استكشاف إمكانية مجهزي الكم في إطار عملية تجهيز الإشارات في المستقبل

The next Frontier in Signal Processing

إن المعالجات الرقمية التقليدية التي تشكل أساس الاتصالات الحديثة، والتجهيزات السمعية، ونظم الرادار، والتصوير الطبي، هي منذ عقود، عوامل تؤدي إلى تحسين أداء قطاعي، ولكن نظراً لأن المطالب الحسابية تتصاعد من خلال الاستخبارات الاصطناعية، فإن 5G/6G، وأجهزة الاستشعار ذات الطابع العالي الاستبانة، تمثل وسائل أساسية وعملية.

تحديد عدد الـ "كوانتوم" من السرعة

وقاعدة بيانات كمية هي نظام حسابي متخصص يطبق الظواهر الميكانيكية الكمي - التخزين والتشابك والتدخل الكمي - للقيام بعمليات تجهيز الإشارات، خلافا لنظام توجيهي كلاسيكي، الذي يتلاعب بقطع لا تتجاوز صفرا أو ١، تعمل مجموعة من برامجيات الكينتوم على أعالي الكيك )قطع الكيلومترات( التي يمكن أن توجد في ولايات متعددة في نفس الوقت.

غير أنه من المهم فهم أن خطط التكيف الهيكلي للكاينت لا تكون مجرد برامجيات تقليدية سريعة، بل هي مناسبة لمجموعة محددة من المهام التي توفر فيها الخوارزميات الكمية ميزة واضحة، مثل تحديد درجة الحرارة العالية، وتقدير المرحلة، وبعض المشاكل المتعلقة بالتفاؤل والبحث، وبالنسبة للعديد من مهام تجهيز الإشارات الروتينية التي تشبه التصفية الأساسية أو تحويل أسعار السلع الأساسية إلى درجة أكبر من الكفاءة.

المبادئ الأساسية: مجموعة الأدوات الكمية

ومن الضروري، من أجل تقدير إمكانات برامجيات الكميات، فهم المفاهيم الكمية التي تستغلها.

التأجيل

In traditionalal computing, a bit is either 0 or 1. A qubit, however, can exist in a superposition of both states at once. Mathematically, the qubit state is a linear combination: Á ⁇ 0 ⁇ + ß ⁇ , where Á and ße are complex probability amplitudes. This means that a register of N qubits can represent 2[FLT concur]

المزج

فالتشابك هو ارتباط مقياسي فريد بين القمائن، وعندما تصبح الحوتات متشابكة، تكون حالة الحوت مرتبطة على الفور بحالة أخرى، بغض النظر عن المسافة المادية بينها، وفي حالة تجهيز الإشارات، يتيح التشابك الكمي ذي الصلة العالية التي يمكن أن تمثل علاقات معقدة في إشارة، وهذا أمر له أهمية خاصة بالنسبة لمهام مثل الربط بين الزمن المتعدد القنوات.

التداخل الكمي

التدخل الكمي هو ظاهرة احتمال حدوث تضخم في الولايات الكمية يمكن أن يتدخل بشكل بناء أو تدميري هذا هو المحرك الحسابي للعديد من الخوارزميات الكمية، وبتصميم تسلسلات البوابات الكميّة بدقة، يمكن بناء الخوارزميات بحيث يتم تضخيم الإجابات الصحيحة (التدخل البناءي) و الإفراط في التكرار في الإخفاء

هيكل نظام تقييم الأداء

ولا يشكل نظام تحديد النطاق العملي أداة واحدة من الأجهزة الأحادية بل نظام هجين يدمج المكونات الكمية والتقليدية، ويشمل الهيكل عادة عدة نظم فرعية رئيسية.

وحدة تجهيز الكميات

ويعد الاتحاد الكمّي الرئيسي الذي يحتوي على مجموعة من المقادير، وتوجد عمليات تنفيذ مادية مختلفة، بما في ذلك عمليات التخدير السطحي (التي يستخدمها غوغل وآي بي إم)، وأعوام محصورة (يستخدمها المجلس الأونيكي)، والأعراف الضوئية، والأعراف العمودية، وكثيرا ما تنفذ كل تكنولوجيا نُهجا مختلفة للتبديل من حيث وقت التماسك، وقابلية تجهيز البوابات.

