🔬 science

فيزياء الكم ستجعل هاتفك غير قابل للاختراق قريبًا

تبدو ميكانيكا الكم وكأنها خيال علمي سخيف، لكنها السبب في عمل هاتفك الذكي ولماذا ستكون الحواسيب في عام 2030 أسرع بملايين المرات. إليك كيف سيغير سلوك الجسيمات مثل الأشباح السكرانة مجال الطب والمصارف وكل شيء آخر.

فيزياء الكم هي قاعدة كيفية سلوك أصغر الجسيمات في الكون، ومفاجأة: لا تتبع الحس العام. على المستوى الكمي (فكر في الذرات، الإلكترونات، الفوتونات)، يمكن للجسيمات أن تكون في حالات متعددة في وقت واحد حتى تراقبها، ويمكنها نقل المعلومات عبر المسافات فورًا، ويمكن أن تكون متشابكة بحيث يؤدي قياس واحدة إلى تأثير فوري في أخرى تبعد عنها سنوات ضوئية. يبدو هذا سحرًا، ولكنه علم قابل للقياس والتكرار وهو الآن يشغل التكنولوجيا في جيبك. تعتمد كل إضاءة LED وكل رقاقة دقيقة وكل لوحة شمسية على ميكانيكا الكم التي اكتُشفت خلال القرن الماضي. الجزء الهندسي هو حيث يأخذ البشر هذه القواعد الغريبة ويبنوا أشياء مفيدة. يعني الهندسة الكمية تصميم أجهزة تستغل الخصائص الكمية مثل التراكب (التواجد في حالات متعددة في وقت واحد) والتشابك (الجسيمات المتصلة بشكل غامض عبر الفضاء). تستخدم الحواسيب التقليدية وحدات بت تكون إما 0 أو 1. أما الحواسيب الكمية فتستخدم وحدات كيوبت يمكن أن تكون 0، 1، أو كلاهما في وقت واحد، مما يسمح لها بحل بعض المشكلات بسرعة أكبر بشكل كبير. تتسابق IBM و Google والشركات الناشئة مثل IonQ لبناء حواسيب كمية مستقرة الآن في 2026، مع تشغيل IBM لمعالج Condor بقدرة 1,121 كيوبت وتأكيد Google التفوق الكمي على حسابات محددة. إليك مثال واقعي يمكن لأي شخص فهمه: تخيل أنك تحاول فك شيفرة مفتاح تشفير 256 بت (النوع الذي يحمي حسابك البنكي). سيجرب الحاسوب التقليدي التوليفات واحدة تلو الأخرى، مما يستغرق مليارات السنوات لاختبارها جميعًا. يمكن للحاسوب الكمي الذي يحتوي على عدد كافٍ من الكيوبت اختبار جميع التوليفات في وقت واحد من خلال التراكب، ويفك الشيفرة في ساعات أو دقائق. هذا هو السبب وراء تطوير الحكومات والبنوك للتشفير المقاوم للكم قبل أن تصبح الحواسيب الكمية القوية سائدة. أصدرت المعايير النهائية للتشفير بعد الكم من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في عام 2024، وتبذل المؤسسات المالية جهودًا لتنفيذها قبل يوم Q (اليوم الذي يمكن فيه للحواسيب الكمية اختراق التشفير الحالي). التقنيات الناشئة من أبحاث الكم ستعيد تشكيل الحياة اليومية في غضون عقد. إليك ما هو قادم:

أجهزة استشعار كمية للتصوير الطبي تكتشف الفوتونات الفردية، مما يسمح بفحوصات بجودة التصوير بالرنين المغناطيسي دون مغناطيسات ضخمة، مما يجعل التشخيص رخيصًا ومحمولًا بما يكفي للعيادات الريفية
شبكات الاتصالات الكمية باستخدام الفوتونات المتشابكة التي تجعل الاستماع مستحيلاً من الناحية الفيزيائية، ويتم اختبارها بالفعل في شبكة القمر الصناعي الكمي في الصين ونموذج الإنترنت الكمي في أوروبا
GPS محسّن كميًا لتحديد المواقع بدقة تصل إلى السنتيمترات بدلاً من الأمتار، وهو ضروري للسيارات ذاتية القيادة وتسليم الطائرات بدون طيار، مع نماذج أولية تم اختبارها من قبل الجيش الأمريكي
بطاريات كمية في درجة حرارة الغرفة تشحن في ثوانٍ وتحتفظ بسعة تزيد عن 10 أضعاف الحالية، بالاعتماد على التماسك الكمي في الجزيئات العضوية، حاليًا في تجارب مختبرية في الجامعات
خوارزميات كمية لاكتشاف الأدوية تحاكي التفاعلات الجزيئية ذرة بذرة، مما يقلل من الوقت المستغرق لتطوير الأدوية من 10 سنوات إلى 2 أو 3 سنوات، وقد أثمرت بالفعل نتائج في شركات مثل Moderna

