الحوسبة الكمومية

البت هو المفهوم الأساسي لنظرية المعلومات الكلاسيكية. يوجد البت في إحدى حالتين فيزيائيتين، يُرمز إليهما عادةً بالرقمين 0 و1.

الكيوبت هو وحدة المعلومات الكمومية . وهو نموذج رياضي مجرد ينطبق على أي نظام فيزيائي يُمثله هذا النموذج. عند قياسه، يتخذ الكيوبت إحدى حالتين .${\displaystyle |0\rangle }$أو${\displaystyle |1\rangle }$ومع ذلك، فإن الحالات الكمومية${\displaystyle |0\rangle }$و${\displaystyle |1\rangle }$تنتمي إلى فضاء متجهي ، مما يعني أنه يمكن ضربها بثوابت وجمعها معًا، مما ينتج عنه حالة كمومية صالحة. يُعرف هذا التركيب باسم تراكب${\displaystyle |0\rangle }$و${\displaystyle |1\rangle }$[ ^{37 ] [ 38 ]​}

يمثل المتجه ثنائي الأبعاد حالة الكيوبت رياضيًا. يستخدم الفيزيائيون عادةً تدوين برا-كيت للجبر الخطي في ميكانيكا الكم ، ويكتبون${\displaystyle |\psi \rangle }$' ket psi ' لمتجه مُصنَّف${\displaystyle \psi }$لأن الكيوبت نظام ثنائي الحالة، فإن أي حالة كيوبت تأخذ الشكل التالي:${\displaystyle \alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$، أين${\displaystyle |0\rangle }$و${\displaystyle |1\rangle }$هي حالات الأساس القياسية، ^{[ أ ]} و${\displaystyle \alpha }$و${\displaystyle \beta }$هي سعات الاحتمال ، وهي عمومًا أعداد مركبة . ^{[ 38 ]} إذا كان أي منهما${\displaystyle \alpha }$أو${\displaystyle \beta }$عندما تكون قيمة كل من و صفرًا، يكون الكيوبت فعليًا بتًا كلاسيكيًا؛ وعندما تكون قيمتهما غير صفرية، يكون الكيوبت في حالة تراكب. يتصرف متجه الحالة الكمومية هذا بشكل مشابه لمتجه الاحتمال (الكلاسيكي) ، مع اختلاف رئيسي واحد: على عكس الاحتمالات، فإن سعات الاحتمال ليست بالضرورة أعدادًا موجبة. ^{[ 40 ]} تسمح السعات السالبة بتداخل الموجات الهدام.

عند قياس كيوبت في الأساس القياسي ، تكون النتيجة بتًا كلاسيكيًا. تصف قاعدة بورن العلاقة التربيعية بين السعات والاحتمالات عند قياس كيوبت .${\displaystyle \alpha |0\rangle +\beta |1\rangle }$، وتنهار الدولة${\displaystyle |0\rangle }$باحتمال${\displaystyle |\alpha |^{2}}$أو إلى${\displaystyle |1\rangle }$باحتمال${\displaystyle |\beta |^{2}}$أي حالة كيوبت صالحة لها معاملات${\displaystyle \alpha }$و${\displaystyle \beta }$بحيث${\displaystyle |\alpha |^{2}+|\beta |^{2}=1}$على سبيل المثال، قياس الكيوبت${\displaystyle 1/{\sqrt {2}}|0\rangle +1/{\sqrt {2}}|1\rangle }$سينتج إما${\displaystyle |0\rangle }$أو${\displaystyle |1\rangle }$باحتمالية متساوية.

حالتان من حالات التراكب المهمة بشكل خاص هما حالة الجمع${\displaystyle |+\rangle =1/{\sqrt {2}}|0\rangle +1/{\sqrt {2}}|1\rangle }$والحالة السالبة${\displaystyle |-\rangle =1/{\sqrt {2}}|0\rangle -1/{\sqrt {2}}|1\rangle }$بينما ينتج عن كليهما نتيجتان 0 و1 باحتمالية متساوية عند القياس الأساسي القياسي، فإنهما يتصرفان بشكل مختلف في ظل عمليات مثل بوابة هادامارد - التي تقوم برسم${\displaystyle |0\rangle \leftrightarrow |+\rangle }$و${\displaystyle |1\rangle \leftrightarrow |-\rangle }$—إثبات أن اختلافات الطور النسبية تحمل معلومات كمية ذات مغزى.

كل كيوبت إضافي يضاعف بُعد فضاء الحالة . [ ^{39 ] على} سبيل المثال، يُمثل المتجه ⁠ 1 / √2 ⁠ | 00 ⟩ + ⁠ 1 / √2 ⁠ | 01 ⟩ حالةً ثنائية الكيوبت، وهي حاصل ضرب موتر للكيوبت | 0 ⟩ مع الكيوبت ⁠ 1 / √2 ⁠ | 0 ⟩ + ⁠ 1 / √2 ⁠ | 1 ⟩ . يقع هذا المتجه في فضاء متجهي رباعي الأبعاد يمتد بواسطة متجهات الأساس | 00 ⟩ ، | 01 ⟩ ، | 10 ⟩ ، و | 11 ⟩ .

بشكل عام، يكون فضاء المتجهات لنظام مكون من n كيوبت هو 2^ ⁿ بُعد، وهذا يجعل من الصعب على الكمبيوتر الكلاسيكي محاكاة نظام كمومي: تمثيل نظام مكون من 100 كيوبت يتطلب تخزين 2 ^{^100} قيمة كلاسيكية.

