Google a marqué un tournant historique en informatique quantique. L’entreprise a dévoilé Quantum Echoes، خوارزمية ثورية قادرة على حل مسائل معقدة أسرع بـ 13 000 مرة من أقوى الحواسيب الفائقة في العالم. للمرة الأولى، يتجاوز الحاسوب الكمي مرحلة النظرية ليقدم تطبيقات عملية ملموسة في الطب والكيمياء وعلم المواد.
Quantum Echoes : ما هي هذه الخوارزمية الثورية؟
تمثل خوارزمية Quantum Echoes تقدماً كبيراً في مجال الحوسبة الكمية. نُشرت هذه الخوارزمية التي طورتها Google Quantum AI في مجلة Nature المرموقة، وهي الأولى في العالم التي تُظهر أفضلية كمية قابلة للتحقق. وعلى عكس العروض السابقة لشركة Google في عام 2019 التي حلت مسائل نظرية بحتة، تفتح Quantum Echoes الطريق أمام استخدامات حقيقية تُحدث تحولاً في البحث العلمي.
يقوم المبدأ على مرتبطات خارج الترتيب الزمني (OTOC)، وهو مفهوم فيزيائي متطور يقيس كيفية انتشار الاضطراب داخل نظام كمي. يشبّه هارتموت نيفن، مدير Google Quantum AI، هذه التقنية بسونار فائق الدقة: فإذا كان السونار التقليدي يكتفي برصد حطام سفينة في قاع المحيط، فإن Quantum Echoes يستطيع قراءة لوحة التعريف المثبتة على هيكلها.
تعمل الخوارزمية وفق ثلاث مراحل دقيقة. أولاً، يرسل الباحثون إشارة محددة إلى النظام الكمي للشريحة. ثم يُحدثون اضطراباً متعمداً في كيوبت واحد، ليعمل كـ”فراشة كمية”. بعد ذلك يعكسون تطور النظام، كما لو أنهم يعيدون تشغيل فيديو إلى الوراء، و”يستمعون” إلى الصدى الكمي الناتج عنه. يكشف هذا الصدى بدقة غير مسبوقة كيف انتشر الاضطراب عبر المعالج بأكمله.
أداء يحطم الأرقام القياسية
نتائج Quantum Echoes مذهلة. فقد حلت الخوارزمية في بضع ساعات مسألة كانت ستتطلب نحو 3,2 سنوات من الحساب على Frontier، أقوى حاسوب فائق يعمل حالياً. ويمثل هذا التسريع بمقدار 13 000 مرة قفزة نوعية كبرى في قدرات الحوسبة المتاحة للبحث العلمي.
تعمل الخوارزمية على شريحة Willow، التي طورتها Google وأُعلن عنها في ديسمبر 2024. تتميز هذه الشريحة المزودة بـ 105 كيوبتات فائقة التوصيل بأداء تقني استثنائي: دقة تبلغ 99,97% للبوابات أحادية الكيوبت، و99,88% للبوابات ثنائية الكيوبت، و99,5% للقراءة. وقد مكّنت هذه النسب الملحوظة من الدقة الفريق من إجراء تريليون قياس خلال مشروع Quantum Echoes.
صرّح هارتموت نيفن خلال مؤتمر صحفي بأن “هذه هي المرة الأولى في التاريخ التي يُنفذ فيها حاسوب كمي خوارزمية قابلة للتحقق تتجاوز قدرات الحواسيب الفائقة”. يشكل هذا القابلية للتحقق فرقاً جوهرياً عن الإعلانات السابقة: إذ يمكن إعادة إنتاج النتائج على منصات كمية أخرى والتحقق منها عبر تجارب فيزيائية حقيقية.
تطبيقات ملموسة: من الكيمياء إلى الطب
يكمن الجانب الأكثر واعدة في Quantum Echoes في تطبيقاته العملية الفورية. فقد أثبتت Google أن الخوارزمية قادرة على إحداث ثورة في الرنين المغناطيسي النووي (RMN)، وهي تقنية أساسية تُستخدم في تحديد البنية الجزيئية في الكيمياء والأحياء.
بالتعاون مع جامعة كاليفورنيا في بيركلي، اختبر الباحثون Quantum Echoes على جزيئين حقيقيين يحتويان على 15 و28 ذرة. وكشفت النتائج عن معلومات بنيوية يستحيل الحصول عليها بالطرق الكلاسيكية. ويوضح توم أوبراين، عضو فريق Google Quantum AI: “نحن نبني مسطرة جزيئية أطول”، مما يتيح قياس المسافات بين الذرات المتباعدة متجاوزاً الحدود الحالية.
