لقد كان تأسيس الميكانيكا الكمومية (MQ) قطيعة إبستيمولوجية بلا شك، غير أنه كان أيضا واحدا من أعظم الثورات العلمية في كل العصور. ولا شك أنها يجب أن تعد أعظم إنجاز اجتماعي تاريخي في سياق عقلنة الوجود الانساني وبنياته الفكرية. إذ أنها تكشف عن الآلية الداخلية للعالم المجهري والطبيعة. لقد أثبتت النظرية الكمومية فعاليتها البالغة، إذ سمحت صياغتها النظرية بتقديم توقعات تم تأكيدها بالتجربة وتحويلها بسرعة إلى تقنيات جديدة: هذه هي الثورة الكمومية الأولى. أما الثورة الثانية فهي جارية الآن

في الربع الأول من القرن العشرين، دخلت البشرية مرحلة جديدة من تطورها وهي مرحلة صياغة النسبية الخاصة (1905) والنسبية العامة (1915-1917)، ثم تأسيس الميكانيكا الكمومية (MQ) (1925-1927). وفي فترة خاطفة من التاريخ، حققت النظرية الكمومية، التي تهدف إلى فهم وتفسير سلوك المادة على مستوى الذرات والجسيمات، نجاحا باهرا. فقد أتاحت صياغتها النظرية إجراء توقعات تم تأكيدها بالتجربة وتحويلها بسرعة إلى تقنيات جديدة. يتجلى الطابع الثوري للميكانيكا الكمومية في جانبين. في الجانب الأنطولوجي (الوجودي)، تمّ اقتراح أفكار جديدة حول طبيعة الظواهر الكمومية. وتمّ تقديم مفاهيم ومواضيع ومبادئ أساسية جديدة، وقد تم اقتراح خيار التخلي عن المفاهيم القديمة أو تقييد تطبيقها. كما تمّ التشكيك في الفرضيات المتعلقة بأنماط الوجود والسببية والصدفة. أما في الجانب الإبستمولوجي (المعرفي)، فقد اقترحت الميكانيكا الكمومية التخلي عن الفرضيات المنهجية والمنطق المعتاد، وأنماط البحث والتفسيرات. كما ظهرت مبادئ جديدة للمعرفة، وقابلية الملاحظة، والتكامل بين الأوصاف المختلفة، والتوافق بين النظريات، وتمت مراجعة دور الملاحظ. لقد أدّت اكتشافات الميكانيكا الكمومية في نهاية المطاف إلى منح البشرية معظم التقنيات التي ستخلد في الذاكرة لهذا القرن: الأسلحة النووية، والليزر، والساعات الذرية، ومسرعات الجسيمات، والتصوير بالرنين المغناطيسي، والمجاهر النفقية الماسحة، وكل الإلكترونيات المعتمدة على أشباه الموصلات بشكل عام، من الترانزستورات والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) إلى الحواسيب والاتصالات المحمولة لاحقا، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والإنترنت. يبلغ حجم سوق المنتجات ذات الصلة في العالم ثلاثة مليارات دولار سنويا.
تعتمد كل هذه التقنيات والأجهزة على إدارة الظواهر الكمومية الجماعية التي تنطوي على تفاعلات على مستوى تدفقات الجسيمات (الذرات والجزيئات)، في البيئات المختلفة التي يتم رصدها. تسمى هذه الفترة من تطور الفيزياء والتكنولوجيا عادة الثورة الكمومية الأولى. في نهاية القرن العشرين، تعلم العلماء كيفية التحكم في الأنظمة الكمومية المعقدة على مستوى مكوناتها الأولية، أي التلاعب بالذرات وحتى الجسيمات الأولية مثل الفوتونات، مما أتاح إنشاء أنظمة تشفير وحوسبة كمومية. وقد مهد ذلك الطريق لعصر الثورة الكمومية الثانية، التي نعيش في بدايتها اليوم.
تم تقديم وصف مفصل للثورة الكمومية الثانية في «البيان الكمومي لأوروبا» (2016). وابتداء من عام 2010، بدأت حكومات بريطانيا وهولندا والصين وسنغافورة ودول أخرى في إنشاء برامج وطنية لإدماج تقنيات كمومية جديدة في إطار الثورة الكمومية الثانية.