يمكن التلاعب بحالة هذه الذاكرة الكمومية أحادية الكيوبت بتطبيق بوابات المنطق الكمومي ، على غرار كيفية التلاعب بالذاكرة الكلاسيكية باستخدام بوابات المنطق الكلاسيكية . إحدى البوابات المهمة لكل من الحوسبة الكلاسيكية والكمومية هي بوابة النفي (NOT)، والتي يمكن تمثيلها بمصفوفة .$${\displaystyle X:={\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}.}$$رياضياً، يتم نمذجة تطبيق بوابة منطقية كهذه على متجه حالة كمومية باستخدام ضرب المصفوفات . وبالتالي،

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

يمكن توسيع نطاق الرياضيات الخاصة ببوابات الكيوبت المفردة لتشمل ذاكرات الكم متعددة الكيوبتات بطريقتين رئيسيتين. تتمثل إحداهما في اختيار كيوبت وتطبيق تلك البوابة عليه مع ترك باقي الذاكرة دون تغيير. أما الطريقة الأخرى، فتتمثل في تطبيق البوابة على هدفها فقط إذا كان جزء آخر من الذاكرة في حالة معينة. يمكن توضيح هاتين الطريقتين بمثال آخر. الحالات الممكنة لذاكرة كم ثنائية الكيوبتات هي:$${\displaystyle |00\rangle$$ :={\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}}.} يمكن تمثيل بوابة NOT المتحكم بها (CNOT) باستخدام المصفوفةالتالية :$${\displaystyle \operatorname {CNOT}$$ :={\begin{pmatrix}1&0&0&0\\0&1&0&0\\0&0&0&1\\0&0&1&0\end{pmatrix}}.} كنتيجة رياضية لهذا التعريف،${\textstyle \operatorname {CNOT} |00\rangle =|00\rangle }$،${\textstyle \operatorname {CNOT} |01\rangle =|01\rangle }$،${\textstyle \operatorname {CNOT} |10\rangle =|11\rangle }$، و${\textstyle \operatorname {CNOT} |11\rangle =|10\rangle }$بمعنى آخر، تقوم بوابة CNOT بتطبيق بوابة NOT (${\textstyle X}$من قبل) إلى الكيوبت الثاني إذا وفقط إذا كان الكيوبت الأول في الحالة${\textstyle |1\rangle }$إذا كان الكيوبت الأول${\textstyle |0\rangle }$لم يتم فعل أي شيء لأي من الكيوبتات.

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 يكون له تكلفة حسابية، لذا فإن معظم الدوائر الكمومية تصور شبكة تتكون فقط من بوابات منطقية كمومية دون أي قياسات.

التوازي الكمومي هو أسلوب استدلالي يُمكن من خلاله اعتبار الحواسيب الكمومية بمثابة تقييم دالة لعدة قيم إدخال في آنٍ واحد. ويتحقق ذلك بتحضير نظام كمومي في حالة تراكب لحالات الإدخال، وتطبيق تحويل وحدوي يُشفّر الدالة المراد تقييمها. تُشفّر الحالة الناتجة قيم مخرجات الدالة لجميع قيم الإدخال في حالة التراكب، مما يُتيح الحساب المتزامن لمخرجات متعددة. تُعد هذه الخاصية أساسية لتسريع العديد من الخوارزميات الكمومية. مع ذلك، فإن التوازي بهذا المعنى غير كافٍ لتسريع الحساب، لأن القياس في نهاية الحساب يُعطي قيمة واحدة فقط. لكي تكون الخوارزمية الكمومية مفيدة، يجب أن تتضمن أيضًا عنصرًا مفاهيميًا آخر. ^{[ 41 ] [ 42 ]}

تُستخدم نماذج حسابية متنوعة للحوسبة الكمومية، وتتميز بالعناصر الأساسية التي يتم فيها تقسيم الحساب.

مصفوفة البوابات

تُقسّم مصفوفة البوابات الكمومية الحساب إلى سلسلة من البوابات الكمومية ذات عدد قليل من الكيوبتات . ويمكن وصف الحساب الكمومي بأنه شبكة من البوابات المنطقية الكمومية والقياسات. ويمكن تأجيل أي قياس إلى نهاية الحساب الكمومي، إلا أن هذا التأجيل قد يكون له تكلفة حسابية، لذا فإن معظم الدوائر الكمومية تُصوّر شبكة تتكون فقط من البوابات المنطقية الكمومية دون أي قياسات.

أي عملية حسابية كمومية (في الصيغة المذكورة أعلاه، أي مصفوفة وحدوية بحجم${\displaystyle 2^{n}\times 2^{n}}$زيادة${\displaystyle n}$يمكن ^{تمثيل الكيوبتات} ( عددها 10 ...​​^​

يقوم الحاسوب الكمومي القائم على القياس بتقسيم الحساب إلى سلسلة من قياسات حالة بيل وبوابات كمومية أحادية الكيوبت مطبقة على حالة أولية متشابكة للغاية ( حالة عنقودية )، باستخدام تقنية تسمى نقل البوابة الكمومية .

يقوم الحاسوب الكمومي الأديباتي ، القائم على التلدين الكمومي ، بتقسيم الحساب إلى تحويل بطيء ومستمر لهاملتونيان أولي إلى هاملتونيان نهائي، تحتوي حالاته الأرضية على الحل. ^{[ 48 ]}

يقوم الحاسوب الكمومي الطوبولوجي بتقسيم الحساب إلى جدل الأنيونات في شبكة ثنائية الأبعاد. ^{[ 49 ]}

تُبيّن نظرية العتبة كيف يُمكن لزيادة عدد الكيوبتات أن تُخفّف من الأخطاء، ^{[ 50 ]} ومع ذلك، لا يزال الحوسبة الكمومية المُتحمّلة للأخطاء تمامًا بعيدة المنال حتى عام 2026. ^{[ 51 ]} ووفقًا لبعض الباحثين، قد يكون للآلات الكمومية متوسطة النطاق المُشوشة ( NISQ ) استخدامات مُتخصصة في المستقبل القريب، لكن التشويش في البوابات الكمومية يُحدّ من موثوقيتها. ^{[ 51 ]} وقد ابتكر علماء في جامعة هارفارد "دوائر كمومية" تُصحّح الأخطاء بكفاءة أكبر من الطرق البديلة، مما قد يُزيل عقبة رئيسية أمام الحواسيب الكمومية العملية. ^{[ 52 ]} وقد حظي فريق البحث في هارفارد بدعم من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وشركة QuEra Computing ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ( Caltech ) وجامعة برينستون ، ومُوّل من برنامج التحسين باستخدام الأجهزة الكمومية متوسطة النطاق المُشوشة (ONISQ) التابع لوكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA ). ^{[ 53 ] [ 54 ]}

