حوسبة كمومية
التاريخ

منذ ظهور أول حاسوب ميكانيكي عامَ 1941م، حدثت العديد من الاكتشافات والاختراعات الفيزيائية التي غيرت وجه عالم الحواسيب وصنعت منها الأجهزة الحديثة والمتطورة التي نراها اليوم. ومن أهم هذه الاختراعات والاكتشافات الفيزيائية هي: الأنابيب المفرغة، الترانزستورات والدوائر المتكاملة.
تطورت الحواسيب في اتجاهات مختلفة، كما أنها أصبحت صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، جميلة المظهر، متطورة وذات كفاءة عالية مقارنةً بالحواسيب القديمة ذات أحجام كبيرة (بحجم الغرفة تقريباً)، واستخدمت تقنية الأنابيب المفرغة الإلكترونية مما أكسبها كفاءة متدنية جدا مقارنةً مع أي حاسوب شخصي في أيامنا هذه.
حاليا تجرى الأبحاث على كلا الجانبين: البرمجيات والمكونات الصلبة للحواسيب. فحتى هذه اللحظة ما زال علينا حمل حواسيب محمولة تزن عدة كيلوغرامات، استخدام لوحة المفاتيح، إعادة تكرار الأوامر والإجابة على أسئلة بسيطة يطرحها الحاسوب. (الشكل 1.2 يظهر حاسوباً تقليدياً من النوع المعروف باسم الحواسيب الشخصية. ولكن معضلات أخرى ما زالت موجودة. مثلاً البنوك، كبرى الشركات، وحتى الحكومات دائماً في حالة قلق من اختراق بياناتها المحوسبة وكسر سريتها، مما يكلفها أمولا طائلة للتشديد من سرية المعلومات، ولكن قراصنة الحاسوب أيضا يتطورون يوما عن يوم. تحليل الأرقام الكبيرة إلى عواملها الأولية يمثل تحدياً آخر لعلماء الرياضيات. فمثلاً لتحليل رقم يتكون من 230 رقماً ستتطلب هذه العملية ملايين السنين عن طريق أحدث الحواسيب الكلاسيكية. حواسيب الكم ربما تمثل حلاً لمثل هذه المعضلات. أو بمعنى آخر نستطيع القول أن حواسيب الكم أعلى كفاءة من الحواسيب الكلاسيكية. إذن؛ ما هي حواسيب الكم؟ كيف تختلف عن الحواسيب الكلاسيكية؟ وما المتوقع منها بالضبط؟
فمثلا، حسابات الأحوال الجوية  وتغيراتها اليومية، ومن ساعة إلى ساعة، تحتاج لبيانات كثيرة جدا تأتي من مختلف البلاد والمناطق، وهي عبارة عن قياسات تتعلق بدرجات الحرارة والضغط الجوي ونسب الرطوبة وحالة الأوزون، وغيرها من قياسات مستمرة؛ معالجة هذا القدر الكبير من البيانات، ومحاولة استباط والتنبؤ بما سيكون عليه الطقس في الساعات القادمة، كل ذلك يحتاج إلى حواسيب ضخمة للتعامل معها واصدار النتائج أولا بأول بصفة مستمرة. وتشكل الحواسيب الكمومية حلا لهذا العمل الكبير.
في العام 1994م أعلن عالم الرياضيات بيتر شور عن اكتشافه لخوارزمية بسيطة لتحليل الأرقام إلى مكوناتها الأولية،  بواسطة آلة حاسوبية تقوم على أسس فيزياء الكم. ومنذ ذلك الوقت ما انفكت الأبحاث تحاول إنتاج حاسوب كمومي فعال قابل للاستخدام كحواسيب اليوم بكفاءة مضاعفة. لذا لابد أن يكون الحاسوب الكمومي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات متناهية الصغر لقوانين ميكانيكا الكم موفيةً بذلك الشرط اللازم لعمليات الحاسوب الكمي. ولهذا السبب يعتبر الحاسوب الكمي جزءاً من تقنية النانو الحديثة التي تتعامل مع الأنظمة التي تحتوي علي مكونات نانوية الأبعاد (أجهزة ذات حجم ~ 1 نانو متر = ⁹-10 من المتر).
في حين أن وحدة المعلومات في الحواسيب الكلاسيكية هي البت، يعتبر البت الكمومي وحدة المعلومات في الحواسيب الكمومية. بت واحد يعادل إحدى حالتين 0 أو 1 واللذان يمثلان النظام الثنائي الذي تتعامل معه الحواسيب الكلاسيكية. بينما يستطيع البت الكمومي أن تمثل بالإضافة إلى هاتين الحالتين حالة التراكب الكمي المكونة منهما معا؛ وبالتالي فان زوجاً من البت الكمية بستطيع أن يمثل أي تراكب كمي من الحالات الأربعة: I0,0>, I0,1>, I1,0> or I1,1> حيث نستخدم طريقة ديراك لتمثيل الحالة الكمية. عموما فالحاسوب الكمي المكون من n بت كمية يمكن أن يكون أي تراكب اعتباطياً من 2n حالة مختلفة متواجدين آنيا، بينما في الحواسيب العادية n عدد من البتات يعني n حالة محددة ولا توجد أي حالات متزامنة آنياً. وهذا يعكس القوة الحوسبية الكبيرة التي تقدمها الحواسيب الكمية مقارنةً بالحواسيب التقليدية.
الحواسيب الكمية ما تزال قيد التطوير والبحث، وما يزال الجدل قائماً حول ما إذا كان إيجاد مثل هذه الحواسيب على أرض الواقع في المستقبل ممكناً أو لا. وعلى كل حال فإن العمل على الحواسيب الكمية، يستطيع إثراء فيزياء الكم الأساسية، كما يستطيع إثراء الأبحاث على مستوي القياس النانوي. وتم إنتاج حاسوب كمي صغير مكون من سبعة بتات كمية، مثلت بواسطة سبعة مغازل نووية (nuclear spins)، خمسة منها من نويات الفلور، واثنان من نويات الكربون -13 (انظر الشكل1.3)، وذلك في معامل آي بي إم وستانفورد.
فبشكل مماثل لقضيب مغنطيسي يشير إلى الشمال أو الجنوب، يستطيع كل مغزل أن يمثل الأرقام الثنائية "0" أو "1" أو كلاهما معاً (انظر إلى الأسهم السوداء في الشكل 1.3). ويمكن التحكم في ذلك عن طريق مجالات مغنطيسية وموجات الراديو (تقنية الرنين المغنطيسي النووي). وبواسطة حاسوب كمومي ذي سبع بتات الكمية، أمكن الاستفادة من ميزة الحوسبة الكمية الفريدة، ألا وهي قابلية التراكب، لقياس الأعداد الأولية المكونة للرقم 15 ألا وهي 3 و 5. ولكن تحليل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية يتطلب حاسوباً ذو عدد أكبر من البتات الكمية، ويبقى هذا تحدياً لبناء حاسوب كمي حقيقي كبير.