أجهزة التحكم والقراءة الكلاسيكية

وتتطلب عمليات الكينتوم عمليات دقيقة للغاية لأجهزة التحكم في إشارات الازدهار - نبضات الازدهار من أجل التخدير السطحي للمواقف أو نبضات الليزر من أجل الأيوني المحصور، وهي تولد بواسطة الكترونيات تقليدية وتسلم إلى وحدة الكمية، وبعد حسابها، يجب قياس الولايات الكبتية (القراءة)، التي تتطلب أيضاً أجهزة إلكترونية تقليدية حساسة، كما يدير نظام المراقبة الكلاسيكية تصحيح الأخطاء، وهو أمر أساسي للحفاظ على سلامة الوقت.

Hybrid Interface

وسيعمل معظم برامجيات كمينتوم (Kantum DSPs) كجهات مجهزة للتبادل في نظام كلاسيكي، ويعالج المجهز التقليدي مدخلات/نواتج البيانات، وما قبل التجهيز، وما بعد التجهيز، بينما يعجل وحدة الكمية من وحدات التحليل الكمية بأجزاء مناسبة من الخوارزمية، ويدير الوصل بين أجهزة التكوين المغناطيسي نقل البيانات بين المجالات الكلاسيكية والكمية، بما في ذلك دمج البيانات المرجعية الكلاسيكية في البيانات الكمية.

البنية التحتية المسببة للسرطان

وتتطلب تكنولوجيات الحوت الكثير من درجات الحرارة المنخفضة للغاية في التشغيل، وغالبا ما تكون في نطاق ميليكلفين (بصف مطلق)، وهذا يتطلب ثلاجات متطورة للحلول ونظم إدارة حرارية، وهذا الشرط يمثل حاجزا عمليا كبيرا أمام الانتشار الواسع النطاق، ولا سيما بالنسبة لنظم تجهيز الإشارات الموزعة في الميدان أو المتنقلة.

Key Quantum Algorithms for Signal Processing

وترتكز فائدة برامجيات الكميات المخصصة على تطوير خوارزميات كمية توفر مزايا واضحة على النُهج التقليدية.

Quantum Fourier Transform

(الرمز الرابع) هو المقياس الكمّي للتغيرات الحادّة اللمّة، إنّه أسرع بكثير من التواتر التقليدي للجهاز (الفوري) لبعض الحالات، مما يتطلب عمليات (أو 2) على الأكوام مقارنة بـ (أو إن تي)

المرحلة الكينتومية

إن تقدير المرحلة الكمي هو خوارزمية أساسية تقدر قيمة مشغل الكمي (المرحلة) وهذا مماثل، من حيث تجهيز الإشارات، لتقدير تواتر أو مرحلة عنصر الإشارة ذي الدقة العالية جداً، حيث أن قياس الكمية هو أساس الأنفاق الكمي في تقدير الطرازات، والرادارات، والتقدير الدقيق.

"أغوريتام غروفر" للبحث

في عملية تجهيز الإشارات، يمكن تطبيق هذا على مهام مثل مطابقة النمط، وكشف الإشارات، وحيازة الرموز، مثلاً البحث عن نمط إشارة معروف ضمن مسار بيانات طويل يمكن تسريعه من عمليات (أو ن) إلى (أو 03)

تحليل العناصر الرئيسية

ويتيح هذا التحليل التسرع الهائل في تحليل البيانات العالية الأبعاد، ويطبق مباشرة على مهام تجهيز الإشارات مثل الكشف عن البيانات، واستخراج السمات، وخفض البُعد في التطبيقات مثل التصوير الطبي، والتصوير الفائق الطيف، وتجهيز صفائف الاستشعار، ويمكن أن يجد التحليل الكمي للمكونات الرئيسية لمصفوفة بيانات أسرع كلما كان للبيانات هيكل منخفضا.

ألف - المزايا التحويلية على نظم إدارة الدعم الكلاسيكية

While the Classal DSP is a grown and highly optimized technology, Quantum DSPs offer capabilities that are qualitatively different.

التوازي التجريبي للتحليل الرئوي

ويتطلب التحليل الفطري الكلاسيكي للإشارة مع عناصر التردد الوطني عمليات من طراز O(N log N) باستخدام نظام " FT " . ويمكن أن يؤدي نظام تحديد الكمية باستخدام الترددات العالية من الناحية النظرية نفس التحليل مع عمليات " O "log2 N " ، أما الطلبات التي تتطلب تحليلاً آنياً للإشارات بملايين أو بلايين المكونات الترددية - مثل أجهزة الراديو المعرفية، أو الحرب الإلكترونية الواسعة النطاق، أو المضاربة العالية الاستبانة - هذا التخريب المفاجئ.

