علم المعلومات الكمي

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

علم المعلومات الكمومية هو مجال متعدد التخصصات يجمع بين مبادئ ميكانيكا الكم ونظرية المعلومات وعلوم الحاسوب لاستكشاف كيفية تسخير الظواهر الكمومية لمعالجة المعلومات وتحليلها ونقلها. [ 1 ] يغطي علم المعلومات الكمومية الجوانب النظرية والتجريبية للفيزياء الكمومية، بما في ذلك حدود ما يمكن تحقيقه باستخدام المعلومات الكمومية . يُستخدم مصطلح نظرية المعلومات الكمومية أحيانًا، ولكنه يشير إلى الجوانب النظرية لمعالجة المعلومات ولا يشمل البحوث التجريبية. [ 2 ]

يستكشف علم المعلومات الكمومية، في جوهره، كيفية سلوك المعلومات عند تخزينها ومعالجتها باستخدام الأنظمة الكمومية. على عكس المعلومات الكلاسيكية، التي تُشفّر في بتات لا يمكن أن تكون إلا 0 أو 1، تستخدم المعلومات الكمومية بتات كمومية أو كيوبتات يمكن أن توجد في آنٍ واحد في حالات متعددة بسبب التراكب . [ 3 ] بالإضافة إلى ذلك، يُتيح التشابك - وهو رابط كمومي فريد بين الجسيمات - وجود ارتباطات لا نظير لها في الأنظمة الكلاسيكية. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

الدراسات العلمية والهندسية

يُعد علم المعلومات الكمومية بطبيعته متعدد التخصصات، إذ يجمع بين الفيزياء وعلوم الحاسوب والرياضيات والهندسة. ويتضمن تطوير أطر نظرية، وتصميم خوارزميات كمومية، وبناء أجهزة كمومية، وتنفيذ بروتوكولات اتصالات كمومية. [ 7 ]

يعتمد النقل الكمومي والتشابك الكمومي وتصنيع الحواسيب الكمومية على فهم شامل للفيزياء الكمومية والهندسة الكمومية. وقد استثمرت جوجل وآي بي إم ، من بين شركات أخرى، بشكل كبير في أبحاث أجهزة الحواسيب الكمومية، مما أدى إلى تقدم ملحوظ في تصنيعها منذ العقد الثاني من الألفية. حاليًا، من الممكن بناء حاسوب كمومي بأكثر من 100 كيوبت ، لكن معدلات الخطأ مرتفعة بسبب عدة عوامل، منها فقدان الترابط الكمومي [ 8 ] ، ونقص الأجهزة والمواد المناسبة لتصنيع الحواسيب الكمومية، مما يجعل من الصعب إنشاء حاسوب كمومي قابل للتطوير [ 9 ] .

أصبحت أجهزة التشفير الكمومي متاحة الآن للاستخدام التجاري. تستخدم لوحة المفاتيح لمرة واحدة ، وهي خوارزمية تشفير استخدمها الجواسيس خلال الحرب الباردة ، سلسلة من المفاتيح العشوائية للتشفير. يمكن تبادل هذه المفاتيح بأمان باستخدام أزواج من الجسيمات المتشابكة كموميًا، حيث تضمن مبادئ نظرية عدم الاستنساخ وانهيار الدالة الموجية التبادل الآمن للمفاتيح العشوائية. يُعد تطوير أجهزة قادرة على نقل الجسيمات المتشابكة كموميًا هدفًا علميًا وهندسيًا بالغ الأهمية.

