البت والكيوبت
الدرس 6 من 23 في دورة «الكم». مجاني، مع رسوم متحركة واختبار.
البت مفتاح والكيوبت كرة
البت العادي مفتاح: 0 أو 1 ولا ثالث. الكيوبت هو النسخة الكمية من البت. قبل القياس تكون له سعتان: واحدة للـ0 وأخرى للـ1. من المريح رسمهما كنقطة على كرة بدل وضعين. لكن تذكّر القاعدة الأهم من المستوى الأول: عند القياس يعطي الكيوبت أيضًا 0 أو 1 فقط. الحيلة كلها فيما يحدث للسعات قبل القياس.
كرة بلوخ
يمكن تمثيل حالة كيوبت واحد بسهم على كرة ابتكرها الفيزيائي فيليكس بلوخ. القطب الشمالي يعني 0 بالتأكيد، والجنوبي 1 بالتأكيد. كلما اقترب السهم من قطب زاد احتمال الحصول عليه عند القياس. على خط الاستواء 50/50 تمامًا. أما الدوران حول خط الاستواء، مثل خط الطول على الكرة الأرضية، فيسمى الطور. وهو إشارة السعة من درس التراكب. في المحاكي يمكنك تدوير الكرة بأزرار البوابات.
الطور: غير مرئي لكنه حاسم
خذ نقطتين على خط الاستواء: «زائد» و«ناقص». لكل منهما احتمال 50/50 للـ0 والـ1، والقياس المباشر لا يميّزهما. لكنهما حالتان مختلفتان: في «ناقص» سعة الـ1 بإشارة سالبة. إذا طبّقت البوابة H قبل القياس يصبح «زائد» 0 مؤكدًا و«ناقص» 1 مؤكدًا. لهذا الطور مهم: الخوارزميات الكمية تخفي الجواب في هذه الإشارات تحديدًا ثم تُظهره بالتداخل.
لماذا يصعب تقليد الكيوبتات
لوصف n كيوبت على حاسوب عادي تحتاج 2 أُس n من السعات، لأن لكل تركيبة من الأصفار والآحاد سعتها. 10 كيوبتات: 1024 رقمًا، لا شيء. 50 كيوبتًا: نحو كوادريليون رقم، لا تتسع لها ذاكرة حاسوب محمول. 300 كيوبت: أرقام أكثر من ذرات الكون المرئي. لذلك لا يمكن ببساطة حساب الدارات الكمية الكبيرة على حاسوب فائق، وهنا قوتها.
لكن يمكنك قراءة n بت فقط
فخ الضجيج: ما دام في الداخل كوادريليون رقم، أليست هذه كوادريليون إجابة؟ لا. تقيس 50 كيوبتًا فتحصل على 50 بتًا عاديًا بالضبط، وتنهار كل السعات. بل أثبت الفيزيائيون ذلك كنظرية: لا يمكن استخراج أكثر من n بت من المعلومات من n كيوبت. إذن قوة الكيوبتات ليست في التخزين، بل في كيف تجعل الخوارزمية الإجابات الخاطئة تلغي بعضها ليظهر الجواب الصحيح عند القياس.
ما هو الكيوبت فيزيائيًا؟
يمكن أن يكون الكيوبت أي شيء له حالتان كميتان واضحتان يمكن عزله والتحكم فيه. الدارة فائقة التوصيل من نوبل 2025: عليها تبني Google وIBM. أيون مفرد يمسكه مجال كهربائي: Quantinuum وIonQ. ذرة متعادلة يمسكها شعاع ليزر: QuEra وAtom Computing. فوتون: PsiQuantum وXanadu. لكل خيار مزاياه وعيوبه وسنتناولها في مستوى العتاد.
اختبر نفسك
- كيوبت على خط استواء كرة بلوخ. ماذا سيعطي القياس؟
الإجابة الصحيحة: 0 أو 1 بالتساوي تقريبًا. خط الاستواء يعني 50/50. كل قياس يعطي 0 أو 1، وفي مئة محاولة تتساوى النتائج تقريبًا. - بماذا ترد على «50 كيوبتًا تخزن كوادريليون إجابة»؟
الإجابة الصحيحة: يمكن قراءة 50 بتًا فقط. وصف 50 كيوبتًا يتطلب كوادريليون سعة، لكن القياس يعطي 50 بتًا بالضبط. هذه نظرية مُثبتة لا مشكلة مؤقتة. - ما الفرق بين الحالتين «زائد» و«ناقص»؟
الإجابة الصحيحة: إشارة السعة، أي الطور. كلاهما 50/50، لكن في «ناقص» سعة الـ1 سالبة. البوابة H تحوّل «زائد» إلى 0 و«ناقص» إلى 1، فالفرق حقيقي.