النقل الكمومي هو بروتوكول يمكّن أليس من نقل الحالة الكمومية لكيوبت إلى بوب باستخدام زوج متشابك مشترك (بت-e) وبتتين كلاسيكيتين للاتصال. لا تُنقل حالة كيوبت أليس فعليًا، بل يُعاد بناؤها لدى بوب من خلال نتائج القياسات المنقولة كلاسيكيًا والتصحيحات الوحدوية المحلية. يُبيّن هذا أن الاتصال الكمومي يتطلب كلاً من التشابك والاتصال الكلاسيكي؛ فلا يكفي أحدهما بمفرده. لا يمكن استخدام النقل الكمومي لنقل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء لأن البتات الكلاسيكية يجب أن تنتقل عبر قنوات عادية.

يُعدّ التشفير فائق الكثافة بروتوكولًا مُكمّلًا: فباستخدام بت إلكتروني مشترك واحد وإرسال كيوبت واحد فقط، تستطيع أليس إرسال بتين كلاسيكيين إلى بوب. يبدو هذا مُخالفًا لنظرية هوليفو - التي تنص على أن الكيوبت الواحد لا يستطيع حمل أكثر من بت واحد من المعلومات الكلاسيكية - لكن التشابك المشترك يتجاوز هذا الحد. وهكذا، يُبرهن التشفير فائق الكثافة على أن التشابك يُمكنه مُضاعفة قدرة الاتصالات الكمومية على حمل المعلومات الكلاسيكية.

بما أن الكيمياء وتقنية النانو تعتمدان على فهم الأنظمة الكمومية، والتي يستحيل محاكاتها بكفاءة بالطرق التقليدية، فإن المحاكاة الكمومية قد تكون تطبيقًا مهمًا. ^{[ 64 ]} يُعدّ علم الكيمياء الحاسوبية الكمومية واعدًا للحوسبة الكمومية، لا سيما في مسائل البنية الإلكترونية، والديناميكا الكيميائية، والتحليل الطيفي؛ إلا أن التطبيقات العملية لا تزال محدودة من حيث إمكانيات الأجهزة. ^{[ 65 ]} يمكن استخدام المحاكاة الكمومية لمحاكاة سلوك الذرات والجسيمات في ظل ظروف غير اعتيادية، مثل التفاعلات داخل مصادم الجسيمات . ^{[ 66 ]} في يونيو 2023، أفاد علماء حاسوب في شركة IBM أن حاسوبًا كموميًا حقق نتائج أفضل في مسألة فيزيائية مقارنةً بحاسوب عملاق تقليدي. ^{[ 67 ] [ 68 ]}

يُستخدم حوالي 2% من إجمالي الطاقة العالمية السنوية لتثبيت النيتروجين وإنتاج الأمونيا اللازمة لعملية هابر في صناعة الأسمدة الزراعية. ويمكن استخدام المحاكاة الكمومية لفهم هذه العملية وزيادة كفاءة الطاقة. ^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}

تُمكّن التشفير الرقمي من الحفاظ على خصوصية الاتصالات، مما يمنع الأطراف غير المصرح لها من الوصول إليها. يعتمد التشفير التقليدي، الذي يُخفي الرسالة بمفتاح عبر خوارزمية، على صعوبة فك تشفير هذه الخوارزمية. ويُعدّ التشفير أساس التوقيعات الرقمية وآليات المصادقة. قد تكون الحوسبة الكمومية أكثر قوةً بما يكفي لجعل فك التشفير الصعب ممكنًا، مما يسمح بقراءة الرسائل التي تعتمد على التشفير التقليدي. ^{[ 73 ]}

وبالتالي، يُمكن نظريًا استخدام الحوسبة الكمومية لمهاجمة أنظمة التشفير المُستخدمة حاليًا. يُعتقد أن تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية ، والذي يُشكل أساس أمان أنظمة التشفير بالمفتاح العام ، غير ممكن حسابيًا على الحاسوب التقليدي للأعداد الصحيحة الكبيرة الناتجة عن ضرب عدد قليل من الأعداد الأولية (مثل حاصل ضرب عددين أوليين مكونين من 300 رقم). ^{[ 74 ]} في المقابل، يُمكن للحاسوب الكمومي حل هذه المشكلة بسرعة هائلة باستخدام خوارزمية شور لتحليل العدد الصحيح إلى عوامله الأولية. ^{[ 75 ]} وهذا من شأنه أن يسمح للحاسوب الكمومي باختراق العديد من أنظمة التشفير الشائعة ، بمعنى أن خوارزمية ذات زمن متعدد الحدود (بالنسبة لعدد أرقام العدد الصحيح) يُمكنها القيام بذلك. على وجه الخصوص، تعتمد معظم خوارزميات التشفير بالمفتاح العام الشائعة على صعوبة تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية أو اللوغاريتم المتقطع . وعلى وجه التحديد، يُمكن اختراق خوارزميات RSA و Diffie-Hellman و Diffie-Hellman للمنحنى الإهليلجي . تُستخدم هذه التقنيات لتأمين صفحات الويب، ورسائل البريد الإلكتروني المشفرة، والعديد من البيانات الأخرى. إن اختراقها سيؤدي إلى عواقب وخيمة على الخصوصية والأمان الإلكترونيين.

