من بناء بنيات هجينة إلى معالجة الأسئلة الأساسية المعقدة، عالم فيزياء الكم ماورو باتيرنوسترو يحدد الإمكانات الهائلة المعروضة من مشهد تكنولوجيا الكم
نحن الآن في خضم نهضة كمومية، حيث يتنافس الباحثون في الأوساط الأكاديمية والصناعة من أجل "الفوز" بسباق الحوسبة الكمومية. يزدهر السوق الكمي، حيث تستثمر العشرات من الشركات، الكبيرة والصغيرة على حد سواء، في هذه التكنولوجيا، بدعم من التمويل الحكومي الضخم في جميع أنحاء العالم.
ماورو باتيرنوسترو، عالم فيزياء الكم في جامعة باليرمو وجامعة كوينز بلفاست، هو خبير في معالجة المعلومات الكمومية وتكنولوجيا الكم. من خلال العمل على أسس هذا الموضوع، يقوم فريقه بإجراء بحث رائد في ميكانيكا التجويف البصري، والاتصالات الكمومية وما بعدها. وهو أيضًا رئيس تحرير مجلة IOP للنشر علوم وتكنولوجيا الكم.
في هذه المقابلة الواسعة النطاق، تحدث باتيرنوسترو مع Tushna Commissariat عن وجهات نظره حول المشهد الكمي - بدءًا من "الركائز الأربع" لتكنولوجيا الكم والهندسة المعمارية الهجينة وحتى الزواج الواعد بين تكنولوجيا الكم والذكاء الاصطناعي (AI). ويؤكد باتيرنوسترو أيضًا على الحاجة إلى استمرار التمويل الحكومي لتحقيق الإمكانات الحقيقية لهذه التكنولوجيا التي ستغير العالم.
لقد شهدنا انفجار الفقاعة الكمومية على مدى العقد الماضي، ولكن ما هي المزايا والمخاطر المحتملة للتوسع الهائل في شركات التكنولوجيا الكمومية والتمويل في جميع أنحاء العالم؟
وبشكل عام، الصورة إيجابية للغاية. تحتاج معالجة المعلومات الكمومية إلى دعم من الصناعة، حيث يمكن للشركات الدفع نحو التطورات الأكثر واقعية التي يحتاجها هذا المجال. يساعد المنظور الذي تقدمه الصناعة في تشكيل التقنيات الكمومية بطريقة أكثر تركيزًا، عندما يتعلق الأمر بالأهداف العامة. إن السوق الناشئة والمتفجرة - سواء كان ذلك في الصناعة أو الأوساط الأكاديمية - رائعة.
ولكن، كما أشرت، كان هناك نمو سريع. وعلى الرغم من أن هذا أمر جيد في الغالب، إلا أن هناك أيضًا القليل من القلق من أننا قد نخلق فقاعة كبيرة ستنفجر عاجلاً وليس آجلاً. لذا أعتقد أن الأمر يتعلق بالسيطرة - فنحن بحاجة إلى كبح جماح أنفسنا إلى حد ما، مع السماح لمجال البحث بالنمو بشكل عضوي.
أنا مهتم قليلاً بعدد الشركات الصغيرة التي يبدو أنها تعمل جميعها على تطوير برمجياتها الكمومية. لا علاقة لمنتجاتهم بالخوارزميات الكمومية الحقيقية، وعادةً ما تكون حلول تحسين كلاسيكية – والتي لها مزاياها الخاصة. لكنها ليست بالضرورة ما يمكن أن أسميه الإطار الكمي.
ومن ناحية أخرى، فإن بعض الشركات المنفصلة تتجه أكثر نحو تنفيذ منصات المعالجة الكمومية، مثل أجهزة الاستشعار الكمومية. هذه مثيرة للاهتمام حقًا، لأنها لا تتعلق فقط بالحسابات الكمومية، ولكن أيضًا بقوانين فيزيائية أخرى.
هناك أربع ركائز تدعم تطورات تكنولوجيا الكم: الحوسبة الكمومية؛ محاكاة الكم. التواصل الكمي؛ والاستشعار الكمي والمقاييس. وأود أن أقول إن الأربعة يتطورون بطريقة صحية للغاية.
يبدو أن الاستشعار الكمي هو أحد أكثر التقنيات تقدمًا، إلى جانب الاتصالات بفضل نضج التقنيات التي يمكن الاستفادة منها. ورغم أن مشاركة الصناعة مفيدة وواعدة، فيتعين علينا أن نكون حذرين من المضاربات الجامحة و"التضخم" الذي يأتي من محاولة القفز على متن حافلة سريعة، من دون الحصول على الأجرة الكاملة للرحلة في متناول اليد.