تُعدّ لغات Qiskit و Cirq و Q Sharp من لغات البرمجة الكمومية الشائعة. وهناك حاجة إلى لغات برمجة إضافية للحواسيب الكمومية، بالإضافة إلى مجتمع أكبر من المبرمجين الكموميين الأكفاء. ولتحقيق هذه الغاية، يلزم توفير موارد تعليمية إضافية، نظرًا لوجود العديد من الاختلافات الجوهرية في البرمجة الكمومية، مما يحدّ من عدد المهارات التي يمكن نقلها من البرمجة التقليدية. [ 10 ] OpenQASM (لغة التجميع الكمومية المفتوحة) هي لغة برمجة إجرائية مستقلة عن الآلة، مصممة لوصف الدوائر الكمومية. وهي مبنية على نموذج الدائرة الكمومية، وتمثل البرامج الكمومية كسلاسل مرتبة من العمليات المُعَلمة، بما في ذلك البوابات والقياسات وإعادة الضبط والحسابات الكلاسيكية في الوقت الحقيقي. وبالإضافة إلى تنفيذ الخوارزميات الكمومية، تُمكّن OpenQASM أيضًا من تحديد الدوائر لمهام مثل توصيف المعالجات الكمومية والتحقق من صحتها وتصحيح أخطائها. [ 11 ]

