البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit: مقدمة عالمية

الحوسبة الكمومية، التي كانت في يوم من الأيام مفهوماً نظرياً، تتحول بسرعة إلى حقيقة ملموسة. يعد هذا المجال الناشئ بإحداث ثورة في صناعات تتراوح من الطب وعلوم المواد إلى التمويل والذكاء الاصطناعي. مع نضوج الأجهزة، يتحول التركيز نحو تطوير البرمجيات، وتقف Qiskit، حزمة تطوير البرمجيات الكمومية مفتوحة المصدر من IBM، في طليعة هذه الثورة.

ما هي الحوسبة الكمومية؟

على عكس أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تخزن المعلومات على شكل بتات تمثل 0 أو 1، تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من البتات الكمومية، أو الكويبِت (qubits). يمكن أن توجد الكيوبتات في حالة تراكب، مما يعني أنها يمكن أن تمثل 0، 1، أو مزيجاً من كليهما في وقت واحد. علاوة على ذلك، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية ظواهر مثل التشابك والتداخل الكمومي لإجراء العمليات الحسابية بطرق تختلف جوهرياً عن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. وهذا يسمح لها بحل بعض المشكلات التي لا يمكن حلها حتى بأقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

تشمل المفاهيم الأساسية التي يجب فهمها ما يلي:

• التراكب (Superposition): وجود الكيوبت في حالات متعددة في آن واحد.
• التشابك (Entanglement): ربط اثنين أو أكثر من الكيوبتات معاً بحيث تؤثر حالة أحدهما على الفور في حالة الآخرين، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهما.
• التداخل الكمومي (Quantum Interference): التلاعب باحتمالات المسارات الحسابية المختلفة لتضخيم احتمالية الحصول على الإجابة الصحيحة.

نقدم لكم Qiskit: بوابتك إلى البرمجة الكمومية

Qiskit (مجموعة أدوات علم المعلومات الكمومية) هو إطار عمل مفتوح المصدر طورته شركة IBM لتوفير أدوات للبرمجة والمحاكاة وتنفيذ التجارب الكمومية. مبني على لغة بايثون، يوفر Qiskit واجهة سهلة الاستخدام لتصميم وتنفيذ الدوائر الكمومية على أجهزة كمومية حقيقية أو محاكيات. يسمح تصميمه المعياري للمستخدمين بالتركيز على جوانب محددة من الحوسبة الكمومية، من تصميم الدوائر إلى تطوير الخوارزميات.

الميزات الرئيسية لـ Qiskit:

• مفتوح المصدر: Qiskit متاح مجاناً ويشجع مساهمات المجتمع، مما يعزز الابتكار والتعاون.
• مبني على بايثون: بالاستفادة من شعبية ومكتبات بايثون الواسعة، يوفر Qiskit بيئة مألوفة للمطورين.
• بنية معيارية: يتم تنظيم Qiskit في وحدات، كل منها يعالج جوانب محددة من الحوسبة الكمومية:
• Qiskit Terra: أساس Qiskit، يوفر اللبنات الأساسية للدوائر والخوارزميات الكمومية.
• Qiskit Aer: محاكي دوائر كمومية عالي الأداء، يسمح للمستخدمين باختبار وتصحيح برامجهم الكمومية.
• Qiskit Ignis: أدوات لتوصيف وتخفيف الضوضاء في الأجهزة الكمومية.
• Qiskit Aqua: مكتبة من الخوارزميات الكمومية لتطبيقات مختلفة، بما في ذلك الكيمياء والتحسين والتعلم الآلي.
• الوصول إلى الأجهزة: يسمح Qiskit للمستخدمين بتشغيل برامجهم على أجهزة الكمبيوتر الكمومية من IBM عبر السحابة، مما يوفر الوصول إلى أحدث الأجهزة الكمومية.
• دعم المجتمع: يوفر مجتمع نابض بالحياة ونشط من الباحثين والمطورين والمتحمسين الدعم والموارد والمواد التعليمية.

البدء مع Qiskit: مثال عملي

دعنا نمر بمثال بسيط لإنشاء حالة بيل (Bell state) باستخدام Qiskit. يوضح هذا المثال إنشاء دائرة كمومية، وتطبيق البوابات الكمومية، ومحاكاة الدائرة لمراقبة النتائج.

