Diamonds, Quantum computing, and AI, Why does it matter?

Recommended Reading: Quantum Computing:Challenges and Opportunities by Michael Erbschloe

P.S, Please keep in mind that our blog is not an alternative for reading the book. Our blog asks questions about specific themes and gets insights from the book.  I recommend that you utilize the blog to expand your knowledge and as an empowerment tool to embrace a life-long learning mindset. Today’s , at the end , you'll find useful resources to assist you gain knowledge and perhaps form your own perspective about quantum computing and AI.

Who’s Michael Erbschloe?

1. Michael Erbschloe has over 30 years of experience in analyzing the economics of information technology, public policy, and reengineering organizational processes.
2.  He has authored several books on social and management issues of information technology, taught at universities, and developed technology-related curriculums. Erbschloe's books include Threat Level Red, Social Media Warfare, Winning Out Insiders, Physical Security for IT, Trojans, Worms, Spyware, Implementing Homeland Security in Enterprise IT, Guide to Disaster Recovery, Socially Responsible IT Management, Information Warfare, The Executive's Guide to Privacy Management, and Net Privacy.

Why should we care about quantum computing?Why is Quantum computing important in the society?

1. According to The Cipherbrief, Quantum computing, part of Quantum Information Science, involves the behavior of sub-atomic particles in computing, transforming the way computers solve problems. This emerging field is considered the next technological revolution by some national security experts.
2. The US is addressing the Quantum Computing opportunity by issuing a National Strategic Overview for Quantum Information Science and passing a National Quantum Initiative Act in 2018. Quantum computers leverage quantum mechanical phenomena to manipulate information, utilizing quantum bits, or qubits, which can have a value of 0 or 1 simultaneously. The 2019 budget for Quantum Information Science was $430M, which is expected to double by 2022. The private sector dominates the quantum computing race, with companies like Google, Microsoft, IBM, and Intel Corporation being the leading companies.
3. Quantum computing offers security challenges, such as reducing the time it takes to decrypt algorithms for complex encryption keys, changing communication networks to become virtually hack-proof, and potentially taking over entire IT infrastructures in private and public sectors.
4. In October 2019, Google announced Quantum Supremacy, a quantum supremacy experiment that provided direction for the team to overcome technical challenges inherent in quantum systems engineering.
5. Quantum technologies are expected to impact various aspects of society, including healthcare, financial services, defense, weather modelling, and cyber security. However, the history of technology development shows that new tools and systems are not always in the public interest. Quantum computers, like Google and IBM, can tackle complex tasks like simulating molecules' behavior to improve drug predictions. However, the expense of investing in physical infrastructure may lead to ownership concentrated among the wealthiest countries and corporations, potentially worsening uneven power distribution. weforum.org

Why do AI need Quantum computing?  

1.  Quantum computers offer more accurate and efficient tasks than conventional computers, but will not replace them. They require classical computers for specialized abilities like systems optimization. Quantum computing and artificial intelligence are transformational technologies, enabling significant progress in business and science fields.
2. ‘’Quantum computing can provide a computation boost to artificial intelligence, enabling it to tackle more complex problems in many fields in business and science’’. ^{bbvaopenmind.com}

                                                                                                                                                

What’s Quantum computing? What’s qubits? What are Quantum computers?

1. Quantum computing, based on qubits, revolutionizes computing by utilizing qubits' unique properties. These qubits can represent zero, one, or both values simultaneously, allowing for faster processing and solving problems.
2. Engineering materials for qubits is challenging, but scientists have predicted new qubits made from strained aluminum nanoparticles and silicon carbide with unusually long lifetimes.
3. Quantum computers could break cryptography techniques, search large datasets, and simulate quantum systems in a fraction of the time it would take today's computers..

How are qubits created?What are the secrets of diamonds?

1. One of the leading methods for creating qubits involves exploiting specific structural atomic defects in diamonds. Using diamonds is both technically challenging and expensive. 
2. Now researchers from the University of Chicago and Argonne National Laboratory have suggested an analogous defect in aluminum nitride, which could reduce the difficulty and ultimate cost of manufacturing materials for quantum computing applications.
3. Researchers from the University of Chicago and Argonne National Laboratory have proposed an analogous defect in aluminum nitride for quantum computing applications. By applying strain to aluminum nitride, structural defects can be harnessed as qubits similar to those in diamonds.
4. The researchers used Edison and Mira supercomputers and Quantum Espresso and WEST codes to accurately predict defect levels in semiconductor band-gaps. The researchers also collaborated with experimentalists to improve qubit performance in industrial materials, pointing to polyatomic crystals as promising hosts for coherent qubits for scalable quantum devices.

What is the role of research in Quantum computing?

1. Peter Shor's 1994 discovery of a polynomial time quantum algorithm for integer factorization sparked interest in quantum algorithms and hardware platforms for computation. This led to the development of scalable, fault-tolerant, digital quantum computers, which offer a new direction for high performance computing.
2.  Quantum speedups have been discovered in various areas of DOE interest, including simulations for chemistry, nuclear and particle physics, materials science, data analysis, and machine learning. These quantum computers have the potential to yield better-scaling methods for performing scientific computing tasks.
3. The practical realization of this potential depends on advances in quantum computing hardware, optimizing languages and compilers, and simulators. Davide Venturelli, a quantum computer research scientist for the Universities Space Research Association, believes that supercomputers of the future could return complex queries in a fraction of a second.

Who are Quantum computer research scientists? How do they think and work?

1. Quantum computer research scientists are responsible for solving problems by making scientific assumptions based on quantum theory and conducting experiments to test their solutions. They focus on optimization problems, which involve finding the best possible solutions for computers.
2. Quantum computers can use both values simultaneously, resulting in faster processing. Researchers like Davide focus on finding new ways to apply quantum theory to improve computer processes, such as better weather forecasts.
3.  To become a quantum computer research scientist, one typically needs a doctoral degree, but they also need qualities and skills such as strong analytical, critical thinking, and reasoning skills. Attention to detail is crucial, as scientists record their theories and experiments, which must be reproducible and withstand peer review. Communication skills are also important, as they must be able to write papers, present their findings at conferences, and write proposals for grants to fund research projects.
4. Quantum computer research scientists typically need a Ph.D. to learn methods of discovery and develop the tools needed for researching.

What’s the Potential of Quantum Information Science and Advancing HighPerformance Computing?

1. Quantum mechanics studies the behavior of matter and energy at the subatomic level, with properties like superposition and entanglement.
2.  This intersection of quantum phenomena with information science offers exciting opportunities in sensing, metrology, navigation, communications, fundamental physics, simulation, and new computing paradigms. The National Science and Technology Council's report, Advancing Quantum Information Science, highlights these promising developments.

What is Quantum Communications?

1. Quantum communication is a rapidly developing area of research that combines quantum mechanics and computer-based information science. It involves transmitting information encoded in quantum states of matter, known as qubits.
2. The Quantum Communication Project in ITL is focused on creating, transmitting, interfacing, storing, processing, and measuring optical qubits. Their achievements include high-speed quantum key distribution systems, narrow linewidth single photon sources, single-photon frequency conversion technologies, and efficient single photon detectors with ultra-high sensitivity.

How does NASA employ Quantum computing?

1. NASA's QuAIL team is working to demonstrate the potential of quantum computing and quantum algorithms to improve optimization problems in aeronautics, Earth and space sciences, and space exploration. The team is evaluating various quantum computing approaches and studying noise, imprecision, and thermal processes.
2.  Over the next five years, the team will develop quantum AI algorithms, problem decomposition techniques, and quantum-classical hybrid algorithms. The QuAIL project, a collaboration between NASA, Google, and USRA, aims to tackle optimization problems that traditional supercomputers cannot handle.
3. Beginning with the D-Wave Two™ quantum computer, NASA’s QuAIL team is evaluatingvarious quantum computing approaches to help address NASA challenges. Initial work focuses on theoretical and empirical analysis of quantum annealing approaches to difficult optimization problems.   
4. The research team is also studying how the effects of noise, imprecision in the quantum annealing parameters, and thermal processses affect the efficacy and robustness of quantumannealing approaches to these problems. Over the next five years, the team will also develop quantum AI algorithms, problem decomposition and hardware embedding techniques, and quantum-classical hybrid algorithms.
5. In support of NASA's Quantum Artificial Intelligence Laboratory (QuAIL), the NAS facilityhosts a 1,097-qubit D-Wave 2X™ quantum computer. The QuAIL project is a collaborative effort among NASA, Google, and Universities Space Research Association (USRA) to explore the potential for quantum computers to tackle optimization problems that are difficult orimpossible for traditional supercomputers to handle.

What’s IARPA? What are IARPA Quantum computers program?

1. The Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) is working on several projects to develop quantum computing, including Coherent Superconducting Qubits (CSQ), LogiQ, Multi-Qubit Coherent Operations (MQCO), Quantum Computer Science (QCS), and Quantum Enhanced Optimization (QEO).
2. Quantum computing holds great promise for solving classical computational problems, but little investment has been made in computer science. The QCS Program aims to explore computational resources needed for running quantum algorithms on realistic quantum computers, which could revolutionize chemistry, biology, and materials science.

Why is NIST a frontrunner in Quantum Science Research?

1. Quantum physics is the driving force behind the research at the National Institute of Standards and Technology (NIST). This field sets fundamental limits on precision measurements, making NIST a leader in basic and applied quantum science. NIST partners with top universities like JILA, JQI, and the Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) to advance research in atom control, ultra-fast lasers, and the development of world-class atomic clocks and lasers.
2. An emerging research focus at NIST is understanding the potential for quantum-based technology to transform security, computing, and communications. Breakthroughs at NIST have enabled real-world quantum computing and tested the limits of quantum information and security. NIST is also developing technology to harness the power of quantum computing in the everyday world through nanotechnology.
3. Physicist Ray Simmonds and MFA graduate candidate Sam Mitchell have created a dance piece called Dunamis Novem, based on the laws of quantum physics. The dances are based on nine quantized energy levels of a harmonic oscillator, with each level representing a quantum "superposition" of particles or quanta of energy. The dances demonstrate quantum entanglement, synchronization, and the potential for quantum computers to solve problems considered intractable today.
4. Sam Mitchell, a director/choreographer, and Ray Simmonds, a physicist, both found their passion in dancing and dance choreography. Mitchell found the freedom in dancing and the freedom to let go of an analytical mind, which he found in choreography. Simmonds' inspiration came from a 1995 book called "The Tao of Physics," which explored how simple rules can lead to complex behavior in human dance. The project combines dance and quantum physics, with Mitchell aiming to educate through a physical experience. The most challenging part of the project was getting the dancers to understand the process and not being entirely in the spotlight. Both Mitchell and Simmonds have a holistic approach to their work, focusing on the physical experience rather than individual perspectives.
5. The Enabling Practical-scale Quantum Computing (EPiQC) Expeditions project aims to accelerate the potential of this new paradigm by reducing the gap between theoretical algorithms and practical quantum computing architectures. By developing new algorithms, software, and hardware designs tailored to key properties of quantum technologies capable of 100 to 1,000 quantum bits, this project will increase the speed and efficiency of quantum computing, potentially solving problems considered intractable, such as breaking today's best data encryption codes.
6. The NIST group has demonstrated many building blocks for quantum computers based on trapped ions, such as the first quantum logic gate (a CNOT gate) on individual qubits in 1995 using a single beryllium ion. The latest techniques provide a complete or "universal" set of quantum gates, meaning they could perform any possible computation—using ions of multiple elements.-logic operations

Who is the world leader in Quantum Technology?

1. Dr. Carl Williams, the Acting Director of the Physical Measurement Laboratory at the Department of Commerce's National Institute of Standards and Technology (NIST), discusses NIST's roles in quantum science and quantum computing.
2. NIST's mission is to promote U.S. innovation and industrial competitiveness by advancing measurement science, standards, and technology to enhance economic security and improve our quality of life. NIST conducts basic and applied research in quantum science to advance the field of fundamental metrology, developing more precise measurement tools and technologies to address industry's increasingly challenging requirements.
3. Quantum computing and quantum information science are two fields that are closely related. Quantum computers manipulate quantum bits of information, or qubits, which are discrete states of light and matter. These qubits can be both a 1 and a 0 at the same time, giving them the superior computational power that makes them uniquely capable of solving complex problems, including breaking current encryption schemes.Many nations view leadership in quantum computing as critical to making significant breakthroughs in medicine, manufacturing, artificial intelligence, and defense. The U.S. has long been viewed as a leader in quantum science, information, and computing, and its leadership in quantum science and technology is increasingly dependent on significant investments from U.S. technology giants and major defense companies.
4. NIST's history and role in quantum computing and information have been a leader in the field since the early 1990s, with its multiple Nobel Prize-winning contributions helping move quantum computing and quantum information from purely scientific fields of study to technological ones.
5. The European Union plans to invest 2 billion euros in a Flagship Quantum Program, while the UK and China are investing in quantum technology. China has made significant progress in quantum communication, sending photons to the ground and demonstrating the world's first atomic clock in space. These advancements could support advanced quantum networks.

What’s Quantum Logic?

1. NIST's groundbreaking work in measuring time and cooling ions and atoms laid the foundations for manipulating quantum information. In 1995, they demonstrated the first two-qubit quantum logic gate, which is the basic building block for quantum computing. NIST is also the world's leader in Josephson Junctions, which are used to realize and disseminate NIST's quantum voltage standard. This technology is being explored as a competitor to trapped ions and atoms for storing and manipulating quantum information.
2.  Superconductors are also used in ultra-sensitive single-photon detectors, which are essential components in experiments to test the foundations of quantum mechanics and realize quantum teleportation. Progress in quantum teleportation is expected to be essential for commercial quantum computing and other forms of quantum information transfer. Building a quantum computer will involve integrating various quantum technology

What’s Quantum Information Theory and Validation and Verification?

1. In 2002, NIST hired its first quantum information theorist, leading to improved approaches for quantum error correction, laboratory state characterization, and randomized benchmarking of quantum gates. 
2. These insights have improved experimental efforts and become the standard for global computational paradigm comparison.

What’s Quantum Algorithms and Post-Quantum Cryptography?

1. NIST programs focus on quantum algorithms and post-quantum cryptography to address security challenges in practical quantum computers.
2.  NIST has developed cryptography standards since the 1970s, but these standards are not resistant to quantum computing attacks. NIST researchers are developing new post-quantum cryptography to protect classical encryption algorithms.

Why Simple is Beautiful in Quantum Computing?

1. Quantum computers use electron spin orientation at a diamond defect site to store information, allowing for faster computing. A single pulse can change the spin from position 1 to 2, allowing for a robust electronic transition. This new method allows for faster and more efficient manipulation of electron spins or qubits.
2. Researchers have developed a protocol to develop fast, robust logic gates for qubits, reorienting electron spin on defect sites in diamond. This new protocol enables faster and fewer gates to achieve the same operation on the qubit as conventional techniques, facilitating the development of future quantum computers.
3. Diamond is a promising material for quantum information processing, with a nitrogen-vacancy defect in the crystalline lattice. This single impurity possesses spin that can be used to store quantum information. Researchers discovered a simple method to prepare and manipulate the quantum state of a nitrogen-vacancy center acting as a qubit using a geometric gate. This gate relies on the evolution or geometric path of the spin instead of energy differences in traditional computers.
4.  The geometry of the cycle is controlled by a single laser pulse, determining the final gate operations and electronic transitions. Careful control of pulse energy significantly improved the fidelity of the electronic transition compared to traditional multi-pulse techniques, simplifying the path to practical quantum technologies.

References and helpful resources:

1-      https://www.weforum.org/agenda/2021/06/quantum-revolution-is-almost-here-we-need-to-make-sure-it-benefits-the-many-not-the-few/

2-      https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/whats-so-great-about-quantum-computing-qa-nist-theorist-alexey-gorshkov

3-      https://quantumalgorithmzoo.org/

4-      https://www.nature.com/articles/npjqi201523

5-      https://www.techtarget.com/whatis/definition/quantum-computing

6-      https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210517102648.htm

7-      https://www.bbvaopenmind.com/en/technology/digital-world/quantum-computing-and-ai/

8-      https://www.einfochips.com/blog/quantum-computing-in-artificial-intelligence-around-thecorner/#:~:text=Many%20AI%20applications%2C%20such%20as,larger%20scale%20using%20quantum%20computers.

9-      https://research.unimelb.edu.au/strengths/updates/news/quantum-diamond-magnetic-field-sensors-for-improved-situational-awareness#:~:text=Diamond%20defects%20create%20delicate%20quantum%20sensors&text=Pure%20diamond%20is%20made%20from,into%20a%20delicate%20quantum%20sensor.

 

 اقتراحات للقراءة: الحوسبة الكمية: التحديات والفرص بقلم مايكل إربشلو

ملاحظة ، يرجى أن تضع في اعتبارك أن مدونتنا ليست بديلا لقراءة الكتاب. تطرح مدونتنا أسئلة حول مواضيع محددة وتحصل على رؤى من الكتاب أوصي باستخدام المدونة لتوسيع معرفتك وكأداة تمكين لتبني عقلية التعلم مدى الحياة. اليوم ، في النهاية ، ستجد موارد مفيدة لمساعدتك على اكتساب المعرفة وربما تكوين وجهة نظرك الخاصة حول الحوسبة الكمومية الذكاء الاصطناعي.

من هو مايكل إربشلو؟

يتمتع مايكل إربشلو بخبرة تزيد عن 30 عاما في تحليل اقتصاديات تكنولوجيا المعلومات والسياسة العامة وإعادة هندسة العمليات التنظيمية.

قام بتأليف العديد من الكتب حول القضايا الاجتماعية والإدارية لتكنولوجيا المعلومات ، وقام بالتدريس في الجامعات ، ووضع مناهج متعلقة بالتكنولوجيا. تشمل كتب Erbschloe مستوى التهديد الأحمر ، وحرب وسائل التواصل الاجتماعي ، والفوز بالمطلعين ، والأمن المادي لتكنولوجيا المعلومات ، وأحصنة طروادة ، والديدان ، وبرامج التجسس ، وتنفيذ الأمن الداخلي في تكنولوجيا المعلومات للمؤسسات ، ودليل التعافي من الكوارث ، وإدارة تكنولوجيا المعلومات المسؤولة اجتماعيا ، وحرب المعلومات ، ودليل المدير التنفيذي لإدارة الخصوصية ، وخصوصية الإنترنت.

لماذا يجب أن نهتم بالحوسبة الكمومية؟ لماذا تعتبر الحوسبة الكمومية مهمة في المجتمع؟

وفقا ل The Cipherbrief ، تتضمن الحوسبة الكمومية ، وهي جزء من علوم المعلومات الكمومية ، سلوك الجسيمات دون الذرية في الحوسبة ، مما يحول الطريقة التي تحل بها أجهزة الكمبيوتر المشكلات. يعتبر هذا المجال الناشئ الثورة التكنولوجية القادمة من قبل بعض خبراء الأمن القومي.

تتعامل الولايات المتحدة مع فرصة الحوسبة الكمومية من خلال إصدار نظرة عامة استراتيجية وطنية لعلوم المعلومات الكمومية وتمرير قانون مبادرة الكم الوطنية في عام 2018. تستفيد أجهزة الكمبيوتر الكمومية من الظواهر الميكانيكية الكمومية لمعالجة المعلومات ، باستخدام البتات الكمومية ، أو الكيوبتات ، والتي يمكن أن يكون لها قيمة 0 أو 1 في وقت واحد. بلغت ميزانية 2019 لعلوم المعلومات الكمية 430 مليون دولار ، ومن المتوقع أن تتضاعف بحلول عام 2022. يهيمن القطاع الخاص على سباق الحوسبة الكمومية ، حيث تعد شركات مثل Google و Microsoft و IBM و Intel Corporation هي الشركات الرائدة.

تقدم الحوسبة الكمومية تحديات أمنية ، مثل تقليل الوقت المستغرق لفك تشفير الخوارزميات لمفاتيح التشفير المعقدة ، وتغيير شبكات الاتصالات لتصبح مقاومة للاختراق تقريبا ، وربما الاستيلاء على البنى التحتية لتكنولوجيا المعلومات بالكامل في القطاعين الخاص والعام.

. في أكتوبر 2019 ، أعلنت Google عن Quantum Supremacy ، وهي تجربة تفوق كمومي قدمت التوجيه للفريق للتغلب على التحديات التقنية الكامنة في هندسة الأنظمة الكمومية.

من المتوقع أن تؤثر التقنيات الكمومية على جوانب مختلفة من المجتمع ، بما في ذلك الرعاية الصحية والخدمات المالية والدفاع ونمذجة الطقس والأمن السيبراني. ومع ذلك ، يظهر تاريخ تطوير التكنولوجيا أن الأدوات والأنظمة الجديدة ليست دائما في المصلحة العامة. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، مثل Google و IBM ، معالجة المهام المعقدة مثل محاكاة سلوك الجزيئات لتحسين تنبؤات الأدوية. ومع ذلك، فإن تكلفة الاستثمار في البنية التحتية المادية قد تؤدي إلى تركز الملكية بين أغنى البلدان والشركات، مما قد يؤدي إلى تفاقم التوزيع غير المتكافئ للطاقة. weforum.org

لماذا الذكاء الاصطناعي بحاجة إلى الحوسبة الكمومية؟  

تقدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية مهام أكثر دقة وكفاءة من أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، ولكنها لن تحل محلها. أنها تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية لقدرات متخصصة مثل تحسين الأنظمة. الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي هي تقنيات تحويلية ، مما يتيح تقدما كبيرا في مجالات الأعمال والعلوم.

"يمكن أن توفر الحوسبة الكمومية دفعة حسابية للذكاء الاصطناعي ، مما يمكنها من معالجة مشاكل أكثر تعقيدا في العديد من المجالات في مجال الأعمال والعلوم". ^{bbvaopenmind.com}                                                                                                                                             

ما هي الحوسبة الكمومية؟ ما هو الكيوبت؟ ما هي أجهزة الكمبيوتر الكمومية?

الحوسبة الكمومية ، القائمة على الكيوبتات ، تحدث ثورة في الحوسبة من خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للبتات الكمية. يمكن أن تمثل هذه الكيوبتات صفرا أو واحدا أو كلتا القيمتين في وقت واحد ، مما يسمح بمعالجة المشكلات وحلها بشكل أسرع.

المواد الهندسية للبتات الكيوبتية صعبة ، لكن العلماء توقعوا كيوبتات جديدة مصنوعة من جسيمات الألومنيوم النانوية المتوترة وكربيد السيليكون مع عمر طويل بشكل غير عادي.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية كسر تقنيات التشفير ، والبحث في مجموعات البيانات الكبيرة ، ومحاكاة الأنظمة الكمومية في جزء صغير من الوقت الذي تستغرقه أجهزة الكمبيوتر الحالية..

كيف يتم إنشاء الكيوبتات؟ ما هي أسرار الماس؟

تتضمن إحدى الطرق الرائدة لإنشاء الكيوبتات استغلال ذري هيكلي محدد

عيوب في الماس. يعد استخدام الماس أمرا صعبا ومكلفا من الناحية الفنية. الآن

اقترح باحثون من جامعة شيكاغو ومختبر أرجون الوطني وجود عيب مماثل في نيتريد الألومنيوم ، والذي يمكن أن يقلل من صعوبة والتكلفة النهائية ل

مواد التصنيع لتطبيقات الحوسبة الكمومية.

اقترح باحثون من جامعة شيكاغو ومختبر أرجون الوطني عيبا مشابها في نيتريد الألومنيوم لتطبيقات الحوسبة الكمومية. من خلال تطبيق الضغط على نيتريد الألومنيوم ، يمكن تسخير العيوب الهيكلية كبتات مماثلة لتلك الموجودة في الماس.

استخدم الباحثون أجهزة الكمبيوتر العملاقة Edison و Mira ورموز Quantum Espresso و WEST للتنبؤ بدقة بمستويات العيوب في فجوات نطاق أشباه الموصلات. تعاون الباحثون أيضا مع التجريبيين لتحسين أداء الكيوبت في المواد الصناعية ، مشيرين إلى البلورات متعددة الذرات كمضيفات واعدة للبتات الكيوبتية المتماسكة للأجهزة الكمومية القابلة للتطوير.

ما هو دور البحث في الحوسبة الكمومية؟

أثار اكتشاف بيتر شور عام 1994 لخوارزمية كمية زمنية متعددة الحدود لتحليل العوامل الصحيحة الاهتمام بالخوارزميات الكمومية ومنصات الأجهزة للحساب. أدى ذلك إلى تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية رقمية قابلة للتطوير ومتسامحة مع الأخطاء ، والتي تقدم اتجاها جديدا للحوسبة عالية الأداء.

تم اكتشاف الإسراعات الكمية في مختلف المجالات التي تهم وزارة الطاقة ، بما في ذلك المحاكاة للكيمياء والفيزياء النووية والجسيمات وعلوم المواد وتحليل البيانات والتعلم الآلي. هذه الحواسيب الكمومية لديها القدرة على إنتاج طرق تحجيم أفضل لأداء مهام الحوسبة العلمية.

يعتمد الإدراك العملي لهذه الإمكانات على التقدم في أجهزة الحوسبة الكمومية ، وتحسين اللغات والمترجمين ، وأجهزة المحاكاة. يعتقد دافيدي فنتشرلي، عالم أبحاث الكمبيوتر الكمي في جمعية أبحاث الفضاء بالجامعات، أن الحواسيب العملاقة في المستقبل يمكن أن تعيد استفسارات معقدة في جزء من الثانية

من هم علماء أبحاث الكمبيوتر الكمي؟ كيف يفكرون ويعملون؟

علماء أبحاث الكمبيوتر الكمومي مسؤولون عن حل المشكلات من خلال وضع افتراضات علمية تستند إلى نظرية الكم وإجراء تجارب لاختبار حلولهم. يركزون على مشاكل التحسين ، والتي تتضمن إيجاد أفضل الحلول الممكنة لأجهزة الكمبيوتر.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدام كلتا القيمتين في وقت واحد ، مما يؤدي إلى معالجة أسرع. يركز باحثون مثل دافيد على إيجاد طرق جديدة لتطبيق نظرية الكم لتحسين عمليات الكمبيوتر ، مثل التنبؤات الجوية الأفضل.

لكي تصبح عالما في أبحاث الكمبيوتر الكمومي ، يحتاج المرء عادة إلى درجة الدكتوراه ، ولكنه يحتاج أيضا إلى صفات ومهارات مثل مهارات التحليل والتفكير النقدي والتفكير القوي. الاهتمام بالتفاصيل أمر بالغ الأهمية ، حيث يسجل العلماء نظرياتهم وتجاربهم ، والتي يجب أن تكون قابلة للتكرار وتتحمل مراجعة الأقران. مهارات الاتصال مهمة أيضا ، حيث يجب أن يكونوا قادرين على كتابة الأوراق ، وتقديم نتائجهم في المؤتمرات ، وكتابة مقترحات للحصول على منح لتمويل المشاريع البحثية.

يحتاج علماء أبحاث الكمبيوتر الكمومي عادة إلى درجة الدكتوراه لتعلم طرق الاكتشاف وتطوير الأدوات اللازمة للبحث.

ما هي إمكانات علم المعلومات الكمومية وتطوير الحوسبة عالية الأداء؟

تدرس ميكانيكا الكم سلوك المادة والطاقة على المستوى دون الذري ، مع خصائص مثل التراكب والتشابك. يوفر هذا التقاطع بين الظواهر الكمومية وعلوم المعلومات فرصا مثيرة في الاستشعار والقياس والملاحة والاتصالات والفيزياء الأساسية والمحاكاة ونماذج الحوسبة الجديدة. يسلط تقرير المجلس الوطني للعلوم والتكنولوجيا ، تطوير علوم المعلومات الكمومية ، الضوء على هذه التطورات الواعدة.

ما هي الاتصالات الكمية؟

الاتصالات الكمومية هي مجال بحثي سريع التطور يجمع بين ميكانيكا الكم وعلوم المعلومات القائمة على الكمبيوتر. وهو ينطوي على نقل المعلومات المشفرة في الحالات الكمومية للمادة ، والمعروفة باسم الكيوبتات.

ويركز مشروع الاتصالات الكمومية في سجل المعاملات الدولي على إنشاء الكيوبتات الضوئية ونقلها والتفاعل معها وتخزينها ومعالجتها وقياسها. تشمل إنجازاتهم أنظمة توزيع المفاتيح الكمومية عالية السرعة ، ومصادر الفوتون المفردة ذات عرض الخط الضيق ، وتقنيات تحويل تردد الفوتون الفردي ، وكاشفات الفوتون المفردة الفعالة ذات الحساسية العالية للغاية.

كيف توظف ناسا الحوسبة الكمومية؟

يعمل فريق QuAIL التابع لناسا على إظهار إمكانات الحوسبة الكمومية والخوارزميات الكمومية لتحسين مشاكل التحسين في علوم الطيران والأرض والفضاء واستكشاف الفضاء. يقوم الفريق بتقييم أساليب الحوسبة الكمومية المختلفة ودراسة الضوضاء وعدم الدقة والعمليات الحرارية.

على مدى السنوات الخمس المقبلة ، سيقوم الفريق بتطوير خوارزميات الذكاء الاصطناعي الكم ، وتقنيات تحلل المشكلات ، والخوارزميات الهجينة الكلاسيكية الكمومية. يهدف مشروع QuAIL ، وهو تعاون بين NASA و Google و USRA ، إلى معالجة مشكلات التحسين التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية التعامل معها.

بدءا من الكمبيوتر الكمومي D-Wave Two™ ، يقوم فريق QuAIL التابع لناسا بتقييم

مناهج الحوسبة الكمومية المختلفة للمساعدة في مواجهة تحديات ناسا. يركز العمل الأولي

على التحليل النظري والتجريبي لمناهج التلدين الكمي لمشاكل التحسين الصعبة.

يدرس فريق البحث أيضا كيفية تأثير الضوضاء وعدم الدقة في الكم

تؤثر معلمات التلدين والعمليات الحرارية على فعالية ومتانة الكم

نهج التلدين لهذه المشاكل. على مدى السنوات الخمس المقبلة ، سيقوم الفريق أيضا بتطوير

خوارزميات الذكاء الاصطناعي الكمومي وتقنيات تحليل المشكلات وتضمين الأجهزة و

الخوارزميات الهجينة الكلاسيكية الكمومية.

دعما لمختبر الذكاء الاصطناعي الكمي التابع لناسا (QuAIL) ، منشأة NAS

يستضيف حاسوبا كموميا D-Wave 2X 1097 كيوبت.™ مشروع QuAIL هو جهد تعاوني بين وكالة ناسا وجوجل وجمعية أبحاث الفضاء بالجامعات (USRA) لاستكشاف إمكانات أجهزة الكمبيوتر الكمومية لمعالجة مشاكل التحسين التي يصعب أو يستحيل على أجهزة الكمبيوتر العملاقة التقليدية التعامل معها.

ما هو IARPA؟ ما هو برنامج أجهزة الكمبيوتر الكمومية IARPA؟

يعمل نشاط مشاريع الأبحاث المتقدمة للذكاء (IARPA) على العديد من المشاريع لتطوير الحوسبة الكمومية ، بما في ذلك الكيوبتات فائقة التوصيل المتماسكة (CSQ) ، و LogiQ ، والعمليات المتماسكة متعددة الكيوبت (MQCO) ، وعلوم الكمبيوتر الكمومية (QCS) ، والتحسين المعزز الكمي (QEO).

تحمل الحوسبة الكمومية وعدا كبيرا لحل المشكلات الحسابية الكلاسيكية ، ولكن تم استثمار القليل في علوم الكمبيوتر. يهدف برنامج QCS إلى استكشاف الموارد الحسابية اللازمة لتشغيل الخوارزميات الكمومية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الواقعية ، والتي يمكن أن تحدث ثورة في الكيمياء والبيولوجيا وعلوم المواد.

لماذا يعتبر NIST المرشح الأول في أبحاث علوم الكم؟

فيزياء الكم هي القوة الدافعة وراء البحث في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST). يضع هذا المجال حدودا أساسية للقياسات الدقيقة ، مما يجعل NIST رائدا في علوم الكم الأساسية والتطبيقية. يتعاون NIST مع أفضل الجامعات مثل JILA و JQI والمركز المشترك للمعلومات الكمية وعلوم الكمبيوتر (QuICS) لتعزيز البحث في التحكم في الذرة والليزر فائق السرعة وتطوير الساعات الذرية والليزر ذات المستوى العالمي.

يركز التركيز البحثي الناشئ في NIST على فهم إمكانات التكنولوجيا القائمة على الكم لتحويل الأمن والحوسبة والاتصالات. مكنت الاختراقات في NIST الحوسبة الكمومية في العالم الحقيقي واختبرت حدود المعلومات الكمومية والأمن. يقوم NIST أيضا بتطوير التكنولوجيا لتسخير قوة الحوسبة الكمومية في العالم اليومي من خلال تقنية النانو.

ابتكر الفيزيائي راي سيموندز ومرشح الدراسات العليا في وزارة الخارجية سام ميتشل قطعة رقص تسمى Dunamis Novem ، بناء على قوانين فيزياء الكم. تعتمد الرقصات على تسعة مستويات طاقة كمية للمذبذب التوافقي ، حيث يمثل كل مستوى "تراكب" كمي للجسيمات أو كميات الطاقة. تظهر الرقصات التشابك الكمي والتزامن وإمكانية أجهزة الكمبيوتر الكمومية لحل المشكلات التي تعتبر مستعصية اليوم.

وجد كل من سام ميتشل ، المخرج / مصمم الرقصات ، وراي سيموندز ، الفيزيائي ، شغفهما في الرقص وتصميم الرقصات. وجد ميتشل الحرية في الرقص وحرية التخلي عن العقل التحليلي ، وهو ما وجده في تصميم الرقصات. جاء إلهام سيموندز من كتاب صدر عام 1995 بعنوان "تاو الفيزياء" ، والذي استكشف كيف يمكن للقواعد البسيطة أن تؤدي إلى سلوك معقد في الرقص البشري. يجمع المشروع بين الرقص وفيزياء الكم ، حيث يهدف ميتشل إلى التثقيف من خلال تجربة جسدية. كان الجزء الأكثر تحديا في المشروع هو جعل الراقصين يفهمون العملية وعدم التواجد بالكامل في دائرة الضوء. لدى كل من ميتشل وسيموندز نهج شامل لعملهما ، مع التركيز على التجربة المادية بدلا من وجهات النظر الفردية.

يهدف مشروع تمكين بعثات الحوسبة الكمومية على نطاق عملي (EPiQC) إلى تسريع إمكانات هذا النموذج الجديد من خلال تقليل الفجوة بين الخوارزميات النظرية ومعماريات الحوسبة الكمومية العملية. من خلال تطوير خوارزميات وبرامج وتصميمات أجهزة جديدة مصممة خصيصا للخصائص الرئيسية للتقنيات الكمومية القادرة على 100 إلى 1000 بت كمومي ، سيزيد هذا المشروع من سرعة وكفاءة الحوسبة الكمومية ، مما قد يحل المشكلات التي تعتبر مستعصية على الحل ، مثل كسر أفضل رموز تشفير البيانات اليوم.

أظهرت مجموعة NIST العديد من اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على الأيونات المحاصرة ، مثل أول بوابة منطقية كمومية (بوابة CNOT) على الكيوبتات الفردية في عام 1995 باستخدام أيون بريليوم واحد. توفر أحدث التقنيات مجموعة كاملة أو "عالمية" من البوابات الكمومية ، مما يعني أنها يمكن أن تؤدي أي حساب ممكن - باستخدام أيونات عناصر متعددة.

من هو الرائد العالمي في تكنولوجيا الكم؟

يناقش الدكتور كارل ويليامز ، القائم بأعمال مدير مختبر القياس المادي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) التابع لوزارة التجارة ، أدوار NIST في علوم الكم والحوسبة الكمومية.

تتمثل مهمة NIST في تعزيز الابتكار والقدرة التنافسية الصناعية في الولايات المتحدة من خلال تطوير علوم القياس والمعايير والتكنولوجيا لتعزيز الأمن الاقتصادي وتحسين نوعية حياتنا. يجري NIST أبحاثا أساسية وتطبيقية في علوم الكم للنهوض بمجال المقاييس الأساسية ، وتطوير أدوات وتقنيات قياس أكثر دقة لتلبية متطلبات الصناعة المتزايدة الصعوبة.

الحوسبة الكمومية وعلوم المعلومات الكمومية هما مجالان مرتبطان ارتباطا وثيقا. تتعامل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع البتات الكمومية للمعلومات ، أو الكيوبتات ، وهي حالات منفصلة للضوء والمادة. يمكن أن تكون هذه الكيوبتات 1 و 0 في نفس الوقت ، مما يمنحها القوة الحسابية الفائقة التي تجعلها قادرة بشكل فريد على حل المشكلات المعقدة ، بما في ذلك كسر مخططات التشفير الحالية.

تنظر العديد من الدول إلى القيادة في الحوسبة الكمومية على أنها ضرورية لتحقيق اختراقات كبيرة في الطب والتصنيع والذكاء الاصطناعي والدفاع. لطالما كان ينظر إلى الولايات المتحدة على أنها رائدة في علوم الكم والمعلومات والحوسبة ، وتعتمد قيادتها في علوم وتكنولوجيا الكم بشكل متزايد على استثمارات كبيرة من عمالقة التكنولوجيا الأمريكية وشركات الدفاع الكبرى.

كان تاريخ NIST ودوره في الحوسبة الكمومية والمعلومات رائدا في هذا المجال منذ أوائل تسعينيات القرن العشرين ، مع مساهماته المتعددة الحائزة على جائزة نوبل التي تساعد في نقل الحوسبة الكمومية والمعلومات الكمومية من مجالات الدراسة العلمية البحتة إلى المجالات التكنولوجية.

يخطط الاتحاد الأوروبي لاستثمار 2 مليار يورو في برنامج الكم الرائد ، بينما تستثمر المملكة المتحدة والصين في تكنولوجيا الكم. حققت الصين تقدما كبيرا في الاتصالات الكمومية ، حيث أرسلت الفوتونات إلى الأرض وأظهرت أول ساعة ذرية في العالم في الفضاء. يمكن أن تدعم هذه التطورات الشبكات الكمومية المتقدمة.

ما هو منطق الكم؟

وضع عمل NIST الرائد في قياس الوقت وتبريد الأيونات والذرات الأسس لمعالجة المعلومات الكمومية. في عام 1995 ، أظهروا أول بوابة منطقية كمومية ثنائية الكيوبت ، وهي لبنة البناء الأساسية للحوسبة الكمومية. NIST هي أيضا الشركة الرائدة عالميا في تقاطعات جوزيفسون ، والتي تستخدم لتحقيق ونشر معيار الجهد الكمومي الخاص ب NIST. يتم استكشاف هذه التقنية كمنافس للأيونات والذرات المحاصرة لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية.

تستخدم الموصلات الفائقة أيضا في كاشفات الفوتون الأحادي فائقة الحساسية ، والتي تعد مكونات أساسية في التجارب لاختبار أسس ميكانيكا الكم وتحقيق النقل الآني الكمي. من المتوقع أن يكون التقدم في النقل الآني الكمي ضروريا للحوسبة الكمومية التجارية وغيرها من أشكال نقل المعلومات الكمومية. سيتضمن بناء كمبيوتر كمي دمج تقنيات كمومية مختلفة

ما هي نظرية المعلومات الكمومية والتحقق من الصحة والتحقق؟

في عام 2002 ، استأجرت NIST أول منظر للمعلومات الكمومية ، مما أدى إلى تحسين الأساليب لتصحيح الخطأ الكمومي ، وتوصيف الحالة المختبرية ، والقياس العشوائي للبوابات الكمومية. وقد حسنت هذه الرؤى الجهود التجريبية وأصبحت معيارا لمقارنة النماذج الحسابية العالمية.

ما هي الخوارزميات الكمومية وتشفير ما بعد الكم؟

تركز برامج NIST على الخوارزميات الكمومية والتشفير ما بعد الكمي لمواجهة التحديات الأمنية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية العملية. طور NIST معايير التشفير منذ سبعينيات القرن العشرين ، ولكن هذه المعايير ليست مقاومة لهجمات الحوسبة الكمومية. يقوم باحثو NIST بتطوير تشفير جديد لما بعد الكم لحماية خوارزميات التشفير الكلاسيكية.

لماذا البساطة جميلة في الحوسبة الكمومية؟

تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية اتجاه دوران الإلكترون في موقع عيب الماس لتخزين المعلومات ، مما يسمح بحوسبة أسرع. يمكن لنبضة واحدة تغيير الدوران من الموضع 1 إلى 2 ، مما يسمح بانتقال إلكتروني قوي. تسمح هذه الطريقة الجديدة بمعالجة أسرع وأكثر كفاءة لدوران الإلكترون أو الكيوبتات.

طور الباحثون بروتوكولا لتطوير بوابات منطقية سريعة وقوية للبتات الكيوبتية ، وإعادة توجيه دوران الإلكترون على مواقع العيوب في الماس. يتيح هذا البروتوكول الجديد بوابات أسرع وأقل لتحقيق نفس العملية على الكيوبت مثل التقنيات التقليدية ، مما يسهل تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

الماس مادة واعدة لمعالجة المعلومات الكمومية ، مع وجود عيب شاغر النيتروجين في الشبكة البلورية. تمتلك هذه الشوائب المفردة الدوران الذي يمكن استخدامه لتخزين المعلومات الكمومية. اكتشف الباحثون طريقة بسيطة لإعداد ومعالجة الحالة الكمومية لمركز شغور النيتروجين الذي يعمل ككيوبت باستخدام بوابة هندسية. تعتمد هذه البوابة على التطور أو المسار الهندسي للدوران بدلا من اختلافات الطاقة في أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

يتم التحكم في هندسة الدورة بواسطة نبضة ليزر واحدة ، وتحديد عمليات البوابة النهائية والتحولات الإلكترونية. أدى التحكم الدقيق في طاقة النبض إلى تحسين دقة الانتقال الإلكتروني بشكل كبير مقارنة بالتقنيات التقليدية متعددة النبضات ، مما يبسط الطريق إلى التقنيات الكمومية العملية.