أكثر التقنيات الكمية الملموسة التي ستستخدمها قريبًا هي مولدات الأرقام العشوائية الكمية (QRNGs) التي شُحنت بالفعل في هواتف Samsung Galaxy منذ 2022. على عكس مولدات الأرقام العشوائية التقليدية التي تستخدم خوارزميات (مما يعني أنها فنية متوقعة)، تقيس QRNGs الضجيج الكمي، العشوائية المتأصلة في ميكانيكا الكم، لتوليد أرقام غير قابلة للتوقع حقًا لمفاتيح التشفير. عندما تفتح هاتفك ببصمة إصبع، فإن رقاقة QRNG من سامسونج تولد مفاتيح عشوائية غير قابلة للاختراق باستخدام نفس عدم اليقين الكمي الذي وصفه هايزنبرغ في عام 1927. الهندسة الموادية الكمية تحقق اختراقات في الموصلات الفائقة (المواد التي لا تمتلك مقاومة كهربائية) والعوازل الطوبولوجية (المواد التي توصل الكهرباء فقط على سطحها). ابتكر الباحثون في جامعة روشستر مادة موصلة فائقة في درجة حرارة الغرفة في عام 2023 التي تعمل عند 69°F تحت الضغط، وهي علامة فارقة التي يمكن أن تقضي على فقدان الطاقة في شبكات الطاقة، مما يوفر 5 إلى 10% من الكهرباء المولدة عالميًا. النقاط الكمية، البلورات النانوية لأشباه الموصلات التي تنبعث بألوان نقية بناءً على تأثيرات الحصر الكمي، تدعم بالفعل أكثر الشاشات التلفزيونية حيوية (QLED من سامسونج، OLED النقاط الكمية من LG) ويتم تطويرها كنظم توصيل علاج سرطان موجهة تتوهج تحت أطوال موجات معينة. الفرق بين النظرية الكمية والمنتجات الكمية يضيق بسرعة. على الرغم من أن هوليوود تصور ميكانيكا الكم كالتنقل والكون المتوازي، فإن الثورة الحقيقية هي أكثر عملية وأكثر ربحية: تشفير غير قابل للكسر، خوارزميات تحسين تُحدِث ثورة في اللوجستيات، أجهزة استشعار ترى عبر الجدران، ومحاكاة تصمم المواد ذرة بذرة قبل أن يبنيها أحد. تستثمر الشركات أكثر من 30 مليار دولار سنويًا في البحث والتطوير الكمي لأن ميزة البداية في الحوسبة الكمية قد تعادل تريليونات، مثلما خلقت ثورة الرقائق الدقيقة وادي السيليكون.

رأيي

الثورة الكمية ليست قادمة، إنها موجودة بالفعل، مدفونة داخل الأجهزة التي يستخدمها الناس كل يوم دون أن يدركوا الفيزياء التي تشغلها. القصة الحقيقية ليست تطلعات بعيدة حيث تحل الحواسيب الكمية مشكلة الجوع العالمي. بل نحن نعيش هذه الأيام الباهظة والمليئة بالأخطاء الهندسية الكمية، تمامًا مثل عصر الكمبيوتر في الستينيات عندما كان تكلفة الحاسبة 4000 دولار وتملأ غرفة. لقد أصبح الضجيج حول الحوسبة الكمية تحديدًا مبالغًا فيه، مع ضخ رؤوس الأموال المغامرة مليارات في الشركات الناشئة التي لن تحقق إيرادات لمدة عقد، ولكن العلم الأساسي سليم والتطبيقات بخلاف الحوسبة يتم تجاريتها بالفعل. ما يثير إحباطي هو مدى سوء تفسير هذا للناس العاديين. يحب الفيزيائيون الغموض ويحب الصحفيون الخيال العلمي، لذا يتم تصوير ميكانيكا الكم كأنها سحر لا يمكن فهمه بدلاً من مبادئ هندسية يمكننا الاستفادة منها. لا تحتاج لفهم معادلات ماكسويل لاستخدام الكهرباء، ولن تحتاج إلى دكتوراه في الفيزياء للاستفادة من التكنولوجيا الكمية. الشركات التي ستفوز ستجعل الفوائد الكمومية غير مرئية، تمامًا كما تستخدم شريحة GPS في هاتفك تصحيحات نسبية من نظريات أينشتاين دون أن تعرف أو تكترث. سيفصل 5 سنوات المقبلة التطبيقات الكمية الحقيقة (الأجهزة الاستشعارية، الاتصالات، المواد) عن المبالغ فيها (الحواسيب الكمية المكتبية، الذكاء الاصطناعي الكمي، حماقات البلوكشين الكمي).

