الهندسة الكمومية

الاتصالات الآمنة الكمومية هي طريقة يُفترض أنها "آمنة كموميًا" مع ظهور أنظمة الحوسبة الكمومية، وتستخدم خوارزمية شور لاختراق أنظمة التشفير الحالية . ويتم ذلك من خلال عدد من التقنيات، مثل توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) ، واستخدام مولد أرقام عشوائية كمومية، والترميز الكمومي الكثيف، والنقل الكمومي الآني. ^{[ 13 ]} توزيع المفاتيح الكمومية (QKD) هو طريقة لنقل المعلومات باستخدام الضوء المتشابك بطريقة تجعل أي اعتراض للإرسال واضحًا للمستخدم. ويمكن استخدام مولد أرقام عشوائية كمومية، وهو قادر على إنتاج أرقام عشوائية حقيقية، على عكس الخوارزميات غير الكمومية التي تحاكي العشوائية. ^{[ 14 ]} كما يمكن استخدام تقنية تُسمى الترميز الكمومي الكثيف، حيث يُستخدم كيوبت واحد بدلًا من اثنين من بتات الحاسوب التقليدية. وهذا يُحسّن سعة القناة من خلال التشابك. ومن المهم ملاحظة أن الكيوبت غير قابل للنسخ. ^{[ 13 ]}   تستخدم الحوسبة الكمومية وحدة معلومات أساسية تُسمى الكيوبت بدلاً من البت في الحاسوب التقليدي. الكيوبتات أنظمة كمومية ثنائية المستوى، ويمكن تمثيلها بالقيمة 1 أو 0 أو أي تراكب بين هاتين الحالتين. ^{[ 15 ] [ 16 ]} لا يمكن نسخ الكيوبت بسبب تأثير المراقب، حيث يؤدي قياس خصائص النظام الكمومي إلى تغييره. النقل الكمومي هو تقنية أخرى تُستخدم لنقل الحالة الكمومية للكيوبت لمسافات طويلة دون إرسال الجسيم نفسه مباشرةً. ^{[ 13 ]}

يُفترض أن للحواسيب الكمومية استخدامات مهمة في مجالات مثل التحسين والتعلم الآلي. وهي معروفة بقدرتها المتوقعة على تشغيل خوارزمية شور، التي تُحلل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية، وتُشكل أساسًا لأجزاء من التشفير الحديث المستخدم لتأمين نقل البيانات. هذه القدرة قد تُمكّن الحواسيب الكمومية الصغيرة نسبيًا من التفوق على بعض أكبر الحواسيب العملاقة في حل مسائل رياضية معينة. ^{[ 17 ]}

أجهزة المحاكاة الكمومية هي نوع من الحواسيب الكمومية المصممة لمحاكاة نظام من العالم الحقيقي، مثل مركب كيميائي. ^{[ 18 ] [ 19 ]} نُشرت فكرة أجهزة المحاكاة الكمومية لأول مرة عام 1982 على يد ريتشارد فاينمان. ^{[ 16 ]} تتميز أجهزة المحاكاة الكمومية بسهولة بنائها مقارنةً بالحواسيب الكمومية العامة، إذ لا يتطلب الأمر تحكمًا كاملًا في كل مكون. ^{[ 18 ]} تشمل أجهزة المحاكاة الكمومية قيد التطوير حاليًا الذرات فائقة البرودة في الشبكات البصرية، والأيونات المحصورة، ومصفوفات الكيوبتات فائقة التوصيل، وغيرها. ^{[ 18 ]}

وقد تم اقتراح التعلم الآلي الكمومي أيضاً. ومن الأمثلة على ذلك التجميع الكمومي، حيث يمكن استخدام المبادئ الكمومية لتجميع البيانات في مجموعات، والمشفرات الذاتية الكمومية التي يمكنها ضغط البيانات وإعادة بنائها لاحقاً. ^{[ 17 ]}

تستخدم تقنيات الاستشعار الكمومي خصائص كمومية محددة لتوليد قياسات دقيقة للغاية. فعلى سبيل المثال، تُستخدم أنظمة كمومية مثل الذرات المتعادلة و"الأيونات المحصورة" كمستشعرات كمومية لسهولة التعامل معها ووضعها في حالة معروفة. وتعتمد المستشعرات الكمومية على مجموعة متنوعة من الأنظمة الكمومية المختلفة لاستخلاص قياساتها. ^{[ 20 ]} ويُؤمل أن يكون للمستشعرات الكمومية تطبيقات عديدة في مجالات تقنية متنوعة، تشمل أنظمة تحديد المواقع، وتكنولوجيا الاتصالات، ومستشعرات المجالين الكهربائي والمغناطيسي، وقياس الجاذبية . ^{[ 21 ]}

تُدرس حاليًا إمكانية استخدام أجهزة الاستشعار الكمومية في الهندسة المدنية وعلم القياس لتحديد الظروف الجوفية غير المعروفة في منطقة ما. وتُكمّل هذه الأجهزة تقنيات الرادار المخترق للأرض، والقياس المغناطيسي، والمقاومة الكهربائية، والقياسات الصوتية. ويتم ذلك من خلال إجراء قياسات باستخدام قياس الجاذبية الكمومية. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

تُستخدم أجهزة الاستشعار الكمومية في المجال الطبي للكشف عن التوصيل الكهربائي في الشرايين والأعضاء، ونشاط الخلايا العصبية، وتقدم العلاج الكيميائي، والنظائر المشعة داخل الجسم. ويتم ذلك من خلال تقنيات مثل التشابك الدوراني، واستخدام اللف المغزلي الذري كمستشعرات مغناطيسية، والضوء المضغوط. وتُوفر هذه التقنيات معلومات يُمكن استخدامها لتشخيص أمراض القلب، وسوء التغذية، وهشاشة العظام في مراحلها المبكرة، وأمراض الكلى، بالإضافة إلى بعض أنواع السرطان. ^{[ 24 ]}