الحاسـوب الكمومـي: ضـرورة جديـدة

ستكون الحوسبة الكمومية واحدة من التقنيات الرئيسة القادرة على إحداث الثورة الحديثة في الميكانيكا الكمومية (MQ). يختلف الحاسوب القائم على الترانزستورات التقليدية اختلافا جذريا عن أشقائه الأقدم المعتمدين على شرائح السيليكون. إنّنا نتحدّث هنا عن القدرة على إجراء حسابات احتمالية على درجة من التعقيد لا تستطيع الحواسيب الفائقة الحديثة تحقيقها. في الحوسبة التقليدية، يتم تخزين المعلومات ومعالجتها على وحدة البت (Bit) وهي أصغر وحدة معلومات يمكن أن تأخذ قيمتين فقط وهما: صفر (إيقاف – قاطع) أو واحد (تشغيل – ناقل). يحتوي الحاسوب التقليدي الحديث (وحتى معالج الهاتف الذكي نفسه) على مليارات من السجلات، كل واحد منها في لحظة معينة لا يمكن أن يكون إلا في إحدى حالتين: إما 1 أو 0. يمكن تشبيه البت (Bit) بمصباح كهربائي إما مشتعل (1) أو منطفئ (0). إن الملف الموجود في القرص الصلب يشبه مجموعة من المصابيح بالنسبة للحاسوب، بعضها مشتعل وبعضها الآخر ليس كذلك. غير أنه عندما يقوم الجهاز بحل مشكلة ما، فإنه يشعل ويطفئ المصابيح، ويسجل ويمسح باستمرار نتائج الحسابات الوسيطة حتى لا تملأ الذاكرة. إذا كانت المهمة صعبة جدا، سيستغرق الحاسوب وقتا طويلا في التفكير.
بدأت الأسس النظرية لتقنية الحواسيب الكمومية توضع في سنوات 1980، لاسيما مع أعمال ريتشارد فاينمان. بين نهاية سنوات 1980 وبداية سنوات 1990، أبرز عالم الفيزياء ديفيد دويتش وعالم الرياضيات ريتشارد جوزيف أول خوارزمية كمومية، أي سلسلة من العمليات المنطقية التي تستغل مبادئ التراكب والتشابك الكمومي وتحل مشكلة ما بشكل أسرع من كل الخوارزميات التقليدية المعروفة. في عام 1994، تجدد الاهتمام بخوارزمية طورها شور. في الواقع، كان بإمكان هذه الأخيرة، والتي تم تصميمها للعمل على حاسوب كمومي، أن تفكك بسرعة الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية (وهي مهمة ضرورية لكسر التشفيرات الحديثة). تحل الحواسيب التقليدية هذه المشكلة عن طريق تجربة القواسم الممكنة واحدا تلو الآخر، بطريقة تجعل الحواسيب الحديثة تستهلك سنوات في معالجة أعداد طويلة. أما الحاسوب الكمومي فيمكنه إنجاز مثل هذه المهمة في بضع دقائق أو حتى ثوان حسب الأداء. وخلافا للأجهزة التقليدية، تخزن الحواسيب الكمومية وتعالج البيانات باستخدام البتات الكمومية (كيوبتات – qubits) وهي تراكب حالتي 1 و0، أي بقيمة 1 و0 في الوقت نفسه، مما ينتج عنه تركيبة خطية من حالتي الـ 1 والـ 0. ولتوضيح حالة التراكب الكمومي هذه، يمكننا استخدام تشبيه «قطة شرودنغر» الذي يستشهد به كثيرا في الميكانيكا الكمومية. تجدر الإشارة إلى أن الجسيمات الأولية أو مجموعاتها التي يتم إنشاؤها اصطناعيا هي في الواقع ذرات اصطناعية، يتم استخدام ككيوبتات. تتيح هذه الأخيرة إجراء الحسابات بطريقة أسرع بمليارات المرات، وهي عمليات تكاد تكون مستحيلة على الحواسيب الرقمية التقليدية. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن هذا يسمح للكمبيوتر الكمومي بإدارة مهام قد يستغرق الكمبيوتر الرقمي العادي ملايين السنين لإنجازها. ومع زيادة عدد الكيوبتات المجمعة، يشهد النظام نموا هائلا في قدرته الحسابية. تحتوي أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكثر تقدما اليوم على عشرات الكيوبتات، في حين أن تحقيق طفرة ثورية في الأداء سيتطلب أعدادا أكبر بكثير تتراوح بين الآلاف والملايين.