وعلى الرغم من أنني غالبًا ما أكون متشككًا في الشركات الصغيرة، إلا أنك أحيانًا تتلقى أيضًا أخبارًا مثيرة للقلق من الشركات الكبرى. على سبيل المثال، كانت شركة التكنولوجيا الصينية علي بابا مهتمة بتطوير منصات وحلول الحوسبة الكمومية، إلى أن قررت فجأة إغلاق فريقها الكمي الداخلي في نهاية العام الماضي، قائلة إنها تفضل التركيز على أن تكون رائدة في أبحاث الذكاء الاصطناعي.
هل كان هذا مجرد قرار تجاري، أم أن علي بابا تشم رائحة شيء لم نشمه بعد؟ أعتقد أنه سيكون علينا الانتظار والترقب. بشكل عام، أعتقد أن المستقبل مشرق وأن مشاركة الصناعة هي أخبار جيدة جدًا.
هناك عدد من تقنيات الحوسبة الكمومية المختلفة التي تتنافس على المركز الأول - بدءًا من الأيونات المحاصرة والنقاط الكمومية وحتى الكيوبتات فائقة التوصيل والفوتونية. ما الذي تعتقد أنه من المرجح أن ينجح؟
أنا من اللاأدريين نوعًا ما، حيث لا أعتقد أن أول جهاز كمي نبنيه سيكون كميًا بالكامل. أعرف أن هذا رأي مثير للجدل بالنسبة للبعض، لكنه رأي يشاركني فيه كثيرون آخرون في مجال تخصصي. ما أعتقد أننا سنصل إليه في نهاية المطاف هو بنية هجينة، حيث يكون الأفضل حوسبة عالية الأداء (HPC) سوف تتفاعل مع بنيات الحوسبة الكمومية.
ربما هذه الكم المتوسط الحجم الصاخب (NISQ) سيتم ضم البنى المعمارية إلى بنية HPC كاملة من شأنها تعزيز أدائها، أو العكس. إن الموارد الكمومية المطروحة على الطاولة بواسطة هذا النوع من الأجهزة الهجينة ستعزز الأداء الذي يمكن أن تنتجه HPC الكلاسيكية الحالية. أنا أؤمن بشدة بجدوى هذا النوع من الهندسة الهجينة، فالحل الكمي الكامل لا يزال بعيدًا عن ما نحن عليه الآن.
كما أنني لست مقتنعًا تمامًا بأننا سنمتلك القدرة على إدارة الموارد الهائلة التي ستكون ضرورية لتحقيق الاستفادة الكاملة من الفجوة في القوة الحسابية التي سيوفرها الكمبيوتر الكمي. إن الهدف المتوسط المدى الذي يهدف إلى تحقيق هذه البنية الكمومية الهجينة HPC سيكون أكثر واقعية - وربما يكون مثمرًا للغاية -. أنا متفائل إلى حد ما بأن شيئًا ما سيحدث في حياتي.
لقد ذكرت أنه يتم بالفعل تطوير أجهزة الاستشعار الكمومية لمجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك الرعاية الصحية والبناء وحتى قياس الجاذبية. ما الجديد والمثير في هذا المجال؟
تعمل أجهزة الاستشعار الكمومية على تطوير قدرات مذهلة لاستكشاف الآليات التي كانت بعيدة المنال حتى الآن. بشكل أساسي، تساعدنا هذه المستشعرات على اكتشاف التأثيرات الكمومية المحتملة لقوى مثل الجاذبية بشكل أفضل، والتي يهتم العديد من الباحثين في المملكة المتحدة بمتابعتها. ويسعى قسم كبير من المجتمع التجريبي إلى تحقيق هذه الأهداف ــ بقيادة المركز الكمي في جامعة برمنجهام على هذه الجبهة.
لا أعتقد أن أحدًا يدعي أن هناك منصة تجريبية رابحة يمكن متابعتها، فكل من الذرات الباردة والميكانيكا الضوئية هي من أكثر المجالات الواعدة في هذا الصدد. لكن التقدم النظري والتجريبي الذي حققه هذا المجال مثير للاهتمام للغاية.