يُعدّ تحديد أنظمة التشفير الآمنة ضد الخوارزميات الكمومية موضوعًا بحثيًا نشطًا في مجال التشفير ما بعد الكمومي . ^{[ 76 ] [ 77 ]} تعتمد بعض خوارزميات المفتاح العام على مسائل لا تستطيع خوارزمية شور حلّها، مثل نظام تشفير ماكليس ، الذي يعتمد على مسألة معقدة في نظرية الترميز . ^{[ 76 ] [ 78 ]} من غير المعروف أن أنظمة التشفير القائمة على الشبكات عرضة للاختراق بواسطة الحواسيب الكمومية، ويُعدّ إيجاد خوارزمية ذات زمن متعدد الحدود لحلّ مسألة المجموعة الفرعية المخفية ثنائية السطوح ، والتي من شأنها كسر العديد من أنظمة التشفير القائمة على الشبكات، مسألة مفتوحة دُرست جيدًا. ^{[ 79 ]} يتطلب تطبيق خوارزمية جروفر لكسر خوارزمية متناظرة (مفتاح سري) عن طريق القوة الغاشمة ما يقرب ^من 2n ^/2 استدعاءات للخوارزمية التشفيرية الأساسية، مقارنة بحوالي 2n في الحالة الكلاسيكية، ^{[ 80 ] مما يعني أن أطوال المفاتيح المتناظرة يتم تخفيضها إلى النصف فعليًا: سيكون لـ} AES-256 أمان مماثل ضد مثل هذا الهجوم مقارنةً بـ AES-128 ضد البحث الكلاسيكي بالقوة الغاشمة.

صُممت خوارزميات ما بعد الكموم بحيث تعمل على الحواسيب التقليدية ولكن يصعب اختراقها. يستبدل التشفير الكمومي خوارزميات التشفير التقليدية بتقنيات تعتمد على ميكانيكا الكم، مثل التشابك الكمومي. من حيث المبدأ، لا يمكن فك تشفير التشفير الكمومي حتى بواسطة حاسوب كمومي. تأتي هذه الميزة بتكلفة بنية تحتية باهظة، مع منع فك تشفير الرسائل المشروعة بشكل فعال. ^{[ 73 ]}

أشهر مثال على مشكلة تسمح بتسريع كمي متعدد الحدود هو البحث غير المنظم، والذي يتضمن إيجاد عنصر محدد من قائمة من${\displaystyle n}$يمكن حل هذه المشكلة باستخدام خوارزمية جروفر.${\displaystyle O({\sqrt {n}})}$عدد الاستعلامات الموجهة إلى قاعدة البيانات أقل بمقدار تربيعي من عدد الاستعلامات الموجهة إلى قاعدة البيانات.${\displaystyle \Omega (n)}$تتطلب الخوارزميات التقليدية استعلامات. في هذه الحالة، لا تقتصر الميزة على كونها قابلة للإثبات فحسب، بل هي أيضًا مثالية: فقد ثبت أن خوارزمية غروفر تعطي أعلى احتمال ممكن للعثور على العنصر المطلوب لأي عدد من عمليات البحث في أوراكل. تستند العديد من الأمثلة على تحسينات السرعة القابلة للإثبات لمسائل الاستعلام إلى خوارزمية غروفر، بما في ذلك خوارزمية براسارد وهويير وتاب لإيجاد التصادمات في الدوال الثنائية، ^{[ 81 ]} وخوارزمية فارهي وغولدستون وغوتمان لتقييم أشجار NAND. ^{[ 82 ]}

تتميز المشكلات التي يمكن معالجتها بكفاءة باستخدام خوارزمية جروفر بالخصائص التالية: ^{[ 83 ] [ 84 ]}

• لا تحتوي مجموعة الإجابات المحتملة على بنية قابلة للبحث
• عدد الإجابات المحتملة التي يجب التحقق منها هو نفسه عدد المدخلات للخوارزمية.
• توجد دالة منطقية تقوم بتقييم كل مدخل وتحديد ما إذا كان هو الإجابة الصحيحة.

بالنسبة للمسائل التي تتسم بكل هذه الخصائص، يتناسب زمن تشغيل خوارزمية غروفر على الحاسوب الكمومي طرديًا مع الجذر التربيعي لعدد المدخلات (أو العناصر في قاعدة البيانات)، على عكس التناسب الخطي للخوارزميات التقليدية. ومن بين المسائل العامة التي يمكن تطبيق خوارزمية غروفر عليها ^{[ 85 ]} مسألة إرضاء الخوارزمية المنطقية ، حيث تتكرر الخوارزمية عبر جميع الإجابات الممكنة. ومن الأمثلة على ذلك، وتطبيق محتمل لهذه الخوارزمية، برنامج لكسر كلمات المرور يحاول تخمينها. ويُعد كسر التشفير المتناظر باستخدام هذه الخوارزمية ذا أهمية بالغة للجهات الحكومية. ^{[ 86 ]}

تستخدم عملية التلدين الكمومي نظرية التغير الأديباتي لإجراء الحسابات. يُوضع النظام في الحالة الأرضية لهاملتوني بسيط، والذي يتطور إلى هاملتوني أكثر تعقيدًا، وتمثل حالته الأرضية حلًا للمسألة المطروحة. تنص نظرية التغير الأديباتي على أنه إذا كان التطور بطيئًا بما يكفي، فإن النظام يبقى في حالته الأرضية طوال العملية. يمكن للتلدين الكمومي حل نماذج إيزينغ ومسألة التحسين الثنائي غير المقيد التربيعي (QUBO) (المكافئة حسابيًا)، والتي بدورها يمكن استخدامها لترميز نطاق واسع من مسائل التحسين التوافقي . ^{[ 87 ]}قد يكون التحسين الأديباتي مفيدًا لحل مشاكل البيولوجيا الحاسوبية . ^{[ 88 ]}