مقياس الاستنشاق البارامترات للتحليل

ويحد تقدير البارامترات الكلاسيكية من الحد الأقصى في هايزنبرغ في الاستشعار الكلاسيكي الذي يقاس بمقياس ١/٣/٢/T )حيث يكون الوقت المخصص للقياس( ويمكن أن تحقق بروتوكولات الاستشعار الكمي، التي مكنت من ذلك برامجيات الكمية، الحد الأقصى لنقطة هيزنبرغ وهو ١/ت، مما يتيح تحسيناً كمياً في الدقة، وبالنسبة لتطبيقات مثل الرادار، والتصوير الزمني، والقياس المكافئ الترددي، وهذا يتيح إمكانية الحصول على نفس الوقت بدرجة أكبر بكثير.

معالجة البيانات العالية الديموغرافية والمتصلة بالجنايات

وتشتمل العديد من مشاكل تجهيز الإشارات الحديثة على بيانات رفيعة المستوى مثل صفائف الاستشعار المتعددة القنوات، والصور العالية الاستبانة، أو تسلسلات الفيديو المعقدة، وكثيرا ما تعاني الخوارزميات الكلاسيكية لتجهيز هذه البيانات من " وجود البُعد " ، حيث تنمو التكلفة الحسابية بشكل مكثف مع بُعدها، ويمكن أن تمثل شبكات البرمجيات الكميائية عن طريق التشابك بكفاءة وتعالج العناصر ذات الصلة.

تعليم الكينتوما للتحليل اللافتاري

ويتزايد دور التعلم في مجال الآلات في تجهيز الإشارات الحديثة، من الاعتراف بالخطاب إلى الكشف عن الشذوذ، إذ أن خوارزميات التعلم الكمي، عند تنفيذ نظام توجيهي للكاينتوم، تتيح سرعة محتملة للتدريب والاختبار، فعلى سبيل المثال، يمكن لأجهزة الدعم الكمي وشبكات النيوتريوم أن تجهز حيزاً بارزاً من السمات الديموغرافية ذات الأبعاد أكثر كفاءة من نظيراتها التقليدية.

التحديات الحرجة والحدود الحالية

ويعوق الطريق إلى برامجيات كوانتوم العملية العقبات التقنية الكبيرة التي يعمل الباحثون بنشاط على التغلب عليها.

التناسق الكمي

فالدول الكينتيومية هشة للغاية، فالتفاعلات مع التقلبات الحرارية البيئية، والضوضاء الكهرومغناطيسي، والاضطرابات اليقظة - بسبب عدم الاتساق، وفقدان المعلومات الكمية، والمدة التي يمكن أن يحافظ عليها الحوض الكمي (وقت الإرث) محدودة، وغالباً ما تكون محدودة بالنسبة للثانيات الدقيقة أو الثانية الملليمبة تبعاً لتكنولوجيا التكتل، وهذا يفرض حداً زمنياً صارماً على التجهيز الكمي.

التضليل والخطأ

إنّ بوابات الكينتوم غير سليمة، كلّ عملية بوابات تُدخل احتمالاً صغيراً للخطأ، لأنّ الخوارزميات تتطلّب آلاف أو ملايين البوابات، هذه الأخطاء تتراكم بسرعة، فأغلبها تُمكنها كشف الأخطاء الجسدية وتصحيحها، لكنّها تحتاج إلى كميات كبيرة من الأكواب المادية اللازمة لتدبير كمية واحدة من الكيلومترات.

Scalability of hardware

ويشكل بناء وحدة كمية عالية الجودة تضم آلاف أو ملايين من الأركتين العالية التكوين تحديا هندسيا هائلا، وتشمل المسائل الحفاظ على التوحيد عبر صفيفة القمح، وتوفير خطوط مراقبة فردية لكل من القمح، وإدارة التقاطع بين الأكواب، واستخراج الحرارة من البيئة المسببة للبرد، ولم تظهر تكنولوجيا الحوت القائمة بعد مسارا واضحا إلى النطاق المطلوب لتخزين كميات الخطأ.