أعتقد أن أجهزة الاستشعار التي يمكنها استكشاف الطبيعة الأساسية للآليات الفيزيائية بعيدة المنال ستكون بمثابة تطور رئيسي. ثم هناك أجهزة استشعار أخرى، مثل مقاييس التسارع أو أجهزة التصوير التي تم تأسيسها بشكل جيد بالفعل. ال البرنامج الوطني لتقنيات الكم في المملكة المتحدة وقد حققت بالفعل تقدما كبيرا في هذا الصدد، والتكنولوجيا متاحة وناضجة بما يكفي لإحداث تأثير حقيقي.
أعتقد أن الصناعات يجب أن تستثمر بكثافة في هذا المجال، لأنه إلى جانب الاتصالات، فإن الاستشعار هو في طليعة تطبيقات تقنيات الكم في هذه المرحلة.
تهيئة المشهد لسوق كمومية: أين تتجه الأعمال الكمية وكيف يمكن أن تتطور
وماذا عن التواصل الكمي؟
ربما يكون التواصل الكمي هو المثال الأكثر وضوحًا حيث تم تطبيق التقدم الأكاديمي لصالح الأهداف التي تقودها الصناعة. لقد كان مثالًا رائعًا للغاية لما يمكننا تحقيقه عندما يعمل هذان العنصران معًا.
ورغم أن التقدم كان رائعا، إلا أن هناك جوانب مثيرة للجدل أيضا، خاصة عندما نأخذ في الاعتبار العواقب الجيوسياسية الأكبر لشبكة الكم العالمية. سوف تصبح مسألة أمن الاتصالات والبيانات ذات أهمية كبيرة، لذا يتعين علينا أن ننظر بعناية في الآثار الأوسع نطاقاً لهذه التطورات التكنولوجية. فالحدود الجيوسياسية تتغير باستمرار، ولا تتزامن أهدافها دائمًا مع الأهداف العلمية.
ما هي بعض المجالات الرئيسية التي تتقاطع فيها تقنيات الذكاء الاصطناعي والتقنيات الكمومية؟ أين يمكنهم مساعدة بعضهم البعض بشكل أفضل، وما هي المشكلات المحتملة؟
هذا سؤال مهم جدا. وغني عن القول أن الكأس المقدسة لكلا المجالين قريبة جدًا - يعتمد كل من الذكاء الاصطناعي والحساب الكمي على تطوير خوارزميات جديدة. يسمع المرء أشخاصًا يتحدثون عن التعلم الآلي الكمي (ML)، أو الذكاء الاصطناعي الكمي، لكن هذا ليس ما يقصدونه حقًا. إنهم لا يشيرون إلى خوارزميات كمومية مصممة خصيصًا لمشاكل الذكاء الاصطناعي أو التعلم الآلي. ما يقصدونه هو تهجين التعلم الآلي الكلاسيكي أو الذكاء الاصطناعي الكلاسيكي مع المشاكل الكمومية.
ستعتمد هذه الحلول على المجال والمشكلة التي نحاول معالجتها. ولكن بشكل عام نحن ننظر إلى التقنيات الكلاسيكية لمعالجة مجموعات البيانات؛ تحسين المشاكل؛ حل وظائف التكلفة. والتحكم في المشكلات الكمومية وتحسينها ومعالجتها.
إنه أمر واعد جدًا، حيث تقوم بتجميع أفضل ما في العالمين. من وجهة نظر نظرية، الهدف هو معالجة الأسئلة على المستوى العام لميكانيكا الكم التي تحتاج إلى معالجة، وربما المشكلات الأكبر والأكثر تعقيدًا من حيث الحجم. نريد إنشاء أدوات على المستوى الخوارزمي تسمح لك بالتعامل مع تعقيد تلك المشكلات بطريقة موحدة وموثقة.
والشيء المثير للاهتمام هو أن التجارب بدأت تواكب التطورات النظرية. لدينا بالفعل عدد من الحلول والأساليب والمنهجيات التي تم تطويرها في هذا السيناريو المختلط حيث تجتمع تعلم الآلة ومعالجة المعلومات الكمومية معًا.
آمل أن يتم التحقيق في هذه التجارب بشكل كامل في السنوات القليلة المقبلة، وألا ننشغل إذا انفجر الذكاء الاصطناعي والفقاعة الكمومية. ومع ذلك، أشك في أن هذا هو الحال، لأن الذكاء الاصطناعي موجود ليبقى، في حين أن التعلم الآلي أصبح الآن أداة لا يمكن تفويتها يستخدمها محللو البيانات في جميع أنحاء العالم. وإذا كان لدينا أي طموح لزيادة تعقيد المشاكل التي يمكننا، بل وينبغي لنا، معالجتها، فيتعين علينا أن نركز على تطوير هذه الأدوات.