المتطلبات الأساسية:

• بايثون 3.6 أو أحدث
• تثبيت Qiskit (باستخدام pip install qiskit)

مثال الكود:

from qiskit import QuantumCircuit, transpile, Aer, execute
from qiskit.visualization import plot_histogram

# إنشاء دائرة كمومية بـ 2 كيوبت و 2 بت كلاسيكي
circuit = QuantumCircuit(2, 2)

# إضافة بوابة هادامارد إلى الكيوبت الأول
circuit.h(0)

# تطبيق بوابة CNOT (CX)، لتشابك الكيوبتين
circuit.cx(0, 1)

# قياس الكيوبتات
circuit.measure([0, 1], [0, 1])

# استخدام محاكي qasm_simulator من Aer
simulator = Aer.get_backend('qasm_simulator')

# تجميع الدائرة للمحاكي
compiled_circuit = transpile(circuit, simulator)

# تنفيذ الدائرة على المحاكي
job = execute(compiled_circuit, simulator, shots=1000)

# الحصول على نتائج التنفيذ
result = job.result()

# الحصول على عدد المرات التي ظهرت فيها كل نتيجة
counts = result.get_counts(compiled_circuit)
print("\nإجمالي عدد المرات هو:", counts)

# عرض النتائج باستخدام رسم بياني
# plot_histogram(counts)

الشرح:

1. نستورد الوحدات اللازمة من Qiskit.
2. ننشئ QuantumCircuit بكيوبتين وبتين كلاسيكيين. تُستخدم البتات الكلاسيكية لتخزين نتائج القياس.
3. نطبق بوابة هادامارد (h) على الكيوبت الأول، لوضعه في حالة تراكب بين 0 و 1.
4. نطبق بوابة CNOT (cx) بحيث يكون الكيوبت الأول هو التحكم والكيوبت الثاني هو الهدف، مما يؤدي إلى تشابك الكيوبتين.
5. نقيس كلا الكيوبتين ونخزن النتائج في البتات الكلاسيكية.
6. نستخدم qasm_simulator من Qiskit Aer لمحاكاة الدائرة.
7. نجمع وننفذ الدائرة، مع تحديد عدد 'التسديدات' (التكرارات) للمحاكاة.
8. نسترجع النتائج ونطبع عدد المرات، موضحين عدد مرات حدوث كل نتيجة محتملة (00، 01، 10، 11).
9. يمكن استخدام دالة plot_histogram (المُعلقة) لتصور النتائج كرسم بياني.

يوضح هذا المثال البسيط الخطوات الأساسية المتبعة في البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit: إنشاء دائرة، وتطبيق البوابات، وقياس الكيوبتات، ومحاكاة الدائرة. يجب أن تلاحظ أن المخرجات "00" و "11" تظهر بنسبة 50% تقريباً لكل منهما، بينما لا تظهر "01" و "10" أبداً تقريباً، مما يوضح تشابك الكيوبتين.

مفاهيم Qiskit المتقدمة

بالإضافة إلى الأساسيات، يقدم Qiskit ثروة من الميزات المتقدمة لمعالجة المشكلات الكمومية الأكثر تعقيداً. وتشمل هذه:

الخوارزميات الكمومية

توفر Qiskit Aqua مكتبة من الخوارزميات الكمومية المعدة مسبقاً، مثل:

• المحلل الكمومي التبايني للقيم الذاتية (VQE): يستخدم لإيجاد طاقة الحالة القاعية للجزيئات، مع تطبيقات في الكيمياء وعلوم المواد. على سبيل المثال، قد يستخدم الباحثون في ألمانيا VQE لتحسين تصميم محفزات جديدة.
• خوارزمية التحسين التقريبي الكمومي (QAOA): تستخدم لحل مشكلات التحسين التوافقي، مثل مشكلة البائع المتجول. يمكن لشركة لوجستية في سنغافورة استخدام QAOA لتحسين مسارات التسليم.
• خوارزمية جروفر: خوارزمية بحث كمومية يمكن أن توفر تسريعاً تربيعياً مقارنة بخوارزميات البحث الكلاسيكية. يمكن لشركة قواعد بيانات في الولايات المتحدة استخدام خوارزمية جروفر لتسريع استرجاع البيانات.
• تحويل فورييه الكمومي (QFT): خوارزمية أساسية تستخدم في العديد من الخوارزميات الكمومية، بما في ذلك خوارزمية شور لتحليل الأعداد الكبيرة.