تحاكي التقنية “دوران” أنوية الذرات باستخدام الكيوبتات. تعمل هذه الدورانات كمغناطيسات صغيرة متناهية الصغر، تكشف تفاعلاتها المغناطيسية البنية الجزيئية. ويستطيع Quantum Echoes استخلاص التفاعلات بعيدة المدى لتوفير معلومات بنيوية أكثر مما يمكن الحصول عليه بالرنين المغناطيسي النووي وحده.
تشمل مجالات التطبيق المحددة:
- اكتشاف الأدوية الجديدة: نمذجة دقيقة للتفاعلات الكيميائية المعقدة والتفاعلات الجزيئية لتسريع تطوير الأدوية
- الطب الشخصي: فهم معمّق لآليات الأمراض وقدرة على التشخيص المبكر استناداً إلى التحليل الجزيئي
- علم المواد: تصميم مواد مبتكرة ذات خصائص محددة للصناعة والإلكترونيات والطاقة
- البطاريات المتقدمة: تحسين تقنيات تخزين الطاقة من خلال الفهم الدقيق للعمليات الكهروكيميائية
- الطاقة النظيفة: تطوير حلول لطاقة الاندماج النووي وغيرها من تقنيات الطاقة المستدامة
يقول أشوك أجوي، الكيميائي في جامعة بيركلي والمتعاون في المشروع: “هذا يوضح قوة الحاسوب الكمي. إنها لا تزال في بدايتها، لكن الآفاق مثيرة للحماس”. وتتوقع غوغل أنه خلال خمس سنوات ستصبح التطبيقات الواقعية، المستحيلة على الحواسيب التقليدية، قيد التشغيل.
الميزة الكمية القابلة للتحقق: إنجاز عالمي أول
ما يميز هذا الإعلان جوهرياً عن الادعاءات السابقة بـ”التفوق الكمي” هو طابعه القابل للتحقق والقابل للتكرار. وتستند هذه القابلية للتحقق إلى ركيزتين أساسيتين تضمنان موثوقية النتائج المحققة.
أولاً، إمكانية التكرار على منصات كمية أخرى : يمكن تأكيد الحسابات التي أجراها Quantum Echoes بتشغيل الخوارزمية نفسها على حاسوب كمي آخر ذي قدرة مماثلة. وتلغي هذه القدرة على التحقق المستقل الشكوك حول صحة النتائج، وتمثل قطيعة مع العروض السابقة التي لم يكن من الممكن تأكيد مخرجاتها.
ثانياً، التحقق بواسطة التجارب الفيزيائية : يمكن اختبار تنبؤات Quantum Echoes عبر استجواب الطبيعة مباشرة من خلال تجارب تتضمن تأثيرات كمية حقيقية، مثل قياسات الرنين المغناطيسي النووي على عينات جزيئية حقيقية. ويمنح هذا الارتكاز في الفيزياء التجريبية النتائج شرعية علمية لا جدال فيها.
مع ذلك، تلتزم الأوساط العلمية بالحذر المنهجي. ويرى دريس سيلس، الفيزيائي الكمي في جامعة نيويورك، أن “عبء الإثبات ينبغي أن يكون مرتفعاً”، وأن المقال، رغم أنه يمثل “عملاً جاداً” باختباره خوارزميات كلاسيكية متنوعة، لا يقدم أي دليل رسمي على عدم وجود خوارزمية كلاسيكية أكثر كفاءة.
يعترف جيمس ويتفيلد، الفيزيائي الكمي في كلية دартموث، بالتقدم التقني المبهر، لكنه يرى أن “من المبالغة بعض الشيء الاعتقاد بأن هذا سيحل فجأة مشكلة ذات جدوى اقتصادية”. وتعكس هذه التحفظات الشكّ الصحي لدى الأوساط العلمية تجاه الإعلانات المثيرة، مع الاعتراف في الوقت نفسه بالتقدم الحقيقي المنجز.
شريحة Willow: المحرك التقني للثورة
لا يمكن أن يوجد Quantum Echoes دون شريحة Willow، المعالج الكمي الذي طورته غوغل وأعلنت عنه في ديسمبر 2024. تمثل هذه الشريحة ثمرة سنوات من البحث في الدارات فائقة التوصيل، وهي تقنية أفضت أسسها النظرية إلى منح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 لكل من جون كلارك وميشيل ديفوريه وجون مارتينيس.