ماذا سيحدث بعد ذلك

بحلول 2028، ستدخل أول شبكة تشفير كمية حيز التنفيذ لتداول وول ستريت، ليس لأن البنوك تهتم بالمستقبلية، ولكن لأن هجمة كمية موثقة على تشفير RSA ستجبرها على ذلك. سيحقق مختبر أبحاث جامعي أو وكالة استخباراتية بهدوء تكامل مفتاح 2048 بت باستخدام حاسوب كمي مقاوم للخطأ يحتوي على أكثر من 10,000 كيوبت منطقي، مما يؤدي إلى تدافع للانتقال إلى معايير التشفير الكمية بعد الكم. لن يُنشر الحدث فورًا (تخيل الفوضى إذا عرف الجميع أن التشفير الحالي قد تم كسره)، لكن المؤسسات المالية ستسارع فجأة إلى نشر البنية التحتية الآمنة كميًا من 'مرغوب فيها' إلى 'أولوية وجودية.' البطاقة البرية التي لا يحسبها أحد في الأسعار: قيود الصين على تصدير التكنولوجيا الكمية. إذا استغلت بكين تقدمها في الاتصالات وأجهزة الاستشعار الكمية كأداة جيوسياسية، معيقة تصدير الأجهزة الكمية إلى بعض الدول بنفس الطريقة التي تقيد بها الولايات المتحدة معدات تصنيع أشباه الموصلات، سنشهد اندلاع حرب باردة كمية بحلول 2027 أو 2028. قد تجد الدول التي لا تمتلك صناعات كمية محلية (معظم أفريقيا، أمريكا اللاتينية، جنوب شرق آسيا) نفسها مغلقة إما في نظام تكنولوجيا كمي تقوده الولايات المتحدة أو الصين، غير قادرة على التحول دون إعادة بناء البنية التحتية من الصفر. هنا تصبح الكم مسألة أمن قومي حقيقية تتجاوز مجرد التشفير. في الجانب التجاري، توقع دخول أول دواء مصمم كميًا إلى التجارب السريرية بحلول أواخر 2027، تم تطويرها باستخدام محاكاة كمية للطيات البروتين التي لم تتمكن الحواسيب التقليدية من نمذجتها. على الأرجح ستكون موجهة نحو مرض معقد مثل الزهايمر أو بعض أنواع السرطان حيث تكون التفاعلات الجزيئية مكثفة جداً من الناحية الحاسوبية بالنسبة لأبحاث وتطوير الأدوية التقليدية. الشركة التي تكسر هذا أولاً (على الأرجح شراكة بين شركة حوسبة كمية وعملاق دوائي مثل فايزر أو روش) ستطلق هوسًا بتوقيع صفقات البيوتكنولوجيا الكمية، مما يجعل الحوسبة الكمية مجدية اقتصادياً من خلال إيرادات الترخيص قبل سنوات من انطلاق الحواسيب الكمية متعددة الأغراض إلى السوق. لن يكون التحويل 'حواسيب كمية للجميع'، بل 'فوائد كمية لمشكلات محددة تبلغ قيمتها مليارات الدولارات.'