تصحيح الأخطاء الكمومية

أجهزة الكمبيوتر الكمومية صاخبة بطبيعتها، مما يجعل تصحيح الأخطاء الكمومية أمراً حاسماً للحسابات الموثوقة. توفر Qiskit Ignis أدوات لتوصيف وتخفيف الضوضاء، بالإضافة إلى تنفيذ أكواد تصحيح الأخطاء. يعمل الباحثون في الجامعات في جميع أنحاء العالم (مثل جامعة واترلو في كندا، وجامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا) بنشاط على تطوير وتنفيذ تقنيات جديدة لتصحيح الأخطاء الكمومية باستخدام Qiskit.

المحاكاة الكمومية

يمكن استخدام Qiskit لمحاكاة الأنظمة الكمومية، مما يسمح للباحثين بدراسة سلوك الجزيئات والمواد والظواهر الكمومية الأخرى. ولهذا تطبيقات في اكتشاف الأدوية وتصميم المواد والبحث العلمي الأساسي. على سبيل المثال، يستخدم العلماء في اليابان Qiskit لمحاكاة سلوك المواد فائقة التوصيل الجديدة.

التعلم الآلي الكمومي

يستكشف التعلم الآلي الكمومي إمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتعزيز خوارزميات التعلم الآلي. يقدم Qiskit أدوات لبناء وتدريب نماذج التعلم الآلي الكمومية، والتي يمكن أن تتفوق على خوارزميات التعلم الآلي الكلاسيكية في مهام معينة. على سبيل المثال، تبحث البنوك في سويسرا في استخدام التعلم الآلي الكمومي للكشف عن الاحتيال.

تطبيقات واقعية للبرمجة الكمومية باستخدام Qiskit

تطبيقات البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit واسعة وتشمل العديد من الصناعات. إليك بعض الأمثلة:

• اكتشاف الأدوية: محاكاة التفاعلات الجزيئية لتسريع اكتشاف أدوية وعلاجات جديدة. تستكشف شركات الأدوية في جميع أنحاء العالم (مثل Roche في سويسرا، و Pfizer في الولايات المتحدة) المحاكاة الكمومية لتصميم أدوية مرشحة أفضل.
• علوم المواد: تصميم مواد جديدة بخصائص محددة، مثل الموصلات الفائقة أو البوليمرات عالية الأداء. يستخدم الباحثون في كوريا الجنوبية المحاكاة الكمومية لتطوير مواد بطاريات جديدة.
• التمويل: تحسين محافظ الاستثمار، واكتشاف الاحتيال، وتطوير نماذج مالية جديدة. تبحث المؤسسات المالية في المملكة المتحدة في الخوارزميات الكمومية لإدارة المخاطر.
• الخدمات اللوجستية: تحسين مسارات التسليم وإدارة سلسلة التوريد. تستكشف شركات مثل DHL و FedEx إمكانات الحوسبة الكمومية لتبسيط عملياتها.
• الذكاء الاصطناعي: تطوير خوارزميات تعلم آلي أكثر قوة. تبحث Google و Microsoft بنشاط في التعلم الآلي الكمومي.

المبادرات الكمومية العالمية ودور Qiskit

الحوسبة الكمومية هي مسعى عالمي، مع استثمارات ومبادرات بحثية كبيرة جارية في العديد من البلدان. تعمل هذه المبادرات على تعزيز التعاون ودفع الابتكار وتسريع تطوير التقنيات الكمومية.

تشمل أمثلة المبادرات الكمومية العالمية ما يلي:

• المبادرة الكمومية الرئيسية (الاتحاد الأوروبي): مبادرة بقيمة مليار يورو لدعم البحث والتطوير الكمومي في جميع أنحاء أوروبا.
• المبادرة الوطنية للكم (الولايات المتحدة): استراتيجية وطنية لتسريع البحث والتطوير الكمومي.
• استراتيجية التكنولوجيا والابتكار الكمومي (المملكة المتحدة): استراتيجية لوضع المملكة المتحدة كشركة رائدة عالمياً في التقنيات الكمومية.
• الاستراتيجية الوطنية الكندية للكم: إطار استراتيجي لتعزيز التقنيات والابتكار الكمومي داخل كندا.
• خارطة طريق التقنيات الكمومية في أستراليا: خارطة طريق لتأسيس أستراليا كشركة رائدة عالمياً في التقنيات الكمومية.
• استراتيجية اليابان للابتكار في التكنولوجيا الكمومية: استراتيجية شاملة لتعزيز الابتكار في التكنولوجيا الكمومية.