متطلبات البنية التحتية والرطوبة

إن الاحتياج إلى درجات حرارة الملايين في العديد من تكنولوجيات الحوت هو قيد عملي كبير، إذ أن ثلاجات التلويث كبيرة ومكلفة وهنيئة الطاقة، مما يجعل من غير المناسب استخدامات الكينتوم ديسبيس في العديد من التطبيقات الميدانية أو المتنقلة، غير أن البحث في تكنولوجيات الحوت الحرارية في الغرف (مثل مراكز غسيل النيتروجين في النُهج القائمة على الماس أو القيود الضوئية) قد يؤدي في نهاية المطاف إلى التخفيف من هذه القيود.

المراكب المحتوية على مدخلات/مدخلات

ولكي تكون البيانات مفيدة في تجهيز الإشارات، يجب نقل البيانات بكفاءة بين المجالين الكلاسيكي والكمي، حيث إن تدوين إشارة كلاسيكية إلى دولة كمية، وقراءة النتيجة - ليس فورياً، ويمكن أن يصبح نطاق الوصل بين الكواشف التقليدي عقبة تحد من الناتج العام للنظام، وبالنسبة للإشارة العالية النطاقات، يجب أن تكون تحديات هندسية سريعة للغاية.

الهندسة المعمارية الهجينة

ونظرا للقيود الحالية، فإن النهج الواعد في الأجل القريب هو الهيكل الهجين، حيث يعمل نظام إدارة الدعم والحساب الإلكتروني في شكل متزامن، وفي هذا النموذج، يتولى المجهز الكلاسيكي المهام التي يناسبها بشكل جيد: اقتناء البيانات، وتجهيزها قبل التجهيز، والتصفية الروتينية، وتجهيزها بعد التجهيز، ويحتفظ نظام كوانتوم دي إس بي إي تيبس بتفاؤلات فرعية محددة تستفيد من كم.

ويتيح هذا النهج الهجين إدماج التكنولوجيا الكمي تدريجيا في نظم تجهيز الإشارات القائمة، كما يوفر إطارا لاختبار التقويم الكمي والتحقق منه في سيناريوهات العالم الحقيقي، حتى مع معدات كمية غير دقيقة ومعرضة للأخطاء.

تطبيقات الصناعة ودراسات الحالات الإفرادية

The potential impact of Quantum DSPs spans numerous industries.

شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية و6G

وتحتاج شبكات الاتصالات في المستقبل إلى تجهيز مخططات واسعة النطاق للعرض، ومخططات للتعديلات المعقدة، وإدارة التدخل المتطورة، ويمكن أن تعجل برامجيات الكمية بالتقديرات والتكافؤ والتزيين، وقد تؤدي خوارزميات الكينتوم إلى تحسين الكفاءة في استخدام الأجهزة، إذ أن من المتوقع أن تعمل في مجال التسميات التليفية في تيراهرتز وأن تستغل قدرات هائلة في مجال الرصد المتعدد الوسائط.

Radar and Electronic Warfare

وتولد نظم الرادار كميات هائلة من البيانات وتتطلب تجهيزاً في الوقت الحقيقي لكشف الأهداف وتتبعها وتصنيفها، ويمكن أن تتيح برامجيات الكميات المصنوعة من المواد الخطرة إمكانية الاستبانة القصوى وتقدير دوبلر، وتأشيرات التكيف السريع، وتجهيزات تكييفية أكثر كفاءة في الوقت الفضائي، أما بالنسبة للحرب الإلكترونية، فيمكن تعزيز القدرة على تحليل الإشارات الواسعة النطاق بسرعة وتحديد هوية المسببات التي تستخدمها أجهزة التجميل.

التصوير الطبي

ويمكن أن تؤدي طرائق التصوير الطبي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي، والتصوير الفوق الصوتي المحوسب، والأشعة فوق الصوتية، إلى تطهير خوارزميات إعادة البناء المكثفة حسب الحاسب، ويمكن أن تعجل عمليات إعادة البناء هذه، مما يمكن من الحصول على صور أعلى درجة مع تقليص فترات الاحتياز، ويجري حالياً بحث المقاييس الكمية للمسح التصويري والتصوير المضغوط والاستشعار المضغوط للأجهزة اللاسلكية من أجل تطبيقات في إعادة المغناطيسية.

