رقاقة ويلو لدى جوجل (المصدر:reversepcb)

إطلاق شريحة ويلو لجوجل (المصدر: reversepcb)

تقدمت التكنولوجيا بسرعة لتحول الحوسبة الكمية من مفاهيم نظرية إلى واقع عملي. أثار كشف Google عن رقاقة الحوسبة الكمية Willow في ديسمبر 2024 انتباها واسع النطاق. تمثل هذه الرقاقة قفزة هامة في القدرات الحسابية وتُعرف تحدياً محتملاً لأنظمة التشفير الحالية. في هذا المقال، سنغوص في مبادئ الحوسبة الكمية، ونستكشف الاختراق التكنولوجي الذي يمثله رقاقة Willow من Google، وندرس تطبيقاته المحتملة، ونقيم التهديد الذي يشكله على العملات الرقمية، ونناقش كيف يجب على صناعة العملات الرقمية أن تستعد لهذا التحدي الناشئ.

ما هي الحوسبة الكمية؟

الحوسبة الكمية هي نهج حوسبة مبتكر مستند إلى مبادئ الميكانيكا الكمية، حيث يتم استخدام الوحدات الكمية أو الأقلوب الكمية لأداء الحسابات. على عكس البتات الثنائية التقليدية، التي تمثل إما 0 أو 1، يمكن أن تكون الأقلوب الكمية موجودة بشكل متزامن في تفاعل عظيم من الحالتين وتظهر ترابطات معقدة من خلال تشابك الكم.

تمكن هذا الخاصية الفريدة الحواسيب الكمية من حل مشاكل محددة بسرعات أسرع بشكل متسارع. على سبيل المثال، مهام مثل تحليل العوامل الأولية، التي قد تستغرق ملايين السنين للحواسيب التقليدية، يمكن إتمامها باستخدام الحوسبة الكمية في ثوانٍ أو دقائق. تترتب على مثل هذه القدرات تداعيات عميقة على التشفير الحديث والحوسبة العلمية، مما يقدم فرصًا وتحديات.

لماذا أجهزة الكمبيوتر الكمومية أسرع من أجهزة الكمبيوتر العملاقة؟

تنبع مزايا الحواسيب الكمية من ثلاث مبادئ أساسية للميكانيكا الكمية:

1. التفرد:

   • يمكن لبت كمي واحد أن يكون في نفس الوقت في حالة 0 و 1، مما يعني أن 𝑛 بتات كمية يمكنها تمثيل 2^𝑛 حالة ممكنة. يتيح هذا للحوسبة الكمية استكشاف عدة احتمالات بشكل متزامن، مما يحسن كفاءة بشكل كبير.

2. التشابك:

   • يسمح التشابك الكمي لبتين كميين بأن يكون لديهما حالات مرتبطة بشكل كبير، حتى لو كانت بعيدة. تتيح هذه الميزة للحواسيب الكمية التعاون بسرعة أثناء العمليات متعددة البتات، مما يقلل من التأخير.

3. التداخل:

   • يمكن للحواسيب الكمية تلاعب المرحلة الحالة الكمية لتعزيز احتمالية الإجابات الصحيحة بينما يتم تقليل احتمالية الإجابات الخاطئة. تعزز هذه القدرة بشكل أكبر سرعة الحسابات ودقتها.

إذا تمت مقارنة الحوسبة الكمية بعملية حل المتاهة، يمكن لوحدة المعالجة المركزية التقليدية فقط محاولة كل مسار واحد تلو الآخر، بينما يمكن لوحدة المعالجة الرسومية إرسال آلاف العملاء في مسارات مختلفة بشكل متزامن. أما الحاسوب الكمي، فسيكون كما لو كان لديك أوجه ظلية لا تحصى تستكشف كل مسار بشكل متزامن حتى يتم العثور على المخرج.

التقدم التكنولوجي لشريحة ويلو في جوجل

أهم إنجازين لرقاقة ويلو الخاصة بشركة جوجل هما كما يلي:

• يمكن للصفصاف تقليل الأخطاء بشكل متسارع، مما يحل تحدياً رئيسياً في تصحيح الأخطاء الكمية الذي تم مطاردته لمدة تقارب ٣٠ عامًا في هذا المجال.
• أكمل ويلو حسابا قياسيا قياسيا في أقل من خمس دقائق ، وهي مهمة ستستغرق أحد أسرع أجهزة الكمبيوتر العملاقة اليوم 10 سنوات (1025 عاما) - وهو رقم يتجاوز بكثير عمر الكون.