يلعب Qiskit دوراً حاسماً في هذه المبادرات من خلال توفير منصة مشتركة للباحثين والمطورين والطلاب للتعلم والتجربة والتعاون في البرمجة الكمومية. طبيعته مفتوحة المصدر ومجتمعه النشط يجعله أداة مثالية لتعزيز الابتكار وتسريع تطوير التقنيات الكمومية في جميع أنحاء العالم.

مصادر التعلم والمشاركة المجتمعية

تتوفر العديد من الموارد للأفراد والمؤسسات المهتمة بتعلم Qiskit والتفاعل مع مجتمع الحوسبة الكمومية:

• وثائق Qiskit: توفر وثائق Qiskit الرسمية معلومات شاملة عن جميع جوانب إطار العمل.
• دروس Qiskit التعليمية: مجموعة من الدروس التعليمية التي تغطي مفاهيم البرمجة الكمومية المختلفة وميزات Qiskit.
• كتاب Qiskit المدرسي: كتاب مدرسي شامل عن الحوسبة الكمومية والبرمجة الكمومية باستخدام Qiskit.
• قناة Qiskit على Slack: منتدى مجتمعي لطرح الأسئلة ومشاركة المعرفة والتواصل مع مستخدمي Qiskit الآخرين.
• مدرسة Qiskit الصيفية العالمية: مدرسة صيفية سنوية تقدم تدريباً مكثفاً في الحوسبة الكمومية وبرمجة Qiskit.
• برنامج Qiskit Advocate: برنامج يعترف ويدعم الأفراد الذين يساهمون في مجتمع Qiskit.
• تجربة IBM Quantum: منصة قائمة على السحابة توفر الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر والمحاكيات الكمومية من IBM.

التحديات والتوجهات المستقبلية

بينما تحمل الحوسبة الكمومية وعوداً هائلة، فإنها تواجه أيضاً العديد من التحديات:

• قيود الأجهزة: يعد بناء وصيانة أجهزة كمبيوتر كمومية مستقرة وقابلة للتطوير تحدياً هندسياً كبيراً.
• تصحيح الأخطاء الكمومية: يعد تطوير تقنيات فعالة لتصحيح الأخطاء الكمومية أمراً حاسماً للحسابات الموثوقة.
• تطوير الخوارزميات: يعد اكتشاف خوارزميات كمومية جديدة يمكنها التفوق على الخوارزميات الكلاسيكية للمشكلات العملية جهداً مستمراً.
• تطوير البرمجيات: يعد إنشاء أدوات وبيئات برمجة كمومية قوية وسهلة الاستخدام أمراً ضرورياً لتبني أوسع.
• فجوة المواهب: يعد تدريب وتعليم قوة عاملة ماهرة في الحوسبة الكمومية أمراً حاسماً لمستقبل هذا المجال.

على الرغم من هذه التحديات، فإن مجال الحوسبة الكمومية يتقدم بسرعة. تشمل الاتجاهات المستقبلية ما يلي:

• أجهزة محسنة: تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر استقراراً وقابلية للتطوير مع زيادة عدد الكيوبتات وتحسين أوقات التماسك.
• تصحيح أخطاء متقدم: تنفيذ أكواد تصحيح أخطاء كمومية أكثر تطوراً لتقليل تأثير الضوضاء.
• خوارزميات هجينة: الجمع بين الخوارزميات الكمومية والكلاسيكية للاستفادة من نقاط القوة في كلا النهجين.
• خدمات سحابية كمومية: توسيع الوصول إلى موارد الحوسبة الكمومية من خلال المنصات القائمة على السحابة.
• التعليم الكمومي: تطوير برامج وموارد تعليمية لتدريب الجيل القادم من العلماء والمهندسين الكموميين.

الخلاصة

توفر البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit بوابة قوية إلى عالم الحوسبة الكمومية المثير. إن طبيعتها مفتوحة المصدر، وواجهتها المبنية على بايثون، ومجموعتها الشاملة من الأدوات تجعلها منصة مثالية للتعلم والتجربة والابتكار. مع استمرار نضوج الأجهزة الكمومية، سيلعب Qiskit دوراً متزايد الأهمية في إطلاق العنان لإمكانات الحوسبة الكمومية وتحويل الصناعات في جميع أنحاء العالم.

سواء كنت طالباً أو باحثاً أو مطوراً أو محترفاً في مجال الأعمال، فقد حان الوقت الآن لاستكشاف إمكانيات البرمجة الكمومية باستخدام Qiskit لتصبح جزءاً من هذا المجال الثوري. الفرص العالمية هائلة، ومستقبل الحوسبة هو بلا شك كمومي.