تُعدّ الخوارزميات الكمومية ونظرية التعقيد الكمومي من المواضيع الرئيسية في مجال الخوارزميات ونظرية التعقيد الحسابي . في عام ١٩٩٤، قدّم عالم الرياضيات بيتر شور خوارزمية كمومية لتحليل الأعداد إلى عواملها الأولية [ ١٢ ] ، والتي، باستخدام حاسوب كمومي يحتوي على ٤٠٠٠ كيوبت منطقي ، يُمكنها اختراق أنظمة التشفير الشائعة الاستخدام مثل RSA و ECC ، مما يُشكّل تهديدًا أمنيًا كبيرًا. وقد أدّى ذلك إلى زيادة الاستثمار في أبحاث الحوسبة الكمومية وتطوير التشفير ما بعد الكمومي [ ١٣ ] استعدادًا لعصر الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء (FTQC). [ ١٤ ] [ ١٥ ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ واتروس، جون (26 أبريل 2018). نظرية المعلومات الكمومية . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-316-85312-2.
  2. ↑ "علم المعلومات الكمومية" . www.pnnl.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-08-06 .
  3. ↑ نيلسن، مايكل أ.؛ تشوانغ، إسحاق ل. (9 ديسمبر 2010). الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية: الطبعة العاشرة . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 978-1-139-49548-6.
  4. ↑ بوب، جيفري (2023). "التشابك الكمي والمعلومات" . في زالتا، إدوارد ن.؛ نودلمان، أوري (محرران). موسوعة ستانفورد للفلسفة (طبعة صيف 2023 ). مختبر أبحاث الميتافيزيقا، جامعة ستانفورد . تاريخ الاسترجاع: 6 أغسطس 2025 . 
  5. ↑ بروكنر، كاسلاف؛ زوكوفسكي، ماريك (2009). "متباينات بيل: الأسس والاتصالات الكمومية". arXiv : 0909.2611 [ quant-ph ].
  6. ↑ براونشتاين، إس إل (2005). "التشابك في معالجة المعلومات الكمومية" . في: أكولين، في إم؛ سرفاتي، أ؛ كوريزكي، جي؛ بيليغرين، إس (محررون). فك الترابط، والتشابك، وحماية المعلومات في الأنظمة الكمومية المعقدة . سلسلة علوم الناتو الثانية: الرياضيات والفيزياء والكيمياء. المجلد 189. دوردريخت: سبرينغر هولندا. الصفحات 17-26 . رمز Bibcode : 2005deip.book...17B . doi : 10.1007/1-4020-3283-8_3 . ISBN   978-1-4020-3283-7.
  7. ↑ "علم المعلومات الكمومية" . Energy.gov . 2024-11-15 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-08-06 .
  8. ↑ شلوسهاور، ماكسيميليان (25-10-2019). "فك الترابط الكمي" . تقارير الفيزياء . 831 : 1-57 . arXiv : 1911.06282 . Bibcode : 2019PhR...831....1S . doi : 10.1016/j.physrep.2019.10.001 . ISSN 0370-1573 . 
  9. ↑ دي ليون، ناتالي ب.؛ إيتوه، كوهي م.؛ كيم، دوهون؛ ميهتا، كاران ك.؛ نورثروب، تريسي إي.؛ بايك، هانهي؛ بالمر، بي إس؛ سامارث، ن.؛ سانغتاويسين، سوراويس؛ ستويرمان، دي دبليو (16 أبريل 2021). " تحديات وفرص المواد لأجهزة الحوسبة الكمومية" . مجلة ساينس . 372 (6539) eabb2823. Bibcode : 2021Sci...372.2823D . doi : 10.1126/science.abb2823 . OSTI 1777671. PMID 33859004 .  
  10. ↑ عمر، برنارد (1 يوليو/تموز 2005). "المفاهيم الكلاسيكية في البرمجة الكمومية". المجلة الدولية للفيزياء النظرية . 44 (7): 943-955 . arXiv : quant-ph/0211100 . Bibcode : 2005IJTP...44..943O . doi : 10.1007/s10773-005-7071-x . ISSN 1572-9575 . 
  11. ↑ "مقدمة إلى OpenQASM" . وثائق IBM Quantum . تم الاطلاع بتاريخ 22-08-2025 .
  12. ↑ شور، بيتر و. (يناير 1999). "خوارزميات زمنية متعددة الحدود لتحليل الأعداد الأولية واللوغاريتمات المنفصلة على حاسوب كمومي" . مجلة SIAM Review . 41 (2): 303-332 . Bibcode : 1999SIAMR..41..303S . doi : 10.1137/S0036144598347011 . ISSN 0036-1445 . 
  13. ↑ بيرنشتاين، دانيال ج. (2025)، "التشفير ما بعد الكمومي" ، موسوعة التشفير والأمن والخصوصية ، سبرينغر، تشام، ص 1846-1847 ، doi : 10.1007/978-3-030-71522-9_386 ، ISBN  978-3-030-71522-9تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-08-06
  14. ↑ هانر، توماس؛ جاك، صموئيل؛ ناهريغ، مايكل؛ روتيلر، مارتن؛ سوكين، ماتياس (2020). "دوائر كمومية محسّنة للوغاريتمات المنفصلة للمنحنيات الإهليلجية" . في: دينغ، جينتاي؛ تيليش، جان بيير (محرران). التشفير ما بعد الكمومي . سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. ص 425-444 . arXiv : 2001.09580 . doi : 10.1007/978-3-030-44223-1_23 . ISBN  978-3-030-44223-1.
  15. ↑ غوتسمان، دانيال (1998-01-01). "نظرية الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء" . مجلة Physical Review A. 57 ( 1): 127–137 . arXiv : quant-ph/9702029 . Bibcode : 1998PhRvA..57..127G . doi : 10.1103/PhysRevA.57.127 .
  • كوانتيكي – بوابة ويكي لعلوم المعلومات الكمومية.
  • خارطة الطريق الأوروبية لمعالجة المعلومات الكمومية والاتصالات ضمن مشروع ERA-Pilot QIST WP1
  • QIIC – معلومات الكم، إمبريال كوليدج لندن.
  • مجموعة المعلومات الكمومية (QIP) - جامعة ليدز. تُعنى هذه المجموعة بدراسة طيف واسع من جوانب المعلومات الكمومية، بدءًا من الخوارزميات والحوسبة الكمومية، وصولًا إلى التطبيقات الفيزيائية لمعالجة المعلومات والقضايا الأساسية في ميكانيكا الكم. كما تتضمن المجموعة بعض الدروس التمهيدية المبسطة للجمهور غير المتخصص.
  • مجموعة أبحاث mathQI في الرياضيات والمعلومات الكمومية.
  • مركز CQIST لعلوم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية في جامعة جنوب كاليفورنيا
  • مركز CQuIC للمعلومات والتحكم الكمي، بما في ذلك المجموعات النظرية والتجريبية من جامعة نيو مكسيكو وجامعة أريزونا.
  • مركز CQT لتقنيات الكم في جامعة سنغافورة الوطنية
  • مركز CQC2T للحوسبة الكمومية وتكنولوجيا الاتصالات
  • مجموعة علوم وتقنيات الكم في جامعة ولاية لويزيانا (QST@LSU)
  • برنامج ماجستير علوم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية في جامعة دلفت للتكنولوجيا (QIST@TU Delft) .