تتمحور أحدث تطورات Google في الحوسبة الكمومية حول شريحة Willow. مقارنة بشريحة الجميز السابقة ، تحتوي شريحة Willow على 105 كيوبت ، أي ضعف عدد الجميز. ومع ذلك ، فإن الاختراق الحقيقي يكمن في عدد الكيوبتات وجودتها. تم تحسين وقت تماسك كيوبتات Willow ، المعروف باسم وقت T1 ، بشكل كبير ، حيث زاد بنحو خمس مرات مقارنة بالرقائق السابقة. يسمح هذا التحسين للبتات الكيوبتية بتخزين المعلومات لفترة أطول بكثير ، وهو بلا شك عامل رئيسي في ضمان الدقة والاستقرار ، وليس مجرد زيادة كبيرة في الحجم.

سابقاً، كانت أحد المشكلات الأساسية مع الكيوبتس هي هشاشتها. أحد التحديات الرئيسية في الحوسبة الكمية هو أن الكيوبتس حساسة للغاية للتداخل الخارجي، مما يؤدي إلى معدلات خطأ عالية (يزداد معدل الخطأ بشكل حاد مع إضافة المزيد من الكيوبتس). تقدم شريحة ويلو تقنية تعرف باسم تصحيح أخطاء رمز السطح، التي تجمع الكيوبتس الفيزيائية في كيوبتس منطقية أكثر استقرارًا، مما يقلل بشكل كبير من احتمالية الأخطاء. يعالج هذا التحدي الرئيسي الذي بقي دون حل لما يقرب من 30 عامًا في مجال الحوسبة الكمية.

يستفيد رقاقة ويلو من الكيوبتات المنطقية، مما يتيح الإصلاح الذاتي ويقلل بشكل كبير من معدلات الأخطاء. ويكمن جوهر هذه التقنية في تصحيح الأخطاء الكمية (QEC).

جوليان كيلي ، مدير أجهزة الحوسبة الكمومية ، يقدم Willow وإنجازاته (المصدر:يوتيوب)

ما هي تصحيح الأخطاء الكمومية؟

تصحيح الأخطاء الكمية (QEC) هو طريقة تُستخدم لمعالجة الأخطاء التي تحدث أثناء تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمية. حيث أن الكيوبتس حساسة للغاية - يمكن أن يتسبب الضوء العابر في أخطاء حسابية - فإن تقنيات تصحيح الأخطاء الكمية ضرورية لتقليل معدلات الأخطاء.

على عكس الحواسيب التقليدية التي تستخدم فحوصات التكافؤ لتصحيح الأخطاء، لا يمكن للحواسيب الكمية قياس حالة qubit واحدة مباشرة لاكتشاف الأخطاء. بدلاً من ذلك، يستخدم QEC العديد من الـ qubits الفيزيائية لتشكيل qubit منطقي. حتى إذا تعرضت بعض الـ qubits الفيزيائية للإزعاج، يمكن للنظام ما زال استعادة المعلومات الصحيحة. ببساطة، يتم توزيع المعلومات عبر عدة qubits، بدلاً من تركيزها في qubit واحد، لذلك حتى إذا تم إزعاج جزء من الـ qubits، يمكن للـ qubits المتبقية ما زال توفير ما يكفي من المعلومات لتصحيح الخطأ.

اكتشف الباحثون في Google أنه من خلال إدخال المزيد من الكيوبتات وإجراء تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي ، يمكنهم تقليل معدلات الخطأ بشكل كبير. نشروا هذا الاختراق في العدد الأخير من مجلة Nature ، واصفين إياه بأنه تقدم "أقل من العتبة". هذا يعني أنه مع زيادة عدد الكيوبتات ، يمكن أن ينخفض معدل الخطأ بشكل كبير - مما يمثل علامة فارقة رئيسية في تاريخ الحوسبة الكمومية.

تطبيقات الحوسبة الكمية

تطوير الأدوية وعلوم المواد

الحوسبة الكمية يمكن أن تحاكي الهياكل الجزيئية لمساعدة الباحثين على توقع تفاعلات الجزيئات بسرعة، مما يسرع من اكتشاف الأدوية والمواد الجديدة، مثل:

• تصميم الأدوية: تحمل الحوسبة الكمية الإمكانية لتحويل تصميم الأدوية من خلال محاكاة عمليات طي البروتين، مما يسرع بشكل كبير عملية تطوير علاجات السرطان أو اللقاحات. على سبيل المثال، خلال عملية تطوير لقاحات COVID-19، قامت الحوسبة الكمية بدور أساسي في تحليل هياكل البروتين. تمكنت تكنولوجيا الحوسبة الكمية المستوحاة من فوجيتسو من فحص تريليونات الجزيئات وتحديد مرشحين واعدين للأدوية في غضون ثمانية أسابيع فقط، مما يقلل بشكل كبير من الجدول الزمني النموذجي لاكتشاف الأدوية.
• علم المواد: البحث في المواد الجديدة المتفوقة أو تقنيات البطاريات من الجيل القادم لتعزيز كفاءة بطارية السيارة الكهربائية وعمرها الافتراضي.

نمذجة المناخ وعلوم البيئة

الحوسبة الكمية يمكن أن تحاكي العمليات المعقدة لتغير المناخ لمساعدة الباحثين على فهم التحولات البيئية وإيجاد حلول:

• محاكاة المناخ: توقعات الاحتباس الحراري العالمي المستقبلي وتوفير البيانات لدعم صياغة سياسات الحد من الانبعاثات.
• تحسين توزيع الطاقة: مساعدة الباحثين في تصميم أنظمة شبكة الطاقة أكثر كفاءة لتحسين توزيع الطاقة وتقليل الهدر. على سبيل المثال، شراكة فوجيتسو مع ميناء هامبورغ لاستخدام الحوسبة الكمية المستوحاة لتحسين إشارات المرور في منطقة الميناء. وهذا يقلل من الازدحام والتلوث، مما يؤدي إلى استخدام أكثر كفاءة للطاقة.

الطاقة الجديدة والاندماج النووي

الحوسبة الكمية يمكنها محاكاة السلوك الذري والجزيئي، مما يسرع من الأبحاث في تقنية الاندماج النووي وتطوير أنظمة طاقة أكثر كفاءة:

• محاكاة تفاعل الاندماج النووي: تساعد الحوسبة الكمية الباحثين في فهم الظروف المعقدة المطلوبة لتفاعلات الاندماج النووي، مما يلعب دوراً حاسماً في تقدم ثورة الطاقة النظيفة.
• تحسين تقنية البطاريات: من خلال محاكاة التفاعلات الكيميائية على المستوى الجزيئي، يمكن للحوسبة الكمية أن تساعد في تصميم بطاريات أكثر كفاءة وصديقة للبيئة. على سبيل المثال، استفادت دايملر بالتعاون مع شركة IBM من الحوسبة الكمية لمحاكاة سلوك جزيئات الكبريت، مما ساهم في تطوير بطاريات الليثيوم-كبريت عالية الأداء وأكثر دواماً.

النقل والخدمات اللوجستية

• جدولة الرحلات: تستخدم شركة IBM الحوسبة الكمومية لتحسين إدارة الأسطول وتعيينات الطاقم وعوامل الركاب في نفس الوقت، وتقديم الحلول الأكثر كفاءة لتسريع استعادة عمليات الطيران.
• صناعة السيارات: بالشراكة مع تويوتا، تستخدم فوجيتسو تقنية التلدين الرقمي لحساب مسارات حركة المرور في الوقت الحقيقي، مما يقلل بشكل فعال من تكاليف الخدمات اللوجستية ويحسن كفاءة العمليات.

أشار هارتموت نيفين، مؤسس Google Quantum AI، إلى أن إطلاق شريحة ويلو يمثل خطوة هامة للأمام نحو الحوسبة الكمية التجارية المستدامة. بينما لا تزال التكنولوجيا في مراحلها الأولية، إلا أنها تضع أساساً راسخاً لحل المشاكل الحقيقية في المستقبل.

تهديد الحوسبة الكمية للعملات الرقمية

مع استمرار تطور الحوسبة الكمية، تواجه تحديات غير مسبوقة لأمان العملات الرقمية. حاليًا، تعتمد معظم العملات الرقمية على طرق التشفير التقليدية بالمفتاح العام، مثل التشفير بالمنحنيات البيضاوية (ECC) ووظيفة التجزئة SHA-256. ومع ذلك، يمكن لقوة الحوسبة الكمية الهائلة أن تقوض بشكل محتمل هذه المعايير الحالية للتشفير بأكملها.

1. مخاطر تشفير وفك تشفير المفتاح العام

• تعتمد طرق التشفير العامة التقليدية للمفتاح العام، مثل RSA و ECC، على صعوبة الحساب الحاسوبي لمشاكل مثل تفكيك العوامل الأولية واللوغاريتمات التكاملية لضمان الأمان.
• يمكن لخوارزمية شور في الحوسبة الكمية حل هذه المشاكل بشكل أسرع بشكل متسارع، مما يجعل طرق التشفير الحالية عرضة للضعف. وهذا يمكن أن يمكن المخترقين بشكل محتمل من تجاوز تدابير الأمان والوصول إلى مفاتيح المستخدمين الخاصة والتسبب في تعريض أصولهم الرقمية للخطر.

2. مخاطر خوارزميات التجزئة

• آلية عمل بيتكوين Proof-of-Work (PoW) تعتمد على وظيفة التجزئة SHA-256 لضمان سلامة المعاملات.
• يمكن لخوارزمية جروفر في الحوسبة الكمية تسريع عملية كسر SHA-256 بمقدار جذر تربيعي. بينما ليس هذا بمأساوي مثل خوارزمية شور على تشفير المفتاح العام، إلا أنه يمكن أن يضعف أمان العملات الرقمية.

3. قضايا أمان المعاملات

• تُسجل تفاصيل المعاملات علنياً على سلسلة الكتل في عملات رقمية مثل البيتكوين. يمكن للمخترقين الاستفادة من الحوسبة الكمية لكسر المفاتيح الخاصة للمعاملات التي لم تتم تأكيدها بعد، مما يمكنهم من تنفيذ معاملات غير مصرح بها.
• هذا الضعف "الهجوم أولاً، والتأكيد لاحقًا" يضع الأصول الرقمية في خطر ويمكن أن يضعف النزاهة العامة والموثوقية لشبكة البلوكشين.

وفقا لتقرير صادر عن معهد هدسون، إذا نجحت أجهزة الكمبيوتر الكمومية في كسر أمن بيتكوين، فقد يؤدي ذلك إلى خسائر في السوق تزيد عن 3 تريليونات دولار، مما قد يتسبب في اضطراب في الأسواق المالية العالمية. سينمو هذا الخطر فقط مع استمرار Bitcoin والعملات المشفرة الأخرى في اكتساب التبني السائد كأصول استثمارية. ومع ذلك ، تشير الأبحاث إلى أن الكمبيوتر الكمومي القوي بما يكفي لكسر تشفير Bitcoin لا يزال على بعد عقد على الأقل. وعلى الرغم من ذلك، لا يزال التهديد مصدر قلق طويل الأجل. إذا فشل مجتمع تطوير Bitcoin في تحديث بروتوكولات الأمان الخاصة به في الوقت المناسب ، فقد يواجه مخاطر كبيرة في المستقبل. في حين أن تقنيات التشفير الحالية للعملات المشفرة لا تزال فعالة في بيئات الحوسبة التقليدية ، فإن القوة الحسابية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن أن تعطل هذا التوازن في النهاية.

استراتيجيات واتجاهات للعملات الرقمية استجابة للحوسبة الكمية

مع تقدم الحوسبة الكمية، تقوم مجتمع العملات الرقمية والمؤسسات البحثية باستكشاف استراتيجيات بنشاط لحماية الأصول الرقمية وضمان التطور الثابت لتقنية البلوكشين. تشمل هذه الاستراتيجيات تحديث تقنيات التشفير، وتحسين بروتوكولات البلوكشين، وتعزيز تدابير أمان المعاملات، وإقامة لوائح ومعايير، وإنشاء إطارات للمراقبة والتعاون على المدى الطويل.

تطوير التشفير ما بعد الكم

كما ذكر سابقا، نظرا لإمكانية التعرض للخطر من قبل أجهزة الكمبيوتر الكمية لتقنيات التشفير الحالية (مثل RSA و ECC)، أصبح تطوير التشفير ما بعد الكمية (PQC) محورا مركزيا. يقود المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) جهودا لوضع معايير التشفير ما بعد الكمية، والتي تشمل:

• التشفير القائم على الشبكة: تم اختيار تقنيات مثل Kyber و NTRU ، التي تستفيد من نظرية الشبكة لتوفير الأمان ، من قبل NIST كمعايير تشفير ما بعد الكم.
• تشفير قائم على الهاش: مثال على ذلك هو SPHINCS+، الذي يعتبر مناسبًا تمامًا لتوقيعات الرقمية ويوفر حماية قوية ضد هجمات الحوسبة الكمية.
• تشفير متعدد المتغيرات للدوال: يعتمد هذا النهج على تعقيد حل معادلات الدوال متعددة المتغيرات للحفاظ على الأمان.

ترقية بروتوكولات البلوكشين ودمج التقنيات

بالإضافة إلى تطوير تقنيات التشفير الجديدة، يجب ترقية بروتوكولات البلوكشين لتلبية مطالب الأمان في عصر الحوسبة الكمية. تقوم المشاريع الرئيسية في مجال العملات الرقمية حاليًا باستكشاف التقنيات التالية:

• بيتكوين: تقوم المجتمع بالتحقيق في كيفية دمج تواقيع ما بعد الكم الكمية (مثل تواقيع Lamport وتواقيع Winternitz) في شبكة البيتكوين لضمان أمان المعاملات.
• إثيريوم: البحث في تقنيات البراهين بدون معرفة مثل zk-SNARKs و STARKs، التي ستعزز الخصوصية وتقلل الاعتماد على التقنيات التشفيرية التقليدية.
• Blockchain المقاوم للكم: تركز مشاريع مثل دفتر الأستاذ المقاوم للكم (QRL) و QANplatform على تطوير تقنيات blockchain المقاومة للهجمات الكمومية ، وحماية أمن المعاملات والبيانات على المستوى المعماري.
• تحسين آليات توافق سلسلة الكتل: تهدف مقدمة خوارزميات توافق جديدة، مثل دليل الحصة المقاوم للكم (PoS)، إلى ضمان استقرار وأمان أنظمة موزعة على المدى الطويل في مواجهة التهديدات الكمية.

تعزيز أمن المعاملات والمفتاح الخاص

نظرًا لإمكانية أن تقوم الحواسيب الكمية بتقويض التشفير التقليدي، فمن الضروري تعزيز أمان معاملات العملات الرقمية والمفاتيح الخاصة بشكل أكبر.

• تقنية التوقيع المتعدد: هذا يتطلب مفاتيح خاصة متعددة لتفويض عملية معينة، مما يعزز الأمان ويقلل من مخاطر الضعف الفردي.
• نظام التوقيع العتبي (TSS): يقوم هذا النهج بتقسيم المفتاح الخاص إلى عدة أجزاء، موزعة عبر أجهزة متعددة. وهذا يجعل من الأصعب على القراصنة اختراق مفتاح واحد باستخدام الحوسبة الكمية.
• تقليل وقت تأكيد المعاملات: من خلال تحسين كفاءة الشبكة، يمكن تقصير الوقت الذي يستغرقه تأكيد المعاملات، وبالتالي تقليل نافذة التعرض لمفاتيح خاصة على الشبكة.

وضع اللوائح والمعايير

• تطوير المعايير العالمية: يجب على الهيئات الحكومية والمنظمات الدولية، مثل NIST و ISO، العمل بشكل وثيق مع شركات التكنولوجيا لإنشاء معايير تشفير موحدة لما بعد الحوسبة الكمية. سيساعد هذا الجهد التعاوني في ضمان تعزيز عالمي لتدابير الأمان داخل سوق العملات الرقمية.
• التنظيمات لمخاطر الكم الكمي: يجب على السلطات التنظيمية تنفيذ إرشادات تقضي بأن تعتمد بورصات العملات الرقمية وموفري المحافظ آليات مقاومة للكم. ستكون هذه التنظيمات حاسمة في حماية مصالح المستثمرين.

استنتاج

وصل تطوير الحوسبة الكمومية إلى مرحلة محورية ، حيث تقربنا شريحة Willow من Google من عصر الكم. في حين أن هذا يمثل قفزة تكنولوجية ، إلا أنه يشكل أيضا تهديدا كبيرا لأمن العملات المشفرة والأنظمة المالية. يتوقع الخبراء أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تكسر تشفير Bitcoin قد لا تزال على بعد 10 إلى 20 عاما ، لكن السباق جار بالفعل. حذر آرثر هيرمان ، الباحث في معهد هدسون ، من أن هجمات القرصنة الكمومية تشبه قنبلة موقوتة. بمجرد حدوثها ، يمكن أن تؤدي إلى خسائر تصل إلى 3 تريليون دولار في القيمة السوقية ويحتمل أن تؤدي إلى أزمة مالية. مع اقتراب قيمة Bitcoin من 100000 دولار ، تصبح هدفا أكثر جاذبية للمتسللين. سيكون من الأهمية بمكان لمجتمع blockchain والمؤسسات الأكاديمية والمنظمين الحكوميين التعاون في تطوير تشفير ما بعد الكم (PQC) وترقية البنية التحتية الحالية ل blockchain ، وبالتالي حماية الأصول الرقمية. في هذا السباق مع الزمن ، سيكون أولئك الذين يتخذون خطوات استباقية في وضع أفضل للازدهار في عصر الكم.