بما أن الحواسيب الكمومية قادرة على إنتاج مخرجات لا تستطيع الحواسيب التقليدية إنتاجها بكفاءة، وبما أن الحوسبة الكمومية هي في جوهرها جبر خطي، فمن الممكن تطوير خوارزميات كمومية قادرة على تسريع مهام التعلم الآلي . ^{[ 51 ] [ 89 ]} مع ذلك، تشير الدراسات السابقة إلى أن العديد من مزايا التعلم الآلي الكمومي المقترحة تعتمد على افتراضات حول كفاءة ترميز البيانات أو استمرار الوصول إلى الأجهزة الكمومية، ولم تُترجم إلى فائدة عملية حتى عام 2024. ^{[ 90 ] [ 91 ]} على سبيل المثال، يُعتقد أن خوارزمية HHL توفر تسارعًا مقارنةً بنظيراتها التقليدية. ^{[ 51 ] [ 92 ]} وقد استكشفت مجموعات بحثية أجهزة التلدين الكمومي لتدريب آلات بولتزمان والشبكات العصبية العميقة . ^{[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]}

تم استكشاف نماذج الكيمياء التوليدية العميقة لتطبيقاتها المحتملة في اكتشاف الأدوية . كما تم استكشاف الأجهزة الكمومية المتاحة على المدى القريب لنمذجة الجزيئات التوليدية في مجال اكتشاف الأدوية. في عام 2023، أبلغ باحثون عن نموذج توليدي هجين كمومي-كلاسيكي قائم على آلة بولتزمان المقيدة، تم تنفيذه على جهاز تلدين كمومي متوفر تجاريًا، لتوليد جزيئات صغيرة جديدة ذات خصائص فيزيائية وكيميائية مماثلة للمركبات الدوائية. ^{[ 96 ] [ 97 ]} ومع ذلك، فإن الحجم الهائل والتعقيد الكبير للفضاء الهيكلي لجميع الجزيئات ذات الصلة المحتملة يشكلان عقبات كبيرة، والتي يمكن التغلب عليها في المستقبل بواسطة الحواسيب الكمومية. تتميز الحواسيب الكمومية بقدرتها على حل مسائل الأجسام المتعددة الكمومية المعقدة ^{[ 23 ]} ، وبالتالي يمكن تطبيقها على التطبيقات التي تشمل الكيمياء الكمومية. يمكن تطوير النماذج التوليدية المحسّنة كموميًا ^{[ 98 ]} ، بما في ذلك الشبكات التوليدية التنافسية الكمومية (GANs) ^{[ 99 ]} ، لتصبح خوارزميات للكيمياء التوليدية.

تم استكشاف الذكاء الاصطناعي كأداة لاكتشاف خوارزميات الكم وتحسينها. وقد وُصف نظام AlphaEvolve ، التابع لشركة Google DeepMind والمبني على نماذج لغوية ضخمة وخوارزميات تطورية ، بأنه وكيل ترميز للاكتشاف العلمي والخوارزمي. ^{[ 100 ]} وفي أبحاث الحوسبة الكمومية، استُخدمت الدوائر الكمومية المُحسَّنة بواسطة AlphaEvolve في دراسة الحوسبة الكمومية للهندسة الجزيئية من خلال صدى الدوران النووي متعدد الأجسام . ^{[ 101 ]}

يواجه بناء حاسوب كمومي واسع النطاق العديد من التحديات التقنية. ^{[ 104 ]} وقد حدد الفيزيائي ديفيد دي فينسينزو هذه المتطلبات لحاسوب كمومي عملي: ^{[ 105 ]}

• قابلة للتوسع المادي لزيادة عدد الكيوبتات
• الكيوبتات التي يمكن تهيئتها بقيم عشوائية
• بوابات كمومية أسرع من زمن فقدان الترابط
• مجموعة بوابات عالمية
• كيوبتات سهلة القراءة.

يتطلب التحكم في أنظمة متعددة الكيوبتات توليدًا سريعًا وتنسيقًا لعدد كبير من الإشارات الكهربائية بتوقيت محدد. وقد أدى ذلك إلى تطوير وحدات تحكم كمومية تُمكّن من التفاعل مع الكيوبتات. ويُعدّ توسيع نطاق هذه الأنظمة لدعم العديد من الكيوبتات تحديًا إضافيًا. ^{[ 106 ]}

أدى احتمال اختراق التشفير بالمفتاح العام إلى تغييرات في استراتيجيات الأمن السيبراني العالمية. وقد بدأ المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) عمليات توحيد قياسية مفصلة للتشفير ما بعد الكمومي. وتهدف هذه الجهود العالمية إلى تطوير وتقييم ونشر خوارزميات تشفير تظل آمنة ضد الهجمات الكمومية والكلاسيكية على حد سواء. ^{[ 107 ]}

يتمثل أحد أساليب حل مشكلة قابلية التوسع في توزيع العمليات الحسابية على وحدات معالجة كمومية أصغر متعددة بدلاً من زيادة عدد الكيوبتات في جهاز واحد. في هذه البنى المعيارية - والتي تُعرف أيضاً باسم الحوسبة الكمومية الموزعة (DQC) - تحتوي كل وحدة على عدد محدود من الكيوبتات، وترتبط الوحدات فيما بينها عبر قنوات كمومية (مثل الألياف الضوئية) ووصلات اتصال تقليدية، لتشكل نظام حوسبة منطقي واحد. ^{[ 123 ]}