الخطـوات الأولـى للاتّصـال الكمومــي

بعد إنشاء الحاسوب الكمومي، أصبح التشفير الكلاسيكي وسيلة غير فعّالة لحماية المعلومات، ولهذا السبب ظهر التشفير الكمومي. تستخدم تقنية الحماية التشفيرية للمعلومات جزيئات كمومية منفردة لنقل المفاتيح. يتم تخزين المعلومات الكمومية في الكيوبتات، التي يمكن أن تكون في الموضع 1 و0 في الوقت نفسه. وبمعنى آخر، يمكن أن يعطي جسم كمومي مجموعتين مختلفتين من البيانات في آن واحد. لا يمكن لأي تغيير في هذه المعلومات أن يمر دون أن يلاحظه أحد، وهذا يعني أنه لا يمكن لأي مخترق استخراج المعلومات الكمومية دون أن يترك أثرا. إن الإنترنت الحالي بعيد كل البعد عن الأمان. يصف فيلم Die Hard 4.0، الذي تم تصويره قبل قرابة عشرين عاما، عواقب اختراق البنية التحتية في واشنطن بينما كانت المدينة بأكملها مشلولة. فقد تعرّضت كل تدفقات المعلومات للهجوم، وانطفأت الأضواء، وتوقفت المتاجر الكبرى وإشارات المرور عن العمل، وتعطل نظام النقل، وتوقف جمع القمامة، وتعطلت إمدادات المياه، وأصاب شلل تام كل الخدمات بشكل عام. وهذا ما يسمح بالقول بأن تدمير تدفقات المعلومات يمثل تهديدا خطيرا جدا للمجتمع. لا تزال معظم هذه التكنولوجيا في بداياتها. يتصور معظم العلماء أن النسخة الأولى من شبكة الأنترنت القائمة على الكيوبتات هذه ستكون جاهزة في السنوات القادمة.

استثمــارات فــي العـالم أجمـع

خلال بضع سنوات، أصبح حجم البيانات التي يتم توليدها يوميا هائلا ببساطة، لا سيما مع انفجار «البيانات الضخمة» (Big Data)، ولم تعد الحواسيب الحديثة قادرة دائما على مواكبة هذه الأحجام، فلم يعد قانون مور صالحا إذ لم يعد هناك تضاعف في قوة الحوسبة كل عامين. ولا تزال الحواسيب الفائقة بطيئة جدا بالنسبة لبعض المهام العلمية الأكثر أهمية، مثل اختبار تأثيرات الأدوية الجديدة على المستوى الجزيئي. تتابع حكومات عديدة هذه التطورات، وتستثمر بشكل مكثف في السوق لتعزيز نفوذها على الساحة الدولية، معتبرة أن الحوسبة الكمومية واعدة. إن أحد أكثر الحواسيب الكمومية تقدما في الوقت الحالي هو ما تم إنشاؤه بواسطة شركة غوغل، والذي يدعى سيكامور (Sycamore) ويحتوي على 54 كيوبت (يعمل 53 منها في الوقت نفسه). في أكتوبر 2019، نشر موظّفو الشركة تقريرا في مجلة Nature حول نتائج تجربة، حيث تمكن Sycamore من إجراء حسابات في 200 ثانية، وهو ما كان سيستغرق عشرة آلاف سنة في حاسوب فائق قوي. وهكذا، أصبحت غوغل أول من حقق «التفوق الكمومي» في المخبر في التاريخ. في جوان 2020، أعلنت شركة Honeywell عن إطلاق ما تدعي أنه أقوى حاسوب كمومي في التاريخ (64 كيوبت). وباستخدام الهيليوم السائل، كان يتم تبريد النظام إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق (-262.7 درجة مئوية). هذا وقد بدأ عديد من الزبائن، من بينهم بنك «جي بي مورغان تشيس» (JP Morgan Chase) في استخدامه بالفعل. كما أكدت الصين أنها تمتلك حاسوبا كموميا أسرع بمئة تريليون مرة من أقوى الحواسيب الفائقة تقدما.