ما هي المبادرات الجديدة الجارية في هذا المجال؟
في وقت سابق من هذا العام، البحث والابتكار في المملكة المتحدة (UKRI) أعلنت أنها تمول تسعة مراكز بحثية جديدة "لتقديم تقنيات ذكاء اصطناعي ثورية" لمعالجة المشكلات المعقدة بدءًا من الرعاية الصحية وحتى الطاقة، بالإضافة إلى 10 دراسات أخرى لتحديد "الذكاء الاصطناعي المسؤول". أعلم أن عددًا من هذه الحلول لها مكون كمي - خاصة في مجال الرعاية الصحية، حيث تعد الحلول القائمة على الذكاء الاصطناعي أساسية تمامًا، ولكن قد تكون هناك حلول كمومية أيضًا.
لذلك أنا متفائل جدًا عندما يتعلق الأمر بدمج الذكاء الاصطناعي والتكنولوجيا الكمومية، طالما أن تطوير إطار عمل الذكاء الاصطناعي يخضع للتنظيم. في الوقت الحالي، تقوم المفوضية الأوروبية بصياغة الإطار القانوني لقانون الذكاء الاصطناعي الخاص بهاوالتي ستتناول المخاطر التي قد يفرضها الذكاء الاصطناعي، والدور العالمي الذي يأمل الاتحاد الأوروبي أن يلعبه في تنظيم التكنولوجيا. وكانت كل من المملكة المتحدة والولايات المتحدة تعملان على أطر عمل مماثلة لبعض الوقت بالفعل، لذا ينبغي لنا أن نعمل على صياغة بعض السياسات والتنظيمات العالمية، عاجلاً وليس آجلاً.
وطالما أن هذا التطور يتبع سياسة منظمة ذات إطار متين، فإن تفاعلات الذكاء الاصطناعي مع التقنيات الكمومية يجب أن تخلق آلية تغذية راجعة مفيدة في الاتجاهين من شأنها أن تساعد كلا المجالين على النمو بشكل كبير.
عندما يتعلق الأمر بتمويل التكنولوجيا الكمومية من قبل الحكومات عبر المسرح العالمي، ما هي المجالات المحددة التي ترغب في رؤية المزيد من الاستثمار فيها؟
المنح الخاصة بي! ولكن على صعيد أكثر جدية، كان الاستثمار على المستوى الحكومي واسع النطاق وكبيرا في مجال لا يزال في الأساس مجالا علميا ناشئا. بالمقارنة مع بعض المجالات الأخرى التي تتلقى تمويلًا علميًا، مثل الأبحاث العسكرية أو الطبية، فإن حجم الأموال التي تم تخصيصها يكاد يكون سخيفًا - لكنه أمر جيد جدًا بالنسبة لنا بالطبع. ومن فوائد هذا النوع من الإنفاق الحكومي أنه يجبرنا على تشكيل مجتمع والتوصل إلى أهداف مشتركة.
إذا أشرنا إلى الركائز الأربع المذكورة أعلاه، هناك علاقة أساسية بين الفيزياء الأساسية والتطورات النظرية. وقد اختارت بلدان مختلفة ركيزة واحدة أو أكثر للتركيز عليها، اعتماداً على خبراتها ومواردها. تركز الولايات المتحدة بشكل كبير على الحساب. أما الاتحاد الأوروبي فهو أكثر انتشارا، وبالتالي فإن الوضع أكثر تعقيدا، ولكن هناك استثمار كبير في الاتصالات، فضلا عن الاهتمام المتزايد بالمحاكاة، في حين يركز عدد من الاستراتيجيات الوطنية للاتحاد الأوروبي أيضا على الاستشعار.
وتحاول المملكة المتحدة أيضًا تغطية النطاق بأكمله، ولكنها تحدد بعض المواضيع المحددة جيدًا، من التصوير إلى الحساب، ومن الاتصالات إلى الاستشعار. هناك دول مثل فنلندا لديها نهج أكثر تجريبية وتركز على البنى فائقة التوصيل، حيث أن لديها بالفعل مرافق ضخمة متاحة. ومن ناحية أخرى، تعمل سنغافورة على تطوير خط بحث قوي للغاية في مجال الاتصالات الكمومية المعتمدة على الأقمار الصناعية. بالنسبة لدولة صغيرة، فهي تتمتع بإمكانات هائلة، من حيث المواهب والموارد.
لذلك طورت البلدان المختلفة مجال خبرتها بطريقة عضوية. ومن خلال القيام بذلك، فإننا جميعًا نفوز كمجتمع - ونستفيد جميعًا من كل التقدم الذي تم إحرازه. بعض الخطوات الصغيرة، وبعض الخطوات الإضافية، وبعض القفزات الكمية الهائلة.
أعتقد أنه سيكون من المهم حقًا أن تدرك الحكومات الوطنية والعالمية أن الاستثمار في التقنيات الكمومية يجب أن يكون مستدامًا. إنها منطقة تحتاج إلى دعم مستمر وغير منقطع لتحقيق أهدافها السامية. ويتعين علينا، كمجتمع علمي، أن نعرض صورة متماسكة بنفس مجموعة الأهداف، على الرغم من أي اختلافات بيننا. عندها فقط سنكون في وضع أفضل لترجمة التقنيات الكمومية إلى حقائق تغير الحياة.
بصفته رئيس التحرير الجديد لـ علوم وتكنولوجيا الكم (QST)، ما هي رؤيتك للمجلة؟
إنه لشرف كبير، وأنا أشعر بالإطراء تمامًا، ولكنه أيضًا مسعى كبير، نظرًا للمشهد المتطور للمجلات المتعلقة بالكم. ما أريده للمجلة هو التأكد من أن QST تظل إحدى السبل المفضلة لتقديم المساهمات رفيعة المستوى. ولكني أريد أيضًا المساعدة في صياغة بيان المجلة وأهدافها.
لذلك، كانت أولويتي الأولى كرئيس تحرير هي إنشاء مجلس تنفيذي، جنبًا إلى جنب مع دعم مجلس التحرير، سيشكل نطاق المجلة ورسالتها بطريقة واضحة. وهذا سيحدد الطريقة التي ستتطور بها المجلة خلال السنوات القليلة المقبلة، بتوجيه من مجتمع الأبحاث الكمومية. فيما يتعلق بالنطاق، أود أن أرى المزيد من التحديثات التجريبية عالية الجودة التي تدفع نطاق تنفيذ التقنيات الكمومية.
لدى IOP Publishing ملف اتفاق تحويلي (TA) مع مؤسستك، فيما يتعلق بالنشر ذو الوصول المفتوح. هل يمكن أن تخبرني عن ذلك؟
أعتقد أنها كانت بمثابة اتفاقية غيرت قواعد اللعبة فيما يتعلق بنشر مخرجاتنا. ومع المعايير الصارمة التي وضعتها المجالس البحثية على المخرجات المدعومة بالمنح - من مجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية (EPSRC) على سبيل المثال - والحاجة إلى أن تكون متاحة بالكامل، وأن تكون البيانات متاحة بالكامل للمجتمع، إن الحصول على مساعدة تقنية تضمن الوصول المفتوح هو ما نحتاج إليه. من الرائع أن تشعر براحة البال لأن نشر IOP هو وسيلة قابلة للتطبيق حيث يمكن نشر مخرجاتي المتوافقة مع EPSRC.
وبصرف النظر عن الامتثال للتمويل، فإن اتفاقية IOPP تزيل العبء الإداري للتعامل مع فواتير رسوم نشر المقالات (APCs) وهو ما يمثل مصدر ارتياح كبير للعلماء. وكنت أدعو إلى توسيع نطاق المبادرة ــ من خلال إبرام اتفاقيات مماثلة مع شركات نشر أخرى ــ ولكنني أحرص أيضاً على التأكد من أن هذه ليست تجربة لمرة واحدة ثم تتلاشى في العام المقبل أو نحو ذلك. يجب أن نجعل الأمر منهجيًا بالنسبة إلى الطريقة التي تتبعها المؤسسات ليس فقط في المملكة المتحدة، ولكن بقدر ما يهمني، في أوروبا. ولابد أن يتم تلخيصها منذ البداية، في الطريقة التي تعمل بها مؤسسات التعليم العالي ومعاهد البحوث. يعد التأكد من وجود تآزر بين شركات النشر والجامعات أو معاهد البحوث أمرًا بالغ الأهمية.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/mauro-paternostro-a-vision-of-the-quantum-landscape/