في إحدى الاستراتيجيات، يُطبَّق المنطق الكمومي بين الكيوبتات في وحدات مختلفة باستخدام نقل البوابات الكمومية ، وذلك بالاعتماد على التشابك عن بُعد بين الوحدات، مع إجراء عمليات وقياسات محلية داخل كل وحدة، ونقل نتائج القياسات بالطريقة التقليدية. ^{[ 124 ]} وقد تم عرض خوارزميات كمومية موزعة عبر رابط شبكة ضوئية بين وحدات الأيونات المحصورة، بالإضافة إلى بوابات ثنائية الكيوبتات المنقولة عن بُعد بين سجلات كيوبتات الحالة الصلبة البعيدة القائمة على مراكز النيتروجين-الفراغ في الماس، في عام 2025. ^{[ 123 ] [ 125 ]}

يُعد توليد التشابك عن بُعد بمعدل عالٍ ودقة عالية عبر الشبكة التحدي الأساسي في البروتوكولات الموزعة. وقد يصبح الاستشعار الكمومي جزءًا لا يتجزأ من الحوسبة الكمومية الموزعة. ^{[ 126 ]}

صاغ جون بريسكيل مصطلح "التفوق الكمومي" لوصف الإنجاز الهندسي المتمثل في إثبات قدرة جهاز كمومي قابل للبرمجة على حل مشكلة تتجاوز قدرات الحواسيب التقليدية. ^{[ 127 ] [ 51 ] [ 128 ]} ولا يشترط أن تكون المشكلة مفيدة، لذا قد يكون اختبار التفوق الكمومي مجرد معيار مستقبلي. ^{[ 129 ]}

في أكتوبر 2019، أعلنت جوجل للذكاء الاصطناعي الكمومي ، بالتعاون مع وكالة ناسا ، أنها أول من ادعى تحقيق التفوق الكمومي، وذلك بإجراء حسابات على حاسوب سايكامور الكمومي أسرع بأكثر من 3 ملايين مرة من تلك التي كان يُمكن إجراؤها على حاسوب ساميت ، الذي كان يُعتبر آنذاك أسرع حاسوب في العالم. ^{[ 29 ] [ 130 ] [ 131 ]} وقد طُعن في هذا الادعاء، حيث صرّحت شركة آي بي إم بأن ساميت قادر على إجراء عمليات أخذ العينات بسرعة أكبر بكثير مما زُعم. ^{[ 132 ] [ 133 ]} وفي وقت لاحق، طوّر الباحثون خوارزميات كمومية أفضل لحل مشكلة أخذ العينات، ^{[ 134 ] [ 135 ] [ 136 ]} وربما تفوقوا على ساميت. ^{[ 137 ] [ 138 ] [ 139 ]}

في ديسمبر 2020، نفّذ فريقٌ في جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية (USTC) نوعًا من أخذ عينات البوزونات على 76 فوتونًا باستخدام حاسوب كمومي ضوئي يُدعى جيوتشانغ ، سعيًا لتحقيق التفوق الكمومي. ^{[ 140 ] [ 141 ] [ 142 ]} وادّعى الباحثون أن الحاسوب التقليدي سيحتاج إلى 600 مليون سنة لتوليد عدد العينات التي ولّدها معالجهم الكمومي في 20 ثانية. ^{[ 143 ]}

استندت الادعاءات المبالغ فيها حول التفوق الكمومي، ^{[ 144 ]} إلى مهام لا تنطوي بشكل مباشر على تطبيقات في العالم الحقيقي. ^{[ 102 ] [ 145 ]}

أفادت دراسة أجريت في يناير 2024 بالتحقق من تجارب التفوق الكمي من خلال حساب السعات الدقيقة لسلاسل البتات المولدة تجريبياً باستخدام حاسوب عملاق من شركة صن واي، مما يدل على قفزة كبيرة في قدرة المحاكاة المبنية على خوارزمية انكماش شبكة الموتر متعددة السعات . ^{[ 146 ]}

على الرغم من الآمال الكبيرة المعقودة على الحوسبة الكمومية، والتقدم الملحوظ في مجال الأجهزة، والتفاؤل بشأن تطبيقاتها المستقبلية، لخصت مقالة نُشرت عام 2023 أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية بأنها "غير مجدية على الإطلاق في الوقت الراهن". زعمت المقالة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية لا تزال عديمة الفائدة عمليًا، على الرغم من احتمالية استخدامها في المستقبل. ^{[ 102 ]} وذكرت مقالة أخرى نُشرت عام 2023 أن خوارزميات الحوسبة الكمومية "غير كافية لتحقيق ميزة كمومية عملية دون تحسينات كبيرة في بنية البرمجيات والأجهزة". وتوقعت أن أكثر المجالات الواعدة لتحقيق تسريع باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي "مشكلات البيانات الصغيرة"، على سبيل المثال، في الكيمياء وعلوم المواد. وخلصت إلى أن العديد من مجالات التطبيق، مثل التعلم الآلي، "لن تحقق ميزة كمومية باستخدام الخوارزميات الكمومية الحالية في المستقبل المنظور"، وحددت قيود الإدخال/الإخراج التي تجعل التسريع غير مرجح في "مشكلات البيانات الضخمة، والأنظمة الخطية غير المهيكلة، والبحث في قواعد البيانات باستخدام خوارزمية غروفر". ^{[ 103 ]}

يمكن إرجاع هذا الوضع إلى العديد من الاعتبارات الحالية والطويلة الأجل.

• تم تحسين أجهزة الكمبيوتر التقليدية وخوارزمياتها لتناسب المهام العملية، ولا تزال تتحسن بسرعة.
• تُغمر أجهزة الحوسبة الكمومية بالضوضاء قبل إكمال أي مهام مفيدة.
• لا تُحسّن الخوارزميات الكمومية سرعة المعالجة إلا في بعض المهام، ويُعدّ ربط هذه المهام بالتطبيقات العملية أمرًا صعبًا. فبعض هذه المهام يتطلب موارد تفوق بكثير الموارد المتاحة. ^{[ 147 ] [ 148 ]} وعلى وجه الخصوص، تُشكّل معالجة كميات كبيرة من البيانات تحديًا. ^{[ 103 ]}
• تم "إلغاء التكميم" لبعض الخوارزميات الواعدة، أي تم العثور على نظائر غير كمومية ذات تعقيد مماثل.
• قد يؤدي عبء تصحيح الأخطاء الكمومية إلى تقويض التسريع الذي توفره العديد من الخوارزميات الكمومية. ^{[ 103 ]}
• قد يعتمد تحليل تعقيد الخوارزميات على افتراضات مجردة لا تنطبق على التطبيقات العملية. على سبيل المثال، قد لا تتوفر بيانات الإدخال مشفرة في حالات كمومية، وغالبًا ما تحتوي "دوال التنبؤ" المستخدمة في خوارزمية غروفر على بنية داخلية يمكن استغلالها لتطوير خوارزميات أسرع.

على وجه الخصوص، قد يكون بناء حواسيب تحتوي على أعداد كبيرة من الكيوبتات عديم الجدوى إذا لم تكن هذه الكيوبتات متصلة بشكل جيد بما يكفي، ولم تتمكن من الحفاظ على تشابك كافٍ لفترة زمنية كافية. غالبًا ما يختار الباحثون مهامًا جديدة لتمييز الأجهزة الكمومية، ولإثبات حدود دنيا لتعقيد الخوارزميات الكلاسيكية، ولكن هذا ليس ممكنًا دائمًا.

شكك بيل أونرو في جدوى الحواسيب الكمومية في ورقة بحثية نُشرت عام ١٩٩٤. ^{[ ١٤٩ ]} جادل بول ديفيز بأن حاسوبًا يحتوي على ٤٠٠ كيوبت سيتعارض مع حدود المعلومات الكونية التي ينطوي عليها مبدأ الهولوغرام . ^{[ ١٥٠ ]} شكك جيل كالاي في إمكانية تحقيق التفوق الكمومي على الإطلاق. ^{[ ١٥١ ] [ ١٥٢ ] [ ١٥٣ ]} عبّر الفيزيائي ميخائيل دياكونوف عن تشككه في الحوسبة الكمومية على النحو التالي:

^{"إذن ،} يجب أن يكون عدد المعاملات المستمرة التي تصف حالة حاسوب كمومي مفيد كهذا في أي لحظة معينة... حوالي 10300 ... هل يمكننا يومًا ما ^أن نتعلم التحكم في أكثر من 10300 معامل متغير باستمرار تحدد الحالة الكمومية لمثل هذا النظام؟ إجابتي بسيطة. لا، مستحيل. " ^{[ 154 ]}

يجب أن يستخدم الحاسوب الكمومي العملي نظامًا فيزيائيًا كسجل كمومي قابل للبرمجة. ^{[ 156 ]} يستكشف الباحثون العديد من التقنيات كمرشحة لتنفيذات موثوقة للكيوبت. ^{[ 157 ]} تُعد الموصلات الفائقة والأيونات المحصورة من بين أكثر المقترحات تطورًا، لكن التجريبيين يدرسون أيضًا إمكانيات أخرى للأجهزة. ^{[ 158 ]} على سبيل المثال، يجري استكشاف مناهج الحاسوب الكمومي الطوبولوجي لأنظمة حوسبة ذات قدرة أكبر على تحمل الأخطاء. ^{[ 159 ]}

تم تنفيذ أولى البوابات المنطقية الكمومية باستخدام الأيونات المحصورة ، وتم تحقيق نماذج أولية لأجهزة متعددة الأغراض تصل سعتها إلى 20 كيوبت. مع ذلك، تجمع التقنية الكامنة وراء هذه الأجهزة بين معدات تفريغ معقدة، وليزر، ومعدات ترددات الميكروويف والراديو، مما يجعل دمج المعالجات كاملة الحجم مع معدات الحوسبة القياسية أمرًا صعبًا. علاوة على ذلك، يواجه نظام الأيونات المحصورة نفسه تحديات هندسية يجب التغلب عليها. ^{[ 160 ]}

تعتمد أكبر الأنظمة التجارية على أجهزة فائقة التوصيل ، وقد وصلت إلى 2000 كيوبت. مع ذلك، بلغت معدلات الخطأ في الأجهزة الأكبر حجماً حوالي 5%. من الناحية التقنية، تعمل هذه الأجهزة جميعها في درجات حرارة منخفضة للغاية، ويتطلب الوصول إلى أعداد كبيرة من الكيوبتات تكاملاً على مستوى الرقاقة، وهو تحدٍ هندسي بالغ الأهمية بحد ذاته. ^{[ 161 ]}

إضافةً إلى المنصات المبردة، تمّ إثبات جدوى طرق الربط بين اللف المغزلي والفوتوني في درجة حرارة الغرفة تجريبياً. ففي عام 2025، تمكّن باحثون في جامعة ستانفورد من ابتكار جهاز نانويّ، حيث دُمجت طبقة رقيقة من ثنائي سيلينيد الموليبدينوم على ركيزة سيليكون نانوية التركيب، مما أتاح إنشاء واجهة ربط بين اللف المغزلي والفوتوني تعمل في الظروف المحيطة باستخدام ضوء "ملتوي" مُهيكل لربط درجات الحرية الإلكترونية والفوتونية. ^{[ 162 ] [ 163 ]} ويجري حالياً دراسة هذه الواجهات المدمجة على رقاقة إلكترونية، والتي تعمل في درجة حرارة الغرفة، باعتبارها لبنات بناء محتملة لشبكات كمومية غير متجانسة تجمع بين أنماط مختلفة من الكيوبتات، وتقلل الاعتماد على البنى التحتية المبردة الضخمة. ^{[ 162 ] [ 164 ]}

أي مسألة حسابية قابلة للحل بواسطة حاسوب كلاسيكي قابلة للحل أيضًا بواسطة حاسوب كمومي. ^{[ 165 ]} وبشكل بديهي، يعود ذلك إلى أن جميع الظواهر الفيزيائية، بما في ذلك عمل الحواسيب الكلاسيكية، يمكن وصفها باستخدام ميكانيكا الكم ، التي تُشكل أساس عمل الحواسيب الكمومية.