كيـف يمكـن للجزائـر الانخـراط فـي التّطويـر الكمومـي؟

تعد التقنيات الكمومية إحدى مهن المستقبل، ومن المجالات الواعدة للتوظيف الواسع، والتي نتوقع انتشارها في المستقبل القريب. وستكون هذه التقنيات من الابتكارات في قطاع التصنيع، والاتصالات الطرقية المؤمنة، وأنظمة الملاحة الفائقة الدقة، والحواسيب الكمومية، وتشخيص الأمراض، وتطوير الأدوية، وغيرها. ولكيلا نفوت هذا «المنعطف التكنولوجي»، يجب على بلادنا أن تؤمن بذلك بأي حال من الأحوال وتعد «خطة وطنية» تكون جزءا من المشروع الوطني للاقتصاد الرقمي. وسيشمل هذا المخطط مهام تكوين الكوادر في المجال الكمومي وتطوير نظام بيئي متكامل للصناعة. ومن الضروري البدء في إعداد الأطفال لمهن المستقبل منذ المراحل الأولى لمسارهم التعليمي. فسن المدرسة هو السن الذي تصنع فيه الأحلام. يبدو لي أن الانطلاقة في العلوم والمهن المستقبلية يجب أن تبدأ في هذا العمر تحديدا. يمكن إطلاق مخطط استراتيجي للتنمية في الجزائر، يجمع بين مراكز البحث والجامعات مع مخابرها. وكأولويات، سيقترح المخطط حل مشاكل البحث والهندسة في مجال الحوسبة الكمومية، وإنشاء نظام بيئي لتطوير هذه الاستراتيجية. إن تشكيل النظام البيئي يعني، من بين أمور أخرى، إنشاء قاعدة بنية تحتية، وبرامج تعليمية، وإنشاء تكتلات مع شركاء صناعيين.
إنّ بداية القرن الحادي والعشرين هي عصر الثورة الكمومية الثانية، والتي لم تظهر نتائجها بالكامل بعد. تستبق الحكومات وكذلك الشركات الكبرى من مختلف البلدان هذه الثورة، وتطلق خططا طموحة لاستباق التغيرات وتلبية الاحتياجات المستقبلية. من المتوقع أن يؤدي ذلك إلى عديد من التطورات في مجموعة واسعة من المجالات، خاصة في مجال المعلوماتية والحواسيب الكمومية، والتشفير الكمومي وما بعد الكمومي، وكذلك في الصناعات الدفاعية، والسيارات، والفضاء، ومحاكاة المواد الجديدة، وقدرات التحكم الآلي، وأكثر من ذلك بكثير، ناهيك عن العلوم الأساسية. ينبغي أن تصبح نهاية القرن العشرين وبداية القرن الحادي والعشرين حقبة اعتماد التقنيات الجديدة في مجالات الإنتاج، والحياة اليومية، والتنظيم الاجتماعي، والسياسة، والاتصال، والثقافة.