تجهيز الإشارات الصوتية والصوتية

ويمكن أن توفر برامجيات معالجة الإشارات السمعية - البصرية، بما في ذلك إلغاء الضوضاء، وفصل المصدر، والسمعية المكانية، والمعلومات الموسيقية المجمّعة والمتطورة، وبيانات عالية الأبعاد، ويمكن أن توفر نُهجاً جديدة لمشاكل مثل فصل المصدر الأعمى، ونموذج الصوتيات المجهرية، وقدرة مجهزة بنوك مرشحة كبيرة، وإجراء تحليلات مشتركة للتقلب الزمني مع ارتفاع الدقة، يمكن أن تتيح تكنولوجيات سمعية جديدة.

تجهيز الإشارات المالية

وتولِّد الأسواق المالية تدفقات هائلة من البيانات العالية التردد، ويمكن أن تعجل برامجيات الكميات المخصصة من قبيل تحليل المخاطر، والحافظة المثلى، والكشف عن الاحتيال، كما أن أساليب الكمية في مونت كارلو توفر سرعة رباعية للمشتقات التسعيرية وتقييم المخاطر المالية، ويمكن أن تستفيد مجموعات التداول العالية التردد من شركات الكشف السريع وتحليل الهيكل الصغير للأسواق، بينما تظل الشواغل التنظيمية والتشيسية قائمة.

The Road Ahead: Research Frontiers and Timeline

ويعتبر تطوير نظام كوانتوم للحواسيب هو مسعى طويل الأجل، ويتفق معظم الباحثين على أن الحواسيب الكميّة الكبيرة التي تحمل الأخطاء لا تزال بعيدة عن عقد أو أكثر، غير أن الطريق إلى نظام كوانتوم للحواسيب يمكن أن يكون أقصر، لا سيما إذا ثبت أن البنيانات الهجينة والأجهزة المتوسطة الحجم المزعجة كافية لمهام محددة لتجهيز الإشارات.

فترة قصيرة (1-5 سنوات)

وفي الأجل القريب، سيقود التقدم المجهزات الكميّة التي يمكن الوصول إليها من الغيوم (مثلاً، محطة إي بي إم كوانتوم، وبراكهيمزون، وميكروسوفت أزور كوانتوم) والمقاييس الفوقية التي تُستخدم كمياً والتي تُستخدم في الأجهزة التقليدية، ويُتوقع أن تُظهر مجموعات البحوث الأكاديمية والصناعية التي تنفذ نماذج أولية صغيرة من أجهزة معالجة الإشارات الرباعية بعد.

متوسط الأجل (5-10 سنوات)

ومع تحسن عدد الأجهزة الكميّة - مع تحسن فترات الاتساق، وانخفاض معدلات الأخطاء، وزيادة عدد الورقات الاستراتيجية الكينتومية - يمكن أن تبدأ في تقديم مزايا لتطبيقات مختارة، وقد يقوم المتبنون المبكرون في مجال الدفاع، والفضاء الجوي، والتمويل بنشر أجهزة مشتركة متخصصة في مجال الكمية لمهام مثل تجهيز إشارات الرادار، وتحليل الطيف، ووضع نماذج للمخاطر، وسيكون وضع تصحيح للخطأ الكمي معلماً حاسماً، مما يتيح إمكانية الحصول على حوسبات أطول وأكثر موثوقية.

طويلة الأجل (10-20 سنة)

وفي الأجل الطويل، يمكن أن تصبح نظم إدارة الكوانتوم المسببة للخطأ عنصراً قياسياً في نظم تجهيز الإشارات ذات الأداء العالي، وستنضج معايير الصناعة، وأطر البرمجة، والمكتبات، مما يجعل القدرات الكمية متاحة لطائفة هندسية أوسع، وسيصبح من المحتمل أن تُجمع تلقائياً نماذج تجهيز الإشارات الجديدة جداً، مثل الاتصالات التي تساعد على الاستشعار الكمي أو شبكات الرادار الكمي.

خاتمة

وتمثل المجهزات الرقمية الكميّة إعادة التفكير الأساسية فيما يمكن القيام به في تجهيز الإشارات، إذ إن هذه النظم، من خلال استغلال الخصائص الكمية للتصوير السطحي، والتشابك، والتدخل، تعد سرعة هائلة في المهام الحاسمة مثل تحليل الاتصالