد ثبت أن الهندسة الفيزيائية للبتات الكمومية عالية الجودة تشكل تحديًا. إذا لم يتم عزل البت الكمومي المادي بشكل كافٍ عن بيئته، فإنه يعاني من فقدان التماسك الكمومي ، مما يؤدي إلى إدخال الضوضاء في الحسابات. استثمرت الحكومات الوطنية بشكل كبير في الأبحاث التجريبية التي تهدف إلى تطوير البتات الكمومية القابلة للتطوير مع أوقات تماسك أطول ومعدلات خطأ أقل. تشمل أمثلة التنفيذ الموصلات الفائقة (التي تعزل التيار الكهربائي عن طريق القضاء على المقاومة الكهربائية ) ومصائد الأيونات (التي تحصر جسيمًا ذريًا واحدًا باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية ).

من حيث المبدأ، يمكن للحاسوب الكلاسيكي حل نفس المشاكل الحسابية التي يحلها الحاسوب الكمومي، إذا ما أتيحت له الفرصة الكافية. وتأتي ميزة الكم في شكل تعقيد الوقت وليس القدرة على الحساب ، وتُظهِر نظرية التعقيد الكمومي أن بعض الخوارزميات الكمومية أكثر كفاءة بشكل كبير من أفضل الخوارزميات الكلاسيكية المعروفة. ومن الناحية النظرية، يمكن للحاسوب الكمومي واسع النطاق حل المشاكل الحسابية التي لا يمكن للحاسوب الكلاسيكي حلها في أي فترة زمنية معقولة. وقد أطلق على مفهوم القدرة الإضافية هذا " التفوق الكمومي ". وفي حين لفتت مثل هذه الادعاءات انتباهًا كبيرًا إلى هذا المجال، إلا أن حالات الاستخدام العملي في الأمد القريب تظل محدودة.

على مدى سنوات عديدة، شكلت مجالات ميكانيكا الكم وعلوم الكمبيوتر مجتمعات أكاديمية متميزة. ^{[1] تطورت} نظرية الكم الحديثة في عشرينيات القرن العشرين لشرح الظواهر الفيزيائية المحيرة التي لوحظت على المقاييس الذرية، ^{[2] [3]} وظهرت أجهزة الكمبيوتر الرقمية في العقود التالية لتحل محل أجهزة الكمبيوتر البشرية في الحسابات المملة. ^[4] كان لكلا التخصصين تطبيقات عملية خلال الحرب العالمية الثانية ؛ لعبت أجهزة الكمبيوتر دورًا رئيسيًا في التشفير في زمن الحرب ، ^[5] وكانت الفيزياء الكمومية ضرورية للفيزياء النووية المستخدمة في مشروع مانهاتن . ^[6]

مع تطبيق الفيزيائيين للنماذج الميكانيكية الكمومية على المشكلات الحسابية واستبدال البتات الرقمية بالبتات الكمومية ، بدأت مجالات ميكانيكا الكم وعلوم الكمبيوتر في التقارب. في عام 1980، قدم بول بينيوف آلة تورينج الكمومية ، والتي تستخدم نظرية الكم لوصف جهاز كمبيوتر مبسط. ^[7] عندما أصبحت أجهزة الكمبيوتر الرقمية أسرع، واجه الفيزيائيون زيادة هائلة في النفقات العامة عند محاكاة ديناميكيات الكم ، ^[8] مما دفع يوري مانين وريتشارد فاينمان إلى اقتراح مستقل أن الأجهزة القائمة على الظواهر الكمومية قد تكون أكثر كفاءة لمحاكاة الكمبيوتر. ^{[9] [10] [11]} في ورقة بحثية عام 1984، طبق تشارلز بينيت وجيليس براسارد نظرية الكم على بروتوكولات التشفير وأظهروا أن توزيع المفتاح الكمومي يمكن أن يعزز أمن المعلومات . ^{[12] [13]}

ثم ظهرت خوارزميات الكم لحل مشاكل أوراكل ، مثل خوارزمية دويتش في عام 1985، ^[14] وخوارزمية بيرنشتاين-فازيراني في عام 1993، ^[15] وخوارزمية سيمون في عام 1994. ^[16] لم تحل هذه الخوارزميات مشاكل عملية، لكنها أثبتت رياضيًا أنه يمكن للمرء الحصول على مزيد من المعلومات عن طريق الاستعلام عن صندوق أسود بحالة كمية في تراكب ، يشار إليه أحيانًا بالتوازي الكمي . ^[17]

بنى بيتر شور على هذه النتائج بخوارزميته عام 1994 لكسر بروتوكولات التشفير RSA و Diffie-Hellman المستخدمة على نطاق واسع، ^[18] والتي لفتت الانتباه بشكل كبير إلى مجال الحوسبة الكمومية. في عام 1996، أسست خوارزمية جروفر تسريعًا كميًا لمشكلة البحث غير المنظم القابلة للتطبيق على نطاق واسع . ^{[19] [20]} في نفس العام، أثبت سيث لويد أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها محاكاة الأنظمة الكمومية دون التكلفة الإضافية الأسيّة الموجودة في المحاكاة الكلاسيكية، ^[21] مما يثبت صحة تخمين فاينمان عام 1982. ^[22]

على مر السنين، قام التجريبيون ببناء أجهزة كمبيوتر كمية صغيرة الحجم باستخدام الأيونات المحاصرة والموصلات الفائقة. ^[23] في عام 1998، أظهر جهاز كمبيوتر كمي ثنائي البتات جدوى التكنولوجيا، ^{[24] [25]} وقد أدت التجارب اللاحقة إلى زيادة عدد البتات الكمومية وتقليل معدلات الخطأ. ^[23]

في عام 2019، أعلنت شركة جوجل للذكاء الاصطناعي ووكالة ناسا أنهما حققتا التفوق الكمي باستخدام جهاز يحتوي على 54 كيوبت، حيث قاما بإجراء عملية حسابية من المستحيل على أي جهاز كمبيوتر كلاسيكي القيام بها. ^{[26] [27] [28]} ومع ذلك، لا يزال البحث جاريًا حول صحة هذا الادعاء. ^{[29] [30]}

يصف مهندسو الكمبيوتر عادةً تشغيل الكمبيوتر الحديث من حيث الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية . داخل هذه الحواسيب "الكلاسيكية"، قد تعتمد بعض المكونات (مثل أشباه الموصلات ومولدات الأرقام العشوائية ) على السلوك الكمي، لكن هذه المكونات ليست معزولة عن بيئتها، لذا فإن أي معلومات كمية تفقد تماسكها بسرعة . في حين قد يعتمد المبرمجون على نظرية الاحتمالات عند تصميم خوارزمية عشوائية ، فإن المفاهيم الميكانيكية الكمومية مثل التراكب والتداخل غير ذات صلة إلى حد كبير بتحليل البرامج .

تعتمد البرامج الكمومية ، على النقيض من ذلك، على التحكم الدقيق في الأنظمة الكمومية المتماسكة . يصف الفيزيائيون هذه الأنظمة رياضيًا باستخدام الجبر الخطي . تقوم الأعداد المركبة بنمذجة سعات الاحتمالات ، وتقوم المتجهات بنمذجة الحالات الكمومية ، وتقوم المصفوفات بنمذجة العمليات التي يمكن إجراؤها على هذه الحالات. إن برمجة الكمبيوتر الكمومي هي إذن مسألة تكوين عمليات بطريقة تجعل البرنامج الناتج يحسب نتيجة مفيدة من الناحية النظرية ويمكن تنفيذه عمليًا.

كما وصف الفيزيائي تشارلي بينيت العلاقة بين أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية، ^[31]

الكمبيوتر الكلاسيكي هو كمبيوتر كمي... لذا لا ينبغي لنا أن نسأل "من أين تأتي السرعات الكمية؟" بل ينبغي لنا أن نقول، "حسنًا، كل أجهزة الكمبيوتر كمية... من أين تأتي التباطؤات الكلاسيكية؟"

تمامًا كما أن البت هو المفهوم الأساسي لنظرية المعلومات الكلاسيكية، فإن البت الكمومي هو الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية . يُستخدم نفس مصطلح البت الكمومي للإشارة إلى نموذج رياضي مجرد وأي نظام فيزيائي يمثله ذلك النموذج. البت الكلاسيكي، بحكم التعريف، موجود في أي من حالتين فيزيائيتين، يمكن الإشارة إليهما 0 و1. كما يوصف البت الكمومي بحالة، وغالبًا ما تُكتب حالتان وتعملان كنظيرين كموميين للحالات الكلاسيكية 0 و1. ومع ذلك، تنتمي الحالات الكمومية و إلى فضاء متجه ، مما يعني أنه يمكن ضربهما بثوابت وإضافتهما معًا، والنتيجة هي مرة أخرى حالة كمومية صالحة. يُعرف مثل هذا المزيج باسم تراكب و . ^{[32] [33]}${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$

يمثل المتجه ثنائي الأبعاد حالة البت الكمومي رياضيًا. يستخدم الفيزيائيون عادةً تدوين ديراك للجبر الخطي الميكانيكي الكمومي ، ويكتبون " كيت بسي " لمتجه مُسمى . نظرًا لأن البت الكمومي هو نظام ثنائي الحالة، فإن أي حالة بت كمومي تأخذ الشكل ، حيث و هما حالات الأساس القياسية ، ^[ب] و و هما سعات الاحتمال ، والتي تكون في أعداد مركبة عامة . ^[33] إذا كان أي من أو يساوي صفرًا، فإن البت الكمومي هو بت كلاسيكي فعليًا؛ عندما يكون كلاهما غير صفري، يكون البت الكمومي في حالة تراكب. يعمل متجه الحالة الكمومي هذا بشكل مشابه لمتجه الاحتمال (الكلاسيكي) ، مع اختلاف رئيسي واحد: على عكس الاحتمالات، فإن سعات الاحتمال ليست بالضرورة أرقامًا موجبة. ^[35] تسمح السعات السلبية بالتداخل الموجي المدمر. ${\displaystyle |\psi \rangle }$ ${\displaystyle \psi }$${\displaystyle \alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$

عندما يتم قياس كيوبت على أساس قياسي ، تكون النتيجة بتًا كلاسيكيًا. تصف قاعدة بورن المطابقة المعيارية التربيعية بين السعات والاحتمالات - عند قياس كيوبت ، تنهار الحالة إلى باحتمالية ، أو إلى باحتمالية . أي حالة كيوبت صالحة لها معاملات و بحيث . على سبيل المثال، سيؤدي قياس كيوبت إلى إنتاج إما أو باحتمالية متساوية. ${\displaystyle \alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |\alpha |^{2}}$${\displaystyle |1\rangle }$${\displaystyle \beta \^{2}}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle |\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1}$${\displaystyle 1/{\sqrt {2}}|0\rangle +1/{\sqrt {2}}|1\rangle }$${\displaystyle |0\rangle }$${\displaystyle |1\rangle }$

كل كيوبت إضافي يضاعف أبعاد مساحة الحالة . [ ^34] على سبيل المثال، المتجه ⁠1/√2| 00⟩ +​1/√2|01⟩ يمثل حالة ثنائية البتات، وهو حاصل ضرب موتر البت |0⟩ مع البت1/√2| 0⟩ +​1/√2|1⟩ . يسكن هذا المتجه فضاء متجه رباعي الأبعاديمتد بين المتجهات الأساسية |00⟩ و |01⟩ و |10⟩ و | 11⟩. حالة بيل1/√2| 00⟩ +​1/√2من المستحيل تحليل |11⟩ إلى حاصل ضرب موتر لبتاتين كموميتين فرديتين - البتات الكموميتان متشابكتان لأن أيًا منهما ليس لديه متجه حالة خاص به. بشكل عام،تكون مساحة المتجه لنظام n- كيوبت ^ثنائية الأبعاد، وهذا يجعل من الصعب على الكمبيوتر الكلاسيكي محاكاة نظام كمومي: يتطلب تمثيل نظام مكون من 100 كيوبت تخزين 2 ¹⁰⁰ قيمة كلاسيكية.

يمكن التلاعب بحالة ذاكرة الكم ذات البت الكمومي الواحد هذه من خلال تطبيق بوابات منطقية كمومية ، على غرار كيفية التلاعب بالذاكرة الكلاسيكية باستخدام بوابات منطقية كلاسيكية . إحدى البوابات المهمة لكل من الحوسبة الكلاسيكية والكمية هي بوابة NOT، والتي يمكن تمثيلها بمصفوفة رياضيًا ، يتم نمذجة تطبيق مثل هذه البوابة المنطقية على متجه الحالة الكمومي باستخدام ضرب المصفوفة . وبالتالي $${\displaystyle X:={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}.}$$

${\displaystyle X|0\rangle =|1\rangle }$و .${\displaystyle X|1\rangle =|0\rangle }$

يمكن توسيع رياضيات بوابات البت الكمومي المفردة للعمل على ذواكر كمية متعددة البتات الكمومية بطريقتين مهمتين. إحدى الطرق هي ببساطة تحديد بت كمومي وتطبيق تلك البوابة على البت الكمومي المستهدف مع ترك بقية الذاكرة دون تأثير. طريقة أخرى هي تطبيق البوابة على هدفها فقط إذا كان جزء آخر من الذاكرة في حالة مرغوبة. يمكن توضيح هذين الخيارين باستخدام مثال آخر. الحالات المحتملة لذاكرة كمية ثنائية البتات الكمومية هي يمكن بعد ذلك تمثيل بوابة NOT (CNOT) المتحكم بها باستخدام المصفوفة التالية: وكنتيجة رياضية لهذا التعريف، و و و و . بعبارة أخرى، تطبق بوابة NOT ( من قبل) بوابة NOT (من قبل) على البت الكمومي الثاني إذا وفقط إذا كان البت الكمومي الأول في الحالة . إذا كان البت الكمومي الأول في الحالة . فلا يتم فعل أي شيء لأي من البت الكموميين. $${\displaystyle |00\rangle :={\begin{pmatrix}1\\0\\0\\0\end{pmatrix}};\quad |01\rangle :={\begin{pmatrix}0\\1\\0\\0\end{pmatrix}};\quad |10\rangle :={\begin{pmatrix}0\\0\\1\\0\end{pmatrix}};\quad |11\rangle :={\begin{pmatrix}0\\0\\0\\1\end{pmatrix}}.}$$$${\displaystyle \operatorname {CNOT} :={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\\0&0&1&0\end{pmatrix}}.}$$${\textstyle \operatorname {CNOT} |00\rangle =|00\rangle }$${\textstyle \operatorname {CNOT} |01\rangle =|01\rangle }$${\textstyle \operatorname {CNOT} |10\rangle =|11\rangle }$${\textstyle \operatorname {CNOT} |11\rangle =|10\rangle }$${\textstyle X}$${\textstyle |1\rangle }$${\textstyle |0\rangle }$

باختصار، يمكن وصف الحوسبة الكمومية بأنها شبكة من البوابات المنطقية الكمومية والقياسات. ومع ذلك، يمكن تأجيل أي قياس إلى نهاية الحوسبة الكمومية، على الرغم من أن هذا التأجيل قد يأتي بتكلفة حسابية، لذا فإن معظم الدوائر الكمومية تصور شبكة تتكون فقط من بوابات منطقية كمومية ولا قياسات.

التوازي الكمي هو الاستدلال الذي يمكن من خلاله تصور أجهزة الكمبيوتر الكمومية على أنها تقوم بتقييم دالة لقيم إدخال متعددة في وقت واحد. ويمكن تحقيق ذلك من خلال إعداد نظام كمي في تراكب لحالات الإدخال وتطبيق تحويل موحد يشفر الدالة المراد تقييمها. تشفر الحالة الناتجة قيم إخراج الدالة لجميع قيم الإدخال في التراكب، مما يسمح بحساب مخرجات متعددة في وقت واحد. هذه الخاصية هي مفتاح لتسريع العديد من الخوارزميات الكمومية. ومع ذلك، فإن "التوازي" بهذا المعنى غير كافٍ لتسريع الحساب، لأن القياس في نهاية الحساب يعطي قيمة واحدة فقط. لكي تكون مفيدة، يجب أن تتضمن الخوارزمية الكمومية أيضًا بعض المكونات المفاهيمية الأخرى. ^{[36] [37]}

هناك عدد من نماذج الحوسبة للحوسبة الكمومية، تتميز بالعناصر الأساسية التي يتم فيها تحليل الحوسبة.

تقوم مجموعة البوابات الكمومية بتحليل الحوسبة إلى سلسلة من البوابات الكمومية ذات البتات الكمومية القليلة . يمكن وصف الحوسبة الكمومية بأنها شبكة من البوابات المنطقية الكمومية والقياسات. ومع ذلك، يمكن تأجيل أي قياس إلى نهاية الحوسبة الكمومية، على الرغم من أن هذا التأجيل قد يأتي بتكلفة حسابية، لذلك تصور معظم الدوائر الكمومية شبكة تتكون فقط من بوابات منطقية كمومية ولا قياسات.

يمكن تمثيل أي حساب كمي (وهو، في الصيغة أعلاه، أي مصفوفة وحدوية بحجم أكثر من كيوبت) كشبكة من بوابات منطقية كمومية من عائلة صغيرة إلى حد ما من البوابات. يُعرف اختيار عائلة البوابة التي تمكن هذا البناء باسم مجموعة البوابة العالمية ، نظرًا لأن الكمبيوتر الذي يمكنه تشغيل مثل هذه الدوائر هو كمبيوتر كمي عالمي . تتضمن إحدى هذه المجموعات الشائعة جميع بوابات الكيوبت المفردة بالإضافة إلى بوابة CNOT من الأعلى. وهذا يعني أنه يمكن إجراء أي حساب كمي عن طريق تنفيذ سلسلة من بوابات الكيوبت المفردة مع بوابات CNOT. على الرغم من أن مجموعة البوابة هذه غير محدودة، إلا أنه يمكن استبدالها بمجموعة بوابة محدودة من خلال الاستعانة بنظرية سولوفاي كيتاييف . يتم تقديم تنفيذ الدوال المنطقية باستخدام بوابات الكم القليلة الكيوبت هنا. ^[38]${\displaystyle 2^{n}\times 2^{n}}$${\displaystyle n}$

يقوم الكمبيوتر الكمومي القائم على القياس بتحليل الحساب إلى سلسلة من قياسات حالة بيل وبوابات كمية أحادية البت يتم تطبيقها على حالة أولية متشابكة للغاية ( حالة المجموعة )، باستخدام تقنية تسمى النقل الآني للبوابة الكمومية .

يقوم الكمبيوتر الكمومي الأدياباتي ، الذي يعتمد على التلدين الكمومي ، بتحليل الحوسبة إلى تحويل بطيء مستمر من هاملتوني أولي إلى هاملتوني نهائي، حيث تحتوي حالاته الأساسية على الحل. ^[39]

الحوسبة الكمومية العصبية (اختصارًا "الحوسبة الكمومية") هي نوع غير تقليدي من الحوسبة يستخدم الحوسبة الكمومية العصبية لإجراء العمليات الكمومية. وقد اقترح أن الخوارزميات الكمومية، وهي خوارزميات تعمل على نموذج واقعي للحوسبة الكمومية، يمكن حسابها بكفاءة متساوية مع الحوسبة الكمومية العصبية. كل من الحوسبة الكمومية التقليدية والحوسبة الكمومية العصبية هي طرق حوسبة غير تقليدية تعتمد على الفيزياء للحسابات ولا تتبع بنية فون نيومان . كلاهما يبني نظامًا (دائرة) يمثل المشكلة الفيزيائية المطروحة ثم يستفيد من خصائصهما الفيزيائية الخاصة بالنظام للبحث عن "الحد الأدنى". تشترك الحوسبة الكمومية العصبية والحوسبة الكمومية في خصائص فيزيائية مماثلة أثناء الحساب.

يقوم الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي بتحليل الحوسبة إلى جدائل الأنيونات في شبكة ثنائية الأبعاد. ^[40]

آلة تورينج الكمومية هي النظير الكمومي لآلة تورينج . ^[7] وقد ثبت أن كل نماذج الحوسبة هذه - الدوائر الكمومية، ^[41] والحوسبة الكمومية أحادية الاتجاه ، ^[42] والحوسبة الكمومية الأدياباتية، ^[43] والحوسبة الكمومية الطوبولوجية ^[44] - تعادل آلة تورينج الكمومية؛ فبالنظر إلى التنفيذ المثالي لأحد هذه الحواسيب الكمومية، فإنه يمكنه محاكاة جميع الحواسيب الأخرى دون تكلفة إضافية تتجاوز الحدود. ولا يلزم أن ينطبق هذا التكافؤ على الحواسيب الكمومية العملية، لأن تكلفة المحاكاة قد تكون كبيرة جدًا بحيث لا تكون عملية.

تُظهِر نظرية العتبة كيف يمكن لزيادة عدد البتات الكمومية أن يخفف من الأخطاء، ^[45] ومع ذلك تظل الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء بالكامل "حلمًا بعيدًا إلى حد ما". ^[46] ووفقًا لبعض الباحثين، قد يكون للآلات الكمومية متوسطة الحجم الصاخبة ( NISQ ) استخدامات متخصصة في المستقبل القريب، لكن الضوضاء في البوابات الكمومية تحد من موثوقيتها. ^[46] نجح العلماء في جامعة هارفارد في إنشاء "دوائر كمومية" تصحح الأخطاء بكفاءة أكبر من الطرق البديلة، مما قد يزيل عقبة رئيسية أمام أجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية. ^{[47] [48]} تم دعم فريق البحث في هارفارد من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وQuEra Computing ، وكالتك ، وجامعة برينستون وتم تمويله من قبل برنامج تحسين وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة ( DARPA) باستخدام أجهزة الكمومية متوسطة الحجم الصاخبة (ONISQ). ^{[49] [50]}

تتمتع الحوسبة الكمومية بإمكانيات تطبيقات كبيرة في مجالات التشفير والأمن السيبراني. يوفر التشفير الكمومي، الذي يعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم، إمكانية إنشاء قنوات اتصال آمنة مقاومة للتنصت. تتيح بروتوكولات توزيع المفاتيح الكمومية (QKD)، مثل BB84، التبادل الآمن للمفاتيح التشفيرية بين الأطراف، مما يضمن سرية وسلامة الاتصال. علاوة على ذلك، يمكن لمولدات الأرقام العشوائية الكمومية (QRNGs) إنتاج أرقام عشوائية عالية الجودة، وهي ضرورية للتشفير الآمن.

ومع ذلك، فإن الحوسبة الكمومية تفرض أيضًا تحديات على أنظمة التشفير التقليدية. فخوارزمية شور، وهي خوارزمية كمومية لتحليل الأعداد الصحيحة إلى عوامل، قد تكسر أنظمة التشفير بالمفتاح العام المستخدمة على نطاق واسع مثل RSA، والتي تعتمد على صعوبة تحليل الأعداد الكبيرة إلى عوامل. والتشفير بعد الكم، والذي ينطوي على تطوير خوارزميات تشفير مقاومة للهجمات من قبل كل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية، هو مجال بحثي نشط يهدف إلى معالجة هذا القلق.

إن البحث المستمر في التشفير الكمي والتشفير ما بعد الكم أمر بالغ الأهمية لضمان أمن الاتصالات والبيانات في مواجهة قدرات الحوسبة الكمومية المتطورة. إن التقدم في هذه المجالات، مثل تطوير بروتوكولات QKD الجديدة، وتحسين QRNGs، وتوحيد خوارزميات التشفير ما بعد الكم، سيلعب دورًا رئيسيًا في الحفاظ على سلامة وسرية المعلومات في عصر الكم. ^[51]

يتيح التشفير الكمي طرقًا جديدة لنقل البيانات بأمان؛ على سبيل المثال، يستخدم توزيع المفتاح الكمي حالات كمية متشابكة لإنشاء مفاتيح تشفير آمنة . ^[52] عندما يتبادل المرسل والمستقبل حالات كمية، يمكنهما ضمان عدم اعتراض الخصم للرسالة، حيث أن أي متنصت غير مصرح له من شأنه أن يزعج النظام الكمي الدقيق ويقدم تغييرًا يمكن اكتشافه. ^[53] باستخدام بروتوكولات التشفير المناسبة ، يمكن للمرسل والمستقبل إنشاء معلومات خاصة مشتركة مقاومة للتنصت. ^{[12] [54]}

يمكن لكابلات الألياف الضوئية الحديثة نقل المعلومات الكمومية لمسافات قصيرة نسبيًا. تهدف الأبحاث التجريبية الجارية إلى تطوير أجهزة أكثر موثوقية (مثل المكررات الكمومية)، على أمل توسيع نطاق هذه التكنولوجيا لتشمل شبكات كمومية طويلة المدى مع التشابك من البداية إلى النهاية. من الناحية النظرية، يمكن أن يمكّن هذا من تطبيقات تكنولوجية جديدة، مثل الحوسبة الكمومية الموزعة والاستشعار الكمومي المعزز . ^{[55] [56]}

يركز التقدم في إيجاد خوارزميات الكم عادةً على نموذج الدائرة الكمومية هذا، على الرغم من وجود استثناءات مثل الخوارزمية الكمومية الأدياباتية . يمكن تصنيف الخوارزميات الكمومية تقريبًا حسب نوع التسريع الذي تم تحقيقه مقارنة بالخوارزميات الكلاسيكية المقابلة. ^[57]

تتضمن الخوارزميات الكمومية التي تقدم أكثر من تسريع متعدد الحدود على أفضل خوارزمية كلاسيكية معروفة خوارزمية شور للعوامل والخوارزميات الكمومية ذات الصلة لحساب اللوغاريتمات المنفصلة وحل معادلة بيل وحل مشكلة المجموعة الفرعية المخفية للمجموعات المحدودة الإبلية بشكل عام . ^[57] تعتمد هذه الخوارزميات على البدائية لتحويل فورييه الكمومي . لم يتم العثور على دليل رياضي يوضح أنه لا يمكن اكتشاف خوارزمية كلاسيكية سريعة بنفس القدر، لكن الأدلة تشير إلى أن هذا غير مرجح. ^[58] بعض مشاكل أوراكل مثل مشكلة سيمون ومشكلة بيرنشتاين-فازيراني تعطي تسريعات قابلة للإثبات، على الرغم من أن هذا موجود في نموذج الاستعلام الكمومي ، وهو نموذج مقيد حيث يكون إثبات الحدود الدنيا أسهل بكثير ولا يترجم بالضرورة إلى تسريعات للمشاكل العملية.

تتضمن المشكلات الأخرى، بما في ذلك محاكاة العمليات الفيزيائية الكمومية من الكيمياء وفيزياء الحالة الصلبة، وتقريب بعض متعددات حدود جونز ، والخوارزمية الكمومية للأنظمة الخطية للمعادلات ، خوارزميات كمومية تبدو وكأنها تعطي تسريعات فائقة الحدود وهي مكتملة من نوع BQP . ولأن هذه المشكلات مكتملة من نوع BQP، فإن وجود خوارزمية كلاسيكية سريعة بنفس القدر لها يعني ضمناً أنه لا توجد خوارزمية كمومية تعطي تسريعًا فائقًا للحدود، وهو أمر يُعتقد أنه غير مرجح. ^[59]

بعض الخوارزميات الكمومية، مثل خوارزمية جروفر وتضخيم السعة ، تعطي تسريعات متعددة الحدود مقارنة بالخوارزميات الكلاسيكية المقابلة. ^[57] على الرغم من أن هذه الخوارزميات تعطي تسريعًا تربيعيًا متواضعًا نسبيًا، إلا أنها قابلة للتطبيق على نطاق واسع وبالتالي تعطي تسريعات لمجموعة واسعة من المشكلات. ^[20]

نظرًا لأن الكيمياء وتكنولوجيا النانو تعتمدان على فهم الأنظمة الكمومية، ومن المستحيل محاكاة مثل هذه الأنظمة بطريقة فعالة كلاسيكيًا، فقد تكون المحاكاة الكمومية تطبيقًا مهمًا للحوسبة الكمومية. ^[60] يمكن أيضًا استخدام المحاكاة الكمومية لمحاكاة سلوك الذرات والجسيمات في ظروف غير عادية مثل التفاعلات داخل المصادم . ^[61] في يونيو 2023، أفاد علماء الكمبيوتر في شركة IBM أن الكمبيوتر الكمومي أنتج نتائج أفضل لمشكلة فيزيائية من الكمبيوتر العملاق التقليدي. ^{[62] [63]}

يستخدم حوالي 2% من الناتج العالمي السنوي للطاقة في تثبيت النيتروجين لإنتاج الأمونيا لعملية هابر في صناعة الأسمدة الزراعية (على الرغم من أن الكائنات الحية الطبيعية تنتج الأمونيا أيضًا). يمكن استخدام المحاكاة الكمومية لفهم هذه العملية وزيادة كفاءة الطاقة في الإنتاج. ^[64] ومن المتوقع أن يكون الاستخدام المبكر للحوسبة الكمومية هو النمذجة التي تعمل على تحسين كفاءة عملية هابر-بوش ^[65] بحلول منتصف عشرينيات القرن الحادي والعشرين ^[66] على الرغم من أن البعض توقع أن يستغرق الأمر وقتًا أطول. ^[67]

من التطبيقات البارزة للحوسبة الكمومية الهجمات على أنظمة التشفير المستخدمة حاليًا. يُعتقد أن تحليل العوامل الصحيحة ، الذي يدعم أمان أنظمة التشفير بالمفتاح العام ، غير قابل للتطبيق حسابيًا باستخدام جهاز كمبيوتر عادي للأعداد الصحيحة الكبيرة إذا كانت ناتجة عن عدد قليل من الأعداد الأولية (على سبيل المثال، ناتج عددين أوليين من 300 رقم). ^[68] وبالمقارنة، يمكن لجهاز الكمبيوتر الكمومي حل هذه المشكلة بشكل أسرع بشكل كبير باستخدام خوارزمية شور لإيجاد عواملها. ^[69] ستسمح هذه القدرة لجهاز الكمبيوتر الكمومي بكسر العديد من أنظمة التشفير المستخدمة اليوم، بمعنى أنه سيكون هناك خوارزمية زمنية متعددة الحدود (في عدد أرقام العدد الصحيح) لحل المشكلة. على وجه الخصوص، تعتمد معظم شفرات المفتاح العام الشائعة على صعوبة تحليل العوامل الصحيحة أو مشكلة اللوغاريتم المنفصل ، وكلاهما يمكن حلهما بواسطة خوارزمية شور. على وجه الخصوص، يمكن اختراق خوارزميات RSA و Diffie–Hellman و Diffie–Hellman للمنحنيات الإهليلجية . تُستخدم هذه الخوارزميات لحماية صفحات الويب الآمنة والبريد الإلكتروني المشفر والعديد من أنواع البيانات الأخرى. ومن شأن اختراق هذه الخوارزميات أن يخلف عواقب وخيمة على الخصوصية والأمان الإلكتروني.

إن تحديد أنظمة التشفير التي قد تكون آمنة ضد الخوارزميات الكمومية هو موضوع بحثي نشط في مجال التشفير ما بعد الكم . ^{[70] [71]} تعتمد بعض خوارزميات المفتاح العام على مشاكل أخرى غير تحليل الأعداد الصحيحة ومشاكل اللوغاريتم المنفصل التي تنطبق عليها خوارزمية شور، مثل نظام تشفير ماك إليس القائم على مشكلة في نظرية الترميز . ^{[70] [72] ومن غير المعروف أيضًا أن} أنظمة التشفير القائمة على الشبكة يمكن كسرها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية، والعثور على خوارزمية زمنية متعددة الحدود لحل مشكلة المجموعة الفرعية المخفية ثنائية السطوح ، والتي من شأنها كسر العديد من أنظمة التشفير القائمة على الشبكة، هي مشكلة مفتوحة مدروسة جيدًا. ^[73] لقد ثبت أن تطبيق خوارزمية جروفر لكسر خوارزمية متماثلة (مفتاح سري) بالقوة الغاشمة يتطلب وقتًا يساوي تقريبًا 2 ^{n / 2} استدعاء للخوارزمية التشفيرية الأساسية، مقارنة بحوالي 2 ⁿ في الحالة الكلاسيكية، ^[74] مما يعني أن أطوال المفاتيح المتماثلة يتم تقليصها إلى النصف فعليًا: سيكون لدى AES-256 نفس الأمان ضد الهجوم باستخدام خوارزمية جروفر الذي يتمتع به AES-128 ضد البحث بالقوة الغاشمة الكلاسيكي (انظر حجم المفتاح ).

المثال الأكثر شهرة لمشكلة تسمح بتسريع الكم متعدد الحدود هو البحث غير المنظم ، والذي يتضمن العثور على عنصر مميز من قائمة عناصر في قاعدة بيانات. يمكن حل هذا بواسطة خوارزمية جروفر باستخدام الاستعلامات إلى قاعدة البيانات، أقل تربيعيًا من الاستعلامات المطلوبة للخوارزميات الكلاسيكية. في هذه الحالة، لا تكون الميزة قابلة للإثبات فحسب، بل إنها مثالية أيضًا: فقد ثبت أن خوارزمية جروفر تعطي أقصى احتمال ممكن للعثور على العنصر المطلوب لأي عدد من عمليات البحث في أوراكل. تعتمد العديد من الأمثلة على التسريع الكمي القابل للإثبات لمشاكل الاستعلام على خوارزمية جروفر، بما في ذلك خوارزمية براسارد وهوير وتاب لإيجاد التصادمات في وظائف اثنين إلى واحد، ^[75] وخوارزمية فارهي وجولدستون وجوتمان لتقييم أشجار NAND. ^[76]${\displaystyle n}$${\displaystyle O({\sqrt {n}})}$${\displaystyle \Omega (n)}$

المشاكل التي يمكن معالجتها بكفاءة باستخدام خوارزمية جروفر لها الخصائص التالية: ^{[77] [78]}

1. لا يوجد هيكل قابل للبحث في مجموعة الإجابات المحتملة،
2. عدد الإجابات المحتملة للتحقق منها هو نفس عدد المدخلات للخوارزمية، و
3. توجد دالة منطقية تقوم بتقييم كل مدخل وتحديد ما إذا كان هو الإجابة الصحيحة.

بالنسبة للمشكلات التي تحتوي على كل هذه الخصائص، فإن وقت تشغيل خوارزمية جروفر على الكمبيوتر الكمومي يتناسب مع الجذر التربيعي لعدد المدخلات (أو العناصر في قاعدة البيانات)، على عكس التدرج الخطي للخوارزميات الكلاسيكية. فئة عامة من المشكلات التي يمكن تطبيق خوارزمية جروفر عليها ^[79] هي مشكلة قابلية الإرضاء المنطقية ، حيث تكون قاعدة البيانات التي تتكرر من خلالها الخوارزمية هي قاعدة بيانات جميع الإجابات الممكنة. ومن الأمثلة والتطبيقات المحتملة لذلك برنامج كسر كلمة المرور الذي يحاول تخمين كلمة مرور. إن كسر التشفير المتماثل باستخدام هذه الخوارزمية أمر يثير اهتمام الوكالات الحكومية. ^[80]

تعتمد عملية التلدين الكمي على النظرية الأدياباتية لإجراء الحسابات. يتم وضع النظام في الحالة الأساسية لمتغير هاملتوني بسيط، والذي يتطور ببطء إلى متغير هاملتوني أكثر تعقيدًا حيث تمثل الحالة الأساسية الحل للمشكلة المعنية. تنص النظرية الأدياباتية على أنه إذا كان التطور بطيئًا بدرجة كافية، فسيظل النظام في الحالة الأساسية طوال العملية.قد يكون التحسين الأديباتي مفيدًا لحل مشكلات البيولوجيا الحسابية . ^[81]

نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على إنتاج مخرجات لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية إنتاجها بكفاءة، ونظرًا لأن الحوسبة الكمومية هي في الأساس جبرية خطية، فإن البعض يعرب عن أمله في تطوير خوارزميات كمية يمكنها تسريع مهام التعلم الآلي . ^{[46] [82]}

على سبيل المثال، يُعتقد أن خوارزمية HHL ، والتي سميت على اسم مكتشفيها هاروو وهاسيديم ولويد، توفر تسريعًا مقارنة بنظيراتها الكلاسيكية. ^{[46] [83]} استكشفت بعض مجموعات البحث مؤخرًا استخدام أجهزة التلدين الكمي لتدريب آلات بولتزمان والشبكات العصبية العميقة . ^{[84] [85] [86]}

تظهر نماذج الكيمياء التوليدية العميقة كأدوات قوية لتسريع اكتشاف الأدوية . ومع ذلك، فإن الحجم الهائل وتعقيد المساحة البنيوية لجميع الجزيئات الشبيهة بالأدوية المحتملة يشكلان عقبات كبيرة، والتي يمكن التغلب عليها في المستقبل بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية جيدة بشكل طبيعي لحل مشاكل الجسم المتعددة الكمومية المعقدة ^[21] وبالتالي قد تكون مفيدة في التطبيقات التي تنطوي على الكيمياء الكمومية. لذلك، يمكن للمرء أن يتوقع أن النماذج التوليدية المحسنة الكمومية ^[87] بما في ذلك شبكات GAN الكمومية ^[88] قد يتم تطويرها في النهاية إلى خوارزميات كيمياء توليدية نهائية.

اعتبارًا من عام 2023، ^[update]تتفوق أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية في جميع التطبيقات في العالم الحقيقي. في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية قد تسرع الحلول لمشاكل رياضية معينة، إلا أنها لا توفر أي ميزة حسابية للمهام العملية. يستكشف العلماء والمهندسون تقنيات متعددة لأجهزة الحوسبة الكمومية ويأملون في تطوير هياكل كمومية قابلة للتطوير، لكن لا تزال هناك عقبات خطيرة. ^{[89] [90]}

هناك عدد من التحديات التقنية في بناء حاسوب كمي واسع النطاق. ^[91] وقد ذكر الفيزيائي ديفيد دي فينسينزو هذه المتطلبات للحاسوب الكمي العملي: ^[92]

• قابلة للتطوير فعليًا لزيادة عدد البتات الكمومية
• البتات الكمومية التي يمكن تهيئتها لقيم عشوائية
• بوابات كمية أسرع من زمن إزالة التماسك
• مجموعة بوابة عالمية
• كيوبتات يمكن قراءتها بسهولة.

كما أن الحصول على أجزاء لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أمر صعب للغاية. حيث تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل ، مثل تلك التي تصنعها جوجل وآي بي إم ، إلى الهيليوم 3 ، وهو منتج ثانوي للأبحاث النووية ، وكابلات فائقة التوصيل خاصة تصنعها شركة Coax Co اليابانية فقط. ^[93]

يتطلب التحكم في أنظمة البتات الكمومية المتعددة توليد وتنسيق عدد كبير من الإشارات الكهربائية بدقة زمنية محددة. وقد أدى هذا إلى تطوير وحدات تحكم كمومية تمكن من التفاعل مع البتات الكمومية. ويشكل توسيع نطاق هذه الأنظمة لدعم عدد متزايد من البتات الكمومية تحديًا إضافيًا. ^[94]

أحد أكبر التحديات التي تنطوي عليها عملية بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو التحكم في إزالة فقدان التماسك الكمومي أو إزالته. وهذا يعني عادةً عزل النظام عن بيئته حيث تتسبب التفاعلات مع العالم الخارجي في فقدان النظام للتماسك. ومع ذلك، توجد أيضًا مصادر أخرى لفقدان التماسك. تشمل الأمثلة بوابات الكم، واهتزازات الشبكة والدوران النووي الحراري الخلفي للنظام الفيزيائي المستخدم لتنفيذ البتات الكمومية. إن فقدان التماسك لا رجعة فيه، لأنه غير موحد فعليًا، وعادةً ما يكون شيئًا يجب التحكم فيه بشدة، إن لم يكن تجنبه. تتراوح أوقات فقدان التماسك للأنظمة المرشحة على وجه الخصوص، ووقت الاسترخاء العرضي T ₂ ( لتكنولوجيا الرنين المغناطيسي النووي والرنين المغناطيسي ، ويُسمى أيضًا وقت إزالة الطور )، عادةً بين النانو ثانية والثواني عند درجة حرارة منخفضة. ^[95] حاليًا، تتطلب بعض أجهزة الكمبيوتر الكمومية تبريد البتات الكمومية الخاصة بها إلى 20 ملي كلفن (عادةً باستخدام ثلاجة تخفيف ^[96] ) لمنع فقدان التماسك بشكل كبير. ^[97] تزعم دراسة أجريت عام 2020 أن الإشعاع المؤين مثل الأشعة الكونية يمكن أن يتسبب مع ذلك في فقدان تماسك بعض الأنظمة في غضون مللي ثانية. ^[98]

ونتيجة لذلك، فإن المهام التي تستغرق وقتًا طويلاً قد تجعل بعض الخوارزميات الكمومية غير قابلة للتشغيل، حيث أن محاولة الحفاظ على حالة البتات الكمومية لفترة طويلة كافية من شأنها أن تؤدي في النهاية إلى إفساد التراكبات. ^[99]

إن هذه المشكلات أكثر صعوبة بالنسبة للطرق البصرية لأن الأطر الزمنية أقصر بكثير، والطريقة التي يتم الاستشهاد بها غالبًا للتغلب عليها هي تشكيل النبضات الضوئية . وعادة ما تكون معدلات الخطأ متناسبة مع نسبة وقت التشغيل إلى وقت فقدان التماسك؛ وبالتالي يجب إكمال أي عملية بسرعة أكبر بكثير من وقت فقدان التماسك.

كما هو موضح في نظرية العتبة ، إذا كان معدل الخطأ صغيرًا بدرجة كافية، فمن المعتقد أنه من الممكن استخدام تصحيح الخطأ الكمومي لقمع الأخطاء وفقدان التماسك. يسمح هذا بأن يكون إجمالي وقت الحساب أطول من وقت فقدان التماسك إذا كان مخطط تصحيح الخطأ قادرًا على تصحيح الأخطاء بشكل أسرع مما يقدمه فقدان التماسك. الرقم الذي يُستشهد به كثيرًا لمعدل الخطأ المطلوب في كل بوابة للحوسبة المقاومة للأخطاء هو 10 ⁻³ ، على افتراض أن الضوضاء قابلة للاستقطاب.

إن تلبية شرط قابلية التوسع هذا ممكن لمجموعة واسعة من الأنظمة. ومع ذلك، فإن استخدام تصحيح الخطأ يجلب معه تكلفة زيادة كبيرة في عدد البتات الكمومية المطلوبة. لا يزال العدد المطلوب لتحليل الأعداد الصحيحة باستخدام خوارزمية شور متعدد الحدود، ويُعتقد أنه بين L و L ² ، حيث L هو عدد الأرقام الثنائية في العدد المراد تحليله؛ ستضخم خوارزميات تصحيح الخطأ هذا الرقم بعامل إضافي قدره L . بالنسبة لرقم مكون من 1000 بت، فهذا يعني الحاجة إلى حوالي 10 ⁴ بت دون تصحيح الخطأ. ^[100] مع تصحيح الخطأ، سيرتفع الرقم إلى حوالي 10 ⁷ بت. يبلغ وقت الحساب حوالي L ² أو حوالي 10 ⁷ خطوات وعند 1  ميجا هرتز، حوالي 10 ثانية. ومع ذلك، فإن النفقات العامة للترميز وتصحيح الأخطاء تزيد من حجم الكمبيوتر الكمومي الحقيقي المقاوم للأخطاء بعدة أوامر من حيث الحجم. تظهر التقديرات الدقيقة ^{[101] [102]} أن ما لا يقل عن 3  ملايين كيوبت فيزيائي يمكنها تحليل عدد صحيح يبلغ 2048 بت في 5 أشهر على جهاز كمبيوتر كمي محاصر بالأيونات مصحح الأخطاء بالكامل. من حيث عدد الكيوبتات الفيزيائية، حتى الآن، يظل هذا أقل تقدير ^[103] لمشكلة تحليل عدد صحيح مفيدة عمليًا بحجم 1024 بت أو أكبر.

هناك نهج آخر لمشكلة الاستقرار وفقدان التماسك وهو إنشاء كمبيوتر كمي طوبولوجي مع الأنيونات ، والجسيمات شبه الجزيئية المستخدمة كخيوط، والاعتماد على نظرية الضفائر لتشكيل بوابات منطقية مستقرة. ^{[104] [105]}

صاغ الفيزيائي جون بريسكيل مصطلح التفوق الكمومي لوصف الإنجاز الهندسي المتمثل في إثبات أن جهازًا كميًا قابلًا للبرمجة يمكنه حل مشكلة تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحديثة. ^{[106] [107] [108]} لا يلزم أن تكون المشكلة مفيدة، لذلك ينظر البعض إلى اختبار التفوق الكمومي باعتباره مجرد معيار مستقبلي محتمل. ^[109]

في أكتوبر 2019، أصبحت شركة Google AI Quantum، بمساعدة وكالة ناسا، أول من ادعى تحقيق التفوق الكمي من خلال إجراء حسابات على الكمبيوتر الكمي Sycamore أسرع بأكثر من 3000000 مرة مما يمكن إجراؤه على Summit ، والذي يُعتبر عمومًا أسرع كمبيوتر في العالم. ^{[27] [110] [111]} تم الطعن في هذا الادعاء لاحقًا: صرحت شركة IBM أن Summit يمكنها إجراء عينات أسرع بكثير مما ادعت، ^{[112] [113]} وقد طور الباحثون منذ ذلك الحين خوارزميات أفضل لمشكلة أخذ العينات المستخدمة للمطالبة بالتفوق الكمي، مما أدى إلى انخفاض كبير في الفجوة بين Sycamore وأجهزة الكمبيوتر العملاقة الكلاسيكية ^{[114] [115] [116]} وحتى التغلب عليها. ^{[117] [118] [119]}

في ديسمبر 2020، نفذت مجموعة في USTC نوعًا من أخذ العينات البوزونية على 76 فوتونًا باستخدام حاسوب الكم الفوتوني ، Jiuzhang ، لإثبات التفوق الكمي. ^{[120] [121] [122]} يزعم المؤلفون أن الحاسوب العملاق المعاصر الكلاسيكي سيتطلب وقتًا حسابيًا يبلغ 600 مليون عام لتوليد عدد العينات التي يمكن لمعالج الكم الخاص بهم توليدها في 20 ثانية. ^[123]

لقد أثارت مزاعم التفوق الكمومي ضجة كبيرة حول الحوسبة الكمومية، ^[124] ولكنها تستند إلى مهام معيارية مصطنعة لا تعني بشكل مباشر تطبيقات مفيدة في العالم الحقيقي. ^{[89] [125]}