ما يخبرنا به التاريخ

تشبه الثورة الكمية تنمية الكهرباء في الفترة من 1880 إلى 1920. عندما خاض إديسون وتيسلا جدالاً حول التيار المتناوب والتيار المستمر، رأى معظم الناس الكهرباء كفضول مختبري ذو استخدامات عملية محدودة. استغرق 40 سنة من العروض الأولى (1880s) إلى اعتماد واسع في المنازل (1920s). نحن في حوالي 25 سنة من عصر الكم إذا حدت البداية في 1998 عندما تم عرض الخوارزميات الكمية التشغيلية الأولى. يقدم الترانزستور مقارنة أقرب. اخترع في عام 1947 في بيل لابس، كانت الترانزستورات أجهزة مختبرية مكلفة حتى الستينيات عندما جعلت الدوائر المتكاملة منها رخيصة بما يكفي للإلكترونيات الاستهلاكية. كان أول جهاز راديو ترانزستوري تجاري (1954) يكلف 50 دولارًا (حوالي 550 دولارًا اليوم). بحلول عام 1965، أصبحت الترانزستورات منتشرة ورخيصة. تتبع التكنولوجيا الكمية نفس المنحنى: حواسيب IBM الكمية تكلف عشرات الملايين من الدولارات وتتطلب مبردات التخفيف التي تبرد إلى 15 ميللي كلفن، لكن الشركات الناشئة تطور بالفعل أجهزة استشعار كمية في درجات حرارة الغرفة ورقائق مولدة للأرقام العشوائية الكمية تكلف أقل من 10 دولارات. يتكرر النمط: اكتشاف فيزياء أساسية، عقود من الأبحاث المختبرية المكلفة، تصغير، انهيار تكلفة، انتشار.

تأثير السوق

أسهم التكنولوجيا الكمية مبالغ فيها بشكل كبير في 2026، تتداول على الضجيج بدلاً من الإيرادات، ولكن توجد فرص محددة للمستثمرين الصبورين. شركة IonQ (IONQ)، التي تتداول حوالي 8 إلى 12 دولارًا للسهم بعد اندماجها في 2021، تظل رهانًا نقيًا على الحوسبة الكمية المتداولة علنًا، مع إيرادات حوسبة كمية كخدمة فعلية وشراكات مع Amazon Web Services وMicrosoft Azure. شركة Rigetti Computing (RGTI)، التي تتداول حوالي 2 إلى 3 دولارات، تقدم مخاطر أكبر ومكافآت أعلى مع معالجاتها الكمية الفائقة التوصيل. كلا الشركتين تحرقان النقد ولن تكونا مربحتين حتى 2028 أو 2030 في أقرب تقدير، لكنهما تبنيان تقنية حقيقية، وليست مجرد ادعاءات جوفاء. اللعب الأذكى هو البنية التحتية المجاورة للكم. شركة NVIDIA (NVDA)، التي تتداول حاليًا بين 850 إلى 950 دولارًا، تقدم البنية التحتية للحوسبة التقليدية (GPUs، أنظمة التحكم، برامج المحاكاة) اللازمة لتشغيل الحواسيب الكمية ومحاكاة الخوارزميات الكمية. كل مختبر حوسبة كمية هو عميل لـNVIDIA. ستعتبر شركات معدات أشباه الموصلات مثل ASML (ASML)، التي تتداول بين 900 إلى 1,100 دولار، حيوية لتصنيع المعالجات الكمية على نطاق واسع بمجرد استقرار التصاميم. للحصول على تعرض موزع للكم، تحوي مشتقات Defiance Quantum ETF (QTUM) مجموعة من الشركات المرتبطة بالكم، على الرغم من أنه مخفف بأسهم تقنية ذات علاقة غير مباشرة. تشاؤم قصير الأجل على أسهم الحوسبة الكمية النقية حتى 2027 مع ضربات الواقع للتوقعات المبالغ فيها وتشديد التمويل. تفاؤل طويل الأجل (منظور 5 إلى 10 سنوات) حول الشركات في مجالات أجهزة الاستشعار الكمية، الاتصالات الكمية، والمواد الكمية التي تحقق الإيرادات قبل نضج الحواسيب الكمية متعددة الأغراض. الأموال الحقيقية ستأتي من الشركات التي تحل مشكلات محددة (محاكاة الأدوية، تصميم المواد، التحسين المالي) بدلاً من بناء حواسيب كمية متعددة الأغراض للمستهلكين الذين لا يحتاجون إليها.