على النقيض، فإن أي مشكلة يمكن حلها بواسطة حاسوب كمومي يمكن حلها أيضًا بواسطة حاسوب تقليدي. من الممكن محاكاة كل من الحواسيب الكمومية والتقليدية يدويًا باستخدام ورقة وقلم فقط، إذا توفر الوقت الكافي. رسميًا، يمكن محاكاة أي حاسوب كمومي أو تقليدي بواسطة آلة تورينج . لا توفر الحواسيب الكمومية أي قدرة حسابية إضافية مقارنةً بالحواسيب التقليدية. وبالتالي، لا تستطيع الحواسيب الكمومية حل المشكلات غير القابلة للحسم مثل مشكلة التوقف ، ولا ينفي وجود الحواسيب الكمومية فرضية تشرش-تورينج . ^{[ 166 ]}

على الرغم من أن الحواسيب الكمومية لا تستطيع حل أي مسائل تعجز الحواسيب التقليدية عن حلها، إلا أنه يُعتقد أنها قادرة على حل بعض المسائل بسرعة أكبر منها. فعلى سبيل المثال، من المعروف أن الحواسيب الكمومية قادرة على تحليل الأعداد الصحيحة بكفاءة ، بينما لا يُعتقد أن هذا ينطبق على الحواسيب التقليدية.

تُسمى فئة المسائل التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة حاسوب كمومي بخطأ محدود BQP ، اختصارًا لـ "خطأ محدود، كمومي، زمن متعدد الحدود". وبصورة أدق، BQP هي فئة المسائل التي يمكن حلها بواسطة آلة تورينغ كمومية تعمل بزمن متعدد الحدود باحتمالية خطأ لا تتجاوز 1/3. وباعتبارها فئة من المسائل الاحتمالية، تُعد BQP النظير الكمومي لـ BPP ("خطأ محدود، احتمالي، زمن متعدد الحدود")، وهي فئة المسائل التي يمكن حلها بواسطة آلات تورينغ احتمالية تعمل بزمن متعدد الحدود بخطأ محدود. ^{[ 167 ]}${\displaystyle {\mathsf {BPP\subseteq BQP}}}$لكن لا يوجد دليل يثبت ذلك${\displaystyle {\mathsf {BQP\neq BPP}}}$وهذا يعني بديهياً أن الحواسيب الكمومية توفر تعقيداً زمنياً فائقاً مقارنة بالحواسيب التقليدية. ^{[ 168 ]}

العلاقة الدقيقة بين BQP و P و NP و PSPACE غير معروفة. ومع ذلك، من المعروف أن${\displaystyle {\mathsf {P\subseteq BQP\subseteq PSPACE}}}$أي أن جميع المشاكل التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كمي، وجميع المشاكل التي يمكن حلها بكفاءة بواسطة جهاز كمبيوتر كمي يمكن حلها بواسطة جهاز كمبيوتر كلاسيكي بموارد مساحة متعددة الحدود.

يُشتبه في أن BQP هي مجموعة شاملة صارمة من P، مما يعني وجود مسائل يمكن حلها بكفاءة بواسطة الحواسيب الكمومية، بينما لا يمكن حلها بكفاءة بواسطة الحواسيب التقليدية. على سبيل المثال، تُعدّ مسألة تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية ومسألة اللوغاريتم المتقطع من مسائل BQP، ويُشتبه في أنها خارج نطاق P. أما فيما يتعلق بعلاقة BQP بـ NP، فلا يُعرف الكثير سوى أن مسائل NP التي لا تنتمي إلى P تنتمي إلى BQP (مثلًا، تُعدّ مسألة تحليل الأعداد الصحيحة إلى عواملها الأولية ومسألة اللوغاريتم المتقطع من مسائل NP).${\displaystyle {\mathsf {NP\nsubseteq BQP}}}$أي أنه يُعتقد أن بعض المسائل التي يمكن التحقق منها بكفاءة لا يمكن حلها بكفاءة بواسطة حاسوب كمومي. ومن النتائج المباشرة لذلك أن BQP منفصلة عن فئة مسائل NP-complete (إذا كانت مسألة NP-complete موجودة في BQP، فسيترتب على صعوبة NP أن جميع المسائل في NP موجودة في BQP). ^{[ 169 ]}

• حاسوب كمي من نوع كيوبت القط - نهج مقترح قائم على كيوبتات حالة القط .
• حاسوب كين الكمي - بنية حاسوب كمي مقترحة تعتمد على الدوران النووي القائم على السيليكون .
• الحوسبة الكمومية البصرية الخطية - نموذج فوتوني يستخدم الفوتونات والعناصر البصرية الخطية.
• الحاسوب الكمي للذرات المحايدة - نهج يستخدم الذرات المحايدة المحصورة والمتحكم بها باستخدام التقنيات البصرية.
• الحاسوب الكمي بالرنين المغناطيسي النووي - نهج يستخدم الرنين المغناطيسي النووي وحالات الدوران النووي الجزيئي.
• حاسوب كمي يعتمد على الكيوبتات الدورانية - بنية أشباه الموصلات التي تستخدم حالات الدوران ككيوبتات.
• الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل - نهج يستخدم الدوائر الإلكترونية فائقة التوصيل.
• الحاسوب الكمومي الطوبولوجي - نهج مقترح باستخدام حالات طوبولوجية مثل الأنيونات .
• الحاسوب الكمي للأيونات المحصورة - نهج يستخدم الذرات المشحونة المحصورة كوحدات بت كمومية.