يتميز Willow بـ 105 كيوبت فائق التوصيل يعمل عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (نحو -273 درجة مئوية). تعمل هذه الكيوبتات كـ”ذرات اصطناعية” ماكروسكوبية قادرة على الحفاظ على حالات التراكب الكمومي لمدد كافية لإجراء حسابات معقدة.
إعداد حاسوب كمومي يضم كيوبتات فائقة التوصيل مبردة بثلاجة التخفيف لتشغيل بالغ الانخفاض في درجة الحرارة
تتسم الأداءات التقنية لـ Willow بالاستثنائية. يقيس زمن الترابط T1 المدة التي يمكن خلالها للكيوبتات الاحتفاظ بالإثارة الكمومية، ويقترب من 100 ميكروثانية. وتتيح هذه الاستقرارية المتزايدة، مقرونةً بسرعات تشغيل تتراوح بين عشرات ومئات النانوثانية، تنفيذ خوارزميات متطورة تتطلب عمليات متتالية عديدة دون تراكم مفرط للأخطاء.
تتمثل جوانب بالغة الأهمية في Willow في تقدمه في تصحيح الأخطاء الكمومية. فقد أثبتت Google انخفاضاً أسياً في معدل الخطأ عند زيادة حجم شبكات الكيوبتات، إذ انتقلت من شبكات 3×3 إلى 7×7، مع تقليص الخطأ إلى النصف عند كل خطوة. ويُعرف هذا الإنجاز بأداء “ما دون العتبة” (below threshold)، وهو يمثل تحدياً كبيراً سعى العلماء إلى حله منذ إدخال تصحيح الأخطاء الكمومية على يد بيتر شور عام 1995.
تشتد المنافسة العالمية
لا تنفرد Google بهذا السباق التكنولوجي الاستراتيجي. IBM تواصل تطويرها الخاص بخارطة طريق طموحة تمتد حتى عام 2033. وقد نشرت الشركة في يونيو 2025 إطاراً يفصل مسارها نحو حاسوب كمومي متحمل للأعطال بحلول عام 2029. وتعتقد IBM بقوة أن أولى البراهين على التفوق الكمومي على منصاتها ستتحقق بحلول نهاية عام 2026.
تطور IBM حالياً معالجات مثل Nighthawk (120 كيوبت) و Heron (156 كيوبت)، وقد أُطلق الأخير الحاسوب IBM Quantum System Two الأول المنشور في أوروبا في سان سيباستيان بإسبانيا. وتستهدف الشركة أكثر من 4000 كيوبت بحلول عام 2025 مع بنيتها المعيارية، مع التركيز على تحسين جودة الدارات لتنفيذ 5000 بوابة باستخدام دارات وسيطية.
Microsoft وAmazon وIntel تشارك أيضاً بفاعلية في هذه المنافسة. وتقدم شركات فرنسية مبتكرة مقاربات بديلة واعدة. Alice & Bob جمعت 100 مليون يورو في يناير 2025 لتقنيتها في “كيوبتات القط” التي تلغي تلقائياً أخطاء قلب البت، وهي أحد النوعين الرئيسيين للأخطاء الكمومية. Quandela تطور كيوبتات ضوئية، بينما تستكشف Pasqal الذرات المتعادلة، وتعمل C12 Quantum Electronics على كيوبتات الدوران داخل أنابيب الكربون النانوية.
تستثمرالصين بكثافة مع أكثر من 15,2 مليار دولار في البحث الكمومي، مما يبرز الرهانات الجيوسياسية وسيادة الاقتصاد الرقمي. وتحوّل هذه المنافسة الدولية الشديدة الحوسبة الكمومية إلى أولوية استراتيجية للقوى التكنولوجية الكبرى.
التحديات التقنية التي لا تزال قائمة
رغم هذا التقدم المذهل، تبقى عقبات كبرى عدة قائمة قبل أن تصبح الحواسيب الكمومية أدوات عملية واسعة النطاق. وسيتطلب تطبيق Quantum Echoes على أنظمة جزيئية أكثر تعقيداً عتاداً أقل ضجيجاً أو طرق تصحيح أخطاء أكثر تطوراً.
يظل استقرار الكيوبتات تحدياً أساسياً. تتطلب الكيوبتات درجات حرارة منخفضة للغاية، قريبة من الصفر المطلق، لكي تعمل بشكل صحيح. وأي تقلب حراري قد يحدث أخطاء في النظام ويعرّض الحسابات للخطر. ويجعل هذا الشرط الحواسيب الكمومية معقدة ومكلفة في التشغيل.
