ما هي خوارزمية الكم؟

الخوارزمية الكمومية هي مجموعة من تعليمات الكمبيوتر لتحليل المشكلات التي لا تستند إلى الحسابات الرياضية أو الحسابات الاحتمالية الكلاسيكية ، ولكنها تستخدم بدلاً من ذلك الطبيعة الفريدة للواقع الكمومي حيث يمكن لجزء واحد من البيانات أن يمثل قيمتين متعارضتين ، مثل واحد و صفر في المنطق الثنائي. بالمعنى الدقيق للكلمة ، تتطلب خوارزمية الكم جهاز كمبيوتر كمي ليعمل ، وهو غير موجود في أي شكل مُصنَّع اعتبارًا من عام 2011. ومع ذلك ، فقد خلقت علوم الكمبيوتر النظرية على الأقل نظائر لحساب خوارزمية الكم الحقيقية اعتبارًا من عام 2011 ، مع أمثلة مثل مثل خوارزميات Deutsch و Shor و Grover.

تم اختراع خوارزمية الكم الألمانية في عام 1985 وسميت على اسم عالم الفيزياء الإسرائيلي البريطاني ديفيد دويتش الذي يعمل في جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة. تحظى خوارزمية دويتش ، مثل معظم مجموعات تعليمات الكمبيوتر في الحوسبة الكمومية ، بتقدير لقدرتها على العمل كنوع من الاختصار لمعالجة المشكلات ، وبالتالي حل المشكلات على مستوى الرقائق الدقيقة. في الحوسبة الاحتمالية القياسية ، يجب إعطاء جميع الحالات الممكنة لحل المشكلات قيمة توزيع ويتم إجراء الحسابات عليها جميعًا لتحديد أي استجابة أو قيمة لها أعلى احتمال للصحة. في الحوسبة الكمومية باستخدام الخوارزمية الألمانية ، يتم دمج كل حالة حل ممكنة في ما يعرف باسم ناقل الوحدة الذي يتحرك نحو نوع معين من الحل أو تحويل الحالة. يعتمد هذا على مبدأ يُعرف باسم التراكب الكمي كما هو مطبق على الرياضيات ، حيث من المتوقع أن توجد حلول للمشكلات في جميع الحالات الممكنة في وقت واحد ، مما يلغي بشكل أساسي الحاجة إلى المعالجة المنطقية الاحتمالية المطولة.

تعمل خوارزميات Shor و Grover الكمومية بطريقة مماثلة ، ولكنها مصممة لأنواع معينة من معالجة الكمبيوتر. تُستخدم خوارزمية Shor في التحليل الرياضي ، وخوارزمية Grover للبحث عن بيانات ذات مغزى في قوائم محوسبة أو قواعد بيانات تفتقر إلى بنية محددة. على الرغم من أن كلا الخوارزميتين يتم تشغيلهما على أنظمة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تقوم بأنواع قياسية من المعالجة ، فقد ثبت أن تصميمهما أفضل بكثير من الخوارزميات الكلاسيكية القائمة على الاحتمالات لنفس أنواع المهام. تعد خوارزمية شور أسرع بشكل مضاعف وخوارزمية جروفر أسرع من الناحية التربيعية ، أو ذات قيمة مربعة أسرع من منهجية الحوسبة القياسية. تمت تسمية خوارزمية شور الكمومية على اسم بيتر شور ، أستاذ الرياضيات الأمريكي الذي طورها في عام 1994 ، وسميت خوارزمية جروفر الكمومية على اسم لوف جروفر ، عالم الكمبيوتر الهندي الأمريكي الذي طورها في عام 1996.

أحد الجوانب الفريدة للحوسبة الكمومية هو أن الحسابات لا تستند إلى قيم منفصلة يمكن فصلها بشكل عشوائي ، ولكنها توجد بدلاً من ذلك في حالة التشابك الكمي. تدخل القيم القياسية في عملية حسابية في حالة تراكب حيث يتم معالجتها جميعًا بشكل أسي مثل الاتساع أو نطاقات القيمة ويقال إن كل بت أو بت من المعلومات متشابك مع بعضها البعض. هذا يجعل كل نقطة بيانات مترابطة وليست قيمة منفصلة كما هو الحال في الحوسبة التقليدية ، والتي هي الأساس لكيفية أن الخوارزميات الكمومية يمكن أن تكون أسرع بكثير في معالجة البيانات من الخوارزميات التقليدية.