في يناير 2024، قدمت دراسة نُشرت في Physical Review Letters التحقق المباشر من تجارب التفوق الكمومي من خلال حساب السعات الدقيقة لسلاسل البتات المولدة تجريبياً باستخدام حاسوب Sunway العملاق من الجيل الجديد، مما يدل على قفزة كبيرة في قدرة المحاكاة المبنية على خوارزمية انكماش شبكة موتر متعددة السعة. يؤكد هذا التطور على المشهد المتطور للحوسبة الكمومية، ويسلط الضوء على التقدم والتعقيدات التي تنطوي عليها عملية التحقق من صحة ادعاءات التفوق الكمومي. ^[126]

على الرغم من الآمال الكبيرة في الحوسبة الكمومية، والتقدم الكبير في الأجهزة، والتفاؤل بشأن التطبيقات المستقبلية، فقد لخصت مقالة في مجلة Nature Spotlight عام 2023 أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية بأنها "في الوقت الحالي، [لا تصلح] لأي شيء على الإطلاق". ^[89] وأوضح المقال أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لم تصبح بعد أكثر فائدة أو كفاءة من أجهزة الكمبيوتر التقليدية في أي حال، على الرغم من أنه زعم أيضًا أنه من المرجح أن تكون مثل هذه الأجهزة مفيدة على المدى الطويل. وجدت مقالة في مجلة Communications of the ACM عام 2023 ^[90] أن خوارزميات الحوسبة الكمومية الحالية "غير كافية لتحقيق ميزة كمية عملية دون تحسينات كبيرة عبر مجموعة البرامج/الأجهزة". وتزعم أن المرشحين الأكثر وعدًا لتحقيق التسريع باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية هم "مشاكل البيانات الصغيرة"، على سبيل المثال في الكيمياء وعلوم المواد. ومع ذلك، خلصت المقالة أيضًا إلى أن مجموعة كبيرة من التطبيقات المحتملة التي أخذتها في الاعتبار، مثل التعلم الآلي، "لن تحقق ميزة كمية مع خوارزميات الكم الحالية في المستقبل المنظور"، وحددت قيود الإدخال/الإخراج التي تجعل التسريع غير محتمل لـ "مشاكل البيانات الضخمة، والأنظمة الخطية غير المنظمة، والبحث في قواعد البيانات بناءً على خوارزمية جروفر".

ويمكن إرجاع هذا الوضع إلى عدة اعتبارات حالية وطويلة الأمد.

• لا يتم تحسين أجهزة الكمبيوتر والخوارزميات التقليدية للمهام العملية فحسب، بل إنها لا تزال تتحسن بسرعة، وخاصة مسرعات وحدة معالجة الرسوميات .
• تولد أجهزة الحوسبة الكمية الحالية كمية محدودة فقط من التشابك قبل أن تغمرها الضوضاء.
• توفر الخوارزميات الكمومية تسريعًا على الخوارزميات التقليدية لبعض المهام فقط، وقد ثبت أن مطابقة هذه المهام مع التطبيقات العملية أمر صعب. تتطلب بعض المهام والتطبيقات الواعدة موارد تتجاوز بكثير تلك المتاحة اليوم. ^{[127] [128]} على وجه الخصوص، تعد معالجة كميات كبيرة من البيانات غير الكمومية تحديًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ^[90]
• لقد تم "إزالة الكم" من بعض الخوارزميات الواعدة، أي أنه تم العثور على نظائر غير كمية لها بنفس التعقيد.
• إذا تم استخدام تصحيح الأخطاء الكمومية لتوسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى التطبيقات العملية، فإن تكلفتها قد تقوض التسريع الذي توفره العديد من الخوارزميات الكمومية. ^[90]
• يؤدي تحليل تعقيد الخوارزميات في بعض الأحيان إلى افتراضات مجردة لا تنطبق على التطبيقات. على سبيل المثال، قد لا تكون بيانات الإدخال متاحة بالفعل مشفرة في حالات كمية، وغالبًا ما تحتوي "وظائف أوراكل" المستخدمة في خوارزمية جروفر على بنية داخلية يمكن استغلالها لخوارزميات أسرع.

على وجه الخصوص، قد يكون بناء أجهزة كمبيوتر بأعداد كبيرة من البتات الكمومية غير مجدٍ إذا لم تكن هذه البتات الكمومية متصلة بشكل جيد بما فيه الكفاية ولا يمكنها الحفاظ على درجة عالية من التشابك لفترة طويلة. عند محاولة التفوق على أجهزة الكمبيوتر التقليدية، غالبًا ما يبحث باحثو الحوسبة الكمومية عن مهام جديدة يمكن حلها على أجهزة الكمبيوتر الكمومية، لكن هذا يترك احتمال تطوير تقنيات غير كمومية فعالة استجابة لذلك، كما هو الحال في عروض التفوق الكمومي. لذلك، من المرغوب فيه إثبات حدود أدنى لتعقيد أفضل الخوارزميات غير الكمومية الممكنة (والتي قد تكون غير معروفة) وإظهار أن بعض الخوارزميات الكمومية تتحسن بشكل غير عرضي على تلك الحدود.

أعرب بعض الباحثين عن شكوكهم في إمكانية بناء أجهزة كمبيوتر كمية قابلة للتطوير على الإطلاق، ويرجع ذلك عادةً إلى مشكلة الحفاظ على التماسك على نطاق واسع، ولكن أيضًا لأسباب أخرى.

شكك بيل أونروه في جدوى أجهزة الكمبيوتر الكمومية في ورقة بحثية نُشرت عام 1994. ^{[129] زعم} بول ديفيز أن جهاز كمبيوتر يحتوي على 400 كيوبت قد يتعارض مع حدود المعلومات الكونية التي ينطوي عليها مبدأ الهولوغرافيا . ^[130] يشكك المتشككون مثل جيل كالاي في إمكانية تحقيق التفوق الكمومي على الإطلاق. ^{[131] [132] [133]} أعرب الفيزيائي ميخائيل دياكونوف عن شكوكه في الحوسبة الكمومية على النحو التالي:

"لذا فإن عدد المعاملات المستمرة التي تصف حالة مثل هذا الحاسوب الكمومي المفيد في أي لحظة معينة لابد وأن يكون... نحو 10300 ^... هل يمكننا أن نتعلم يومًا كيف نتحكم في أكثر من 10300 ^معامل متغير باستمرار يحدد الحالة الكمومية لمثل هذا النظام؟ إجابتي بسيطة. لا، أبدًا. " ^{[134] [135]}

يجب أن يستخدم الكمبيوتر الكمومي العملي نظامًا ماديًا كسجل كمي قابل للبرمجة. ^[137] يستكشف الباحثون العديد من التقنيات كمرشحين لتطبيقات كيوبت موثوقة. ^{[138] تعد} الموصلات الفائقة والأيونات المحاصرة من بين أكثر المقترحات تطورًا، لكن التجريبيين يفكرون في إمكانيات الأجهزة الأخرى أيضًا. ^[139]

تم تنفيذ أول بوابات منطقية كمية باستخدام الأيونات المحاصرة وتم إنشاء نماذج أولية لآلات عامة ذات ما يصل إلى 20 كيوبت. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا وراء هذه الأجهزة تجمع بين معدات الفراغ المعقدة والليزر والميكروويف ومعدات التردد اللاسلكي مما يجعل من الصعب دمج المعالجات كاملة النطاق مع معدات الحوسبة القياسية. علاوة على ذلك، يواجه نظام الأيونات المحاصرة نفسه تحديات هندسية يجب التغلب عليها. ^[140]

تعتمد أكبر الأنظمة التجارية على أجهزة فائقة التوصيل وقد تم توسيعها إلى 2000 كيوبت. ومع ذلك، كانت معدلات الخطأ للأجهزة الأكبر حجمًا في حدود 5%. من الناحية التكنولوجية، تعتمد جميع هذه الأجهزة على التبريد العميق ويتطلب التوسع إلى أعداد كبيرة من الكيوبتات التكامل على نطاق الرقاقة، وهو تحدٍ هندسي خطير في حد ذاته. ^[141]

تشمل جهود البحث لإنشاء وحدات بت كمومية مستقرة للحوسبة الكمومية مناهج الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي. على سبيل المثال، تعمل شركة مايكروسوفت على جهاز كمبيوتر يعتمد على الخصائص الكمومية لجسيمات شبه ثنائية الأبعاد تسمى الأنيونات . ^{[142] [143] [144]}

مع التركيز على وجهة نظر إدارة الأعمال، فإن التطبيقات المحتملة للحوسبة الكمومية تنقسم إلى أربع فئات رئيسية وهي الأمن السيبراني، وتحليلات البيانات والذكاء الاصطناعي، والتحسين والمحاكاة، وإدارة البيانات والبحث. ^[145]

لقد زاد الاستثمار في أبحاث الحوسبة الكمومية في القطاعين العام والخاص. ^{[146] [147]} وكما لخصت إحدى شركات الاستشارات، ^[148]

...  تتدفق دولارات الاستثمار، وتنتشر الشركات الناشئة في مجال الحوسبة الكمومية.  ... وفي حين تعد الحوسبة الكمومية بمساعدة الشركات في حل المشكلات التي تتجاوز نطاق وسرعة أجهزة الكمبيوتر التقليدية عالية الأداء ، فإن حالات الاستخدام تجريبية وافتراضية إلى حد كبير في هذه المرحلة المبكرة.

أي مشكلة حسابية يمكن حلها بواسطة حاسوب كلاسيكي يمكن حلها أيضًا بواسطة حاسوب كمومي. ^[149] بديهيًا، يرجع هذا إلى الاعتقاد بأن جميع الظواهر الفيزيائية، بما في ذلك تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، يمكن وصفها باستخدام ميكانيكا الكم ، والتي تشكل أساس تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

وعلى العكس من ذلك، فإن أي مشكلة يمكن حلها بواسطة جهاز كمبيوتر كمي يمكن حلها أيضًا بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي. من الممكن محاكاة كل من أجهزة الكمبيوتر الكمومية والكلاسيكية يدويًا باستخدام القليل من الورق والقلم، إذا تم منحها وقتًا كافيًا. بشكل أكثر رسمية، يمكن محاكاة أي جهاز كمبيوتر كمي بواسطة آلة تورينج . بعبارة أخرى، لا توفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية أي قوة إضافية على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من حيث قابلية الحساب . وهذا يعني أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا يمكنها حل المشكلات غير القابلة للحل مثل مشكلة التوقف ، ووجود أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا يدحض أطروحة تشيرش-تورينج . ^[150]

في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تستطيع حل أي مشاكل لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية حلها بالفعل، فمن المعتقد أنها تستطيع حل بعض المشاكل بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. على سبيل المثال، من المعروف أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها تحليل الأعداد الصحيحة بكفاءة ، في حين لا يُعتقد أن هذا هو الحال بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

تُسمى فئة المشكلات التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كمي ذو خطأ محدود بـ BQP ، وهي اختصار لـ "خطأ محدود، زمن كمي متعدد الحدود". وبشكل أكثر رسمية، فإن BQP هي فئة المشكلات التي يمكن حلها بواسطة آلة تورنج الكمومية ذات الزمن متعدد الحدود باحتمال خطأ لا يزيد عن 1/3. وباعتبارها فئة من المشكلات الاحتمالية، فإن BQP هي النظير الكمي لـ BPP ("خطأ محدود، زمن احتمالي متعدد الحدود")، وهي فئة المشكلات التي يمكن حلها بواسطة آلات تورنج الاحتمالية ذات الزمن متعدد الحدود ذات الخطأ المحدود. ^[151] ومن المعروف أن و يُشتبه على نطاق واسع في أن ، مما يعني بديهيًا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية أقوى من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية من حيث التعقيد الزمني . ^[152]${\displaystyle {\mathsf {BPP\subseteq BQP}}}$${\displaystyle {\mathsf {BQP\subsetneq BPP}}}$

العلاقة الدقيقة بين BQP و P و NP و PSPACE غير معروفة. ومع ذلك، فمن المعروف أن ؛ أي أن جميع المشكلات التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي حتمي يمكن حلها أيضًا بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كمي، وجميع المشكلات التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كمي يمكن حلها أيضًا بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي حتمي بموارد مساحة متعددة الحدود. يُشتبه أيضًا في أن BQP هي مجموعة فرعية صارمة من P، مما يعني أن هناك مشكلات يمكن حلها بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية والتي لا يمكن حلها بكفاءة بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحتمية. على سبيل المثال، من المعروف أن تحليل العوامل الصحيحة ومشكلة اللوغاريتم المنفصل موجودان في BQP ويُشتبه في أنهما خارج P. فيما يتعلق بعلاقة BQP بـ NP، لا يُعرف سوى القليل بخلاف حقيقة أن بعض مشكلات NP التي يُعتقد أنها ليست في P موجودة أيضًا في BQP (تحليل العوامل الصحيحة ومشكلة اللوغاريتم المنفصل موجودان في NP، على سبيل المثال). يُشتبه في أن ؛ وهذا يعني أنه من المعتقد أن هناك مشكلات يمكن التحقق منها بكفاءة ولا يمكن حلها بكفاءة بواسطة حاسوب كمومي. وكنتيجة مباشرة لهذا الاعتقاد، يُشتبه أيضًا في أن BQP منفصلة عن فئة مشكلات NP-complete (إذا كانت مشكلة NP-complete في BQP، فسيترتب على ذلك من صلابة NP أن جميع المشكلات في NP موجودة في BQP). ^[153]${\displaystyle {\mathsf {P\subseteq BQP\subseteq PSPACE}}}$${\displaystyle {\mathsf {NP\nsubseteq BQP}}}$

• آرونسون، سكوت (2013). الحوسبة الكمومية منذ ديمقريطس . مطبعة جامعة كامبريدج. doi :10.1017/CBO9780511979309. ISBN 978-0-521-19956-8. OCLC  829706638.
• Grumbling, Emily; Horowitz, Mark, eds. (2019). الحوسبة الكمومية: التقدم والآفاق . واشنطن العاصمة: مطبعة الأكاديميات الوطنية. doi :10.17226/25196. ISBN 978-0-309-47970-7. OCLC  1091904777. S2CID  125635007.
• ميرمين، ن. ديفيد (2007). علم الحاسوب الكمي: مقدمة . doi :10.1017/CBO9780511813870. ISBN 978-0-511-34258-5. OCLC  422727925.
• نيلسن، مايكل ؛ تشوانج، إسحاق (2010). الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية (طبعة الذكرى السنوية العاشرة). doi :10.1017/CBO9780511976667. ISBN 978-0-511-99277-3. OCLC  700706156. S2CID  59717455.
• شور، بيتر دبليو. (1994). خوارزميات الحوسبة الكمومية: اللوغاريتمات المنفصلة والتحليل إلى عوامل . ندوة حول أساسيات علوم الكمبيوتر . سانتا في، نيو مكسيكو : معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . ص.  124-134 . doi :10.1109/SFCS.1994.365700. ISBN 978-0-8186-6580-6.

• الوسائط المتعلقة بالحاسوب الكمومي في ويكيميديا ​​كومنز
• مواد تعليمية متعلقة بالحوسبة الكمومية في ويكي الجامعة
• موسوعة ستانفورد للفلسفة : "الحوسبة الكمومية" بقلم أميت هاجار ومايكل إي. كوفارو.
• "الحوسبة الكمومية، نظرية"، موسوعة الرياضيات ، EMS Press ، 2001 [1994]
• الحوسبة الكمومية للفضوليين للغاية بقلم آندي ماتوشاك ومايكل نيلسن

المحاضرات

• الحوسبة الكمومية للمصممين – 22 محاضرة فيديو لمايكل نيلسن
• محاضرات فيديو لديفيد دويتش
• محاضرات في معهد هنري بوانكاريه (شرائح ومقاطع فيديو)
• محاضرة عبر الإنترنت حول مقدمة في الحوسبة الكمومية، إدوارد جيرجوي (2008)
• لوموناكو، سام. أربع محاضرات عن الحوسبة الكمومية ألقيت في جامعة أكسفورد في يوليو 2006