تُشكّل قابلية التوسع عائقاً مهماً آخر. فزيادة عدد الكيوبتات مع الحفاظ على الترابط الكمومي والاتصال بين الكيوبتات تمثل تحدياً هندسياً كبيراً. ويقدّر الخبراء أن مليون كيوبت سيكون ضرورياً لإجراء حسابات قابلة للاستغلال الحقيقي في جميع المجالات، في حين أن أكثر الآلات تقدماً اليوم تبلغ بضعة آلاف من الكيوبتات كحد أقصى.
يمثل تصحيح الأخطاء الكمومية تكلفة مرتفعة أيضًا، إذ يتطلب كيوبت منطقي واحد ما بين 100 و10 000 كيوبت فيزيائي، وذلك بحسب التقنية المستخدمة. وإضافة إلى ذلك، كما أشار تصويب نُشر في فبراير 2025، لا يطبّق Willow سوى تصحيح لذاكرة الكم، ولم يُنجز بعد التصحيح الكامل للبوابات المنطقية اللازمة لتحقيق تسارع أسّي في جميع أنواع الحسابات الكمومية.
يبقى تطوير خوارزميات كمومية مخصصة لكل مجال تطبيقي ورشًا مفتوحًا. فالحوسبة الكمومية لا تهدف إلى استبدال الحواسيب التقليدية في جميع المهام، بل إلى تحقيق خوارزميات مختلفة لا تتناسب مع الحوسبة الثنائية التقليدية.
التأثير على الذكاء الاصطناعي والأمن السيبراني
تُحدث التطورات في الحوسبة الكمومية آثارًا عميقة في مجالين تقنيين حيويين. أما بالنسبة إلى الذكاء الاصطناعي، فيمكن للحواسيب الكمومية أن تسرّع بشكل كبير تدريب النماذج المعقدة، وأن تفتح آفاقًا جديدة في تعلم الآلة.
تأمل Google أن تتمكن Quantum Echoes من توليد مجموعات بيانات كمومية جديدة وفريدة، ولا سيما مفيدة في مجالات مثل علوم الحياة، حيث تندر البيانات عالية الجودة لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي. ويمكن لهذه القدرة على إنشاء بيانات كمومية قابلة للتحقق أن تغيّر طريقة تطويرنا لأنظمة الذكاء الاصطناعي الأكثر تقدمًا، ولا سيما في المحاكاة الجزيئية واكتشاف الأدوية.
أما فيما يخص الأمن السيبراني، فإن هذه التطورات تثير مخاوف جدية بشأن أنظمة التشفير الحالية. فـ”اليوم Q”، وهو اللحظة المخيفة التي سيتمكن فيها حاسوب كمومي من كسر الخوارزميات غير المتناظرة التقليدية مثل RSA وECC بفضل خوارزمية شور، لم يعد مجرد سيناريو نظري بحت، بل صار يشكل همًا استراتيجيًا ملموسًا.
في عام 2024، كثّفت مؤسسات مثل NSA وANSSI وNIST توصياتها بالتحول نحو حلول التشفير ما بعد الكمومي. وقد اختارت NIST على وجه الخصوص عدة معايير تشفيرية معروفة بمقاومتها للهجمات الكمومية، مرسّخةً بذلك أسس إطار أمني جديد لعصر الكم. ويمثل هذا الانتقال إلى بروتوكولات تشفير مقاومة للحوسبة الكمومية تحديًا كبيرًا للبنى الرقمية العالمية.
خارطة طريق Google حتى عام 2029
يندرج الإعلان عن Quantum Echoes ضمن خارطة الطريق الطموحة لـ Google Quantum AI التي ترسم مسارًا نحو حاسوب كمومي متسامح مع الأخطاء وقادر على العمل بكامل طاقته بحلول عام 2029. وتتضمن خارطة الطريق هذه ستة معالم رئيسية موزعة على محورين متوازيين ومتكاملين.
يركز المحور المادي على بناء كيوبتات موثوقة منطقيًا وعلى التوسع التدريجي في الآلات الكمومية. وقد حققت Google بالفعل معلمين مهمين: إثبات التفوق الكمومي عام 2019 بمعالجها Sycamore، والتقدم الأخير في تصحيح الأخطاء الكمومية مع Willow.
يسعى المحور البرمجي إلى تطوير خوارزميات تقدم ميزة قابلة للقياس وواضحة في سياقات واقعية. ويمثل الإعلان عن Quantum Echoes أول انتصار كبير لـ Google في هذا المحور، إذ يُظهر أول خوارزمية ذات ميزة كمومية قابلة للتحقق ويمكن تطبيقها على مسائل علمية ملموسة.
صرّح Hartmut Neven بأن “ما تشاهدونه اليوم هو معلم على المحور البرمجي”، مؤكدًا أن Google تتقدم في الجبهتين التقنيتين في آن واحد. وستجمع المعالم الأربعة المتبقية في خارطة الطريق بين التحسينات المادية المستمرة وتطوير خوارزميات أقوى وأكثر عملية باستمرار.
2025 : l’année charnière du quantique
يبدو عام 2025 عامًا حاسمًا للحوسبة الكمومية. نحن نشهد تحولًا جوهريًا: الانتقال من البحث الأساسي في المختبرات إلى تجارب عملية في سياقات واقعية. ويساعد هذا التطور الشركات والمؤسسات البحثية على فهم أفضل للاستخدامات الملموسة لهذه التقنية الثورية.
تعتمد القطاعات التي تعتمد على الحوسبة عالية الأداء بدأت في دمج الأنظمة الكمية ضمن بنيتها التحتية القائمة. يستكشف قطاع المالية تطبيقات في تحسين المحافظ الاستثمارية وتقييم المخاطر. وتختبر الخدمات اللوجستية خوارزميات كمية لحل مشكلات تحسين سلاسل الإمداد. وتستثمر الكيمياء والصيدلة في المحاكاة الجزيئية الكمية لتسريع اكتشاف مركبات جديدة.
يلخص أنيش راغهافان، أستاذ في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، أهمية هذه المرحلة بقوله: “إنها طفرة تكنولوجية مهمة. لقد سمعنا كثيرًا عن التقدم في العتاد في هذا المجال، وكنت لفترة قلقًا من أن الخوارزميات لا تواكب ذلك. لكنهم أثبتوا أن الأمر ليس كذلك”.
يمثل هذا التلاقي بين التقدم في العتاد والتطور في الخوارزميات تحولاً نفسياً وتكنولوجياً. فالحوسبة الكمية تخرج تدريجياً من مرتبة الوعد المستقبلي الخيالي لتصبح واقعاً تكنولوجياً ناشئاً ذا تطبيقات ملموسة على المدى القصير والمتوسط.
الخلاصة: ثورة في طور التحقق
يمثل إعلان غوغل عن Quantum Echoes بلا شك معلماً تاريخياً في تطور الحوسبة الكمية العملية. فللمرة الأولى، لا يُظهر خوارزمية كمية تفوقاً هائلاً في السرعة على أقوى الحواسيب الفائقة التقليدية فحسب، بل يقدم أيضاً مساراً واضحاً وقابلاً للتحقق نحو تطبيقات علمية وصناعية ملموسة.
يبقى الطريق نحو حاسوب كمي يعمل بالكامل ومقاوم للأخطاء طويلاً ومليئاً بتحديات تقنية معقدة. وكما أكد باحثو غوغل، فإن بلوغ هدفهم النهائي يتطلب تحسينات بعدة مراتب من حيث الأداء وحجم النظام، مع ضرورة تطوير نضج ملايين المكونات.
ومع ذلك، فقد تجاوزنا مع Quantum Echoes عتبة نفسية وتكنولوجية بالغة الأهمية. نحن ننتقل من عروض نظرية مبهرة لكنها بلا فائدة عملية إلى تطبيقات محتملة وملموسة قد تغير خلال السنوات الخمس إلى العشر المقبلة قدرتنا على حل بعض أعقد المشكلات التي تواجه البشرية.
لم يعد اكتشاف أدوية منقذة للحياة، وتصميم مواد ثورية، وتطوير طاقات نظيفة، والفهم العميق للآليات الجزيئية للحياة، وعوداً بعيدة المنال. فمع Quantum Echoes، أثبتت غوغل للتو أن عصر الحوسبة الكمية العملية قد بدأ.
ابقَ على اطلاع بأحدث التطورات في الحوسبة الكمية، واكتشف كيف يمكن لهذه الثورة التكنولوجية أن تغير قطاعك. تابع تحليلاتنا المعمقة وأخبارنا الحصرية حول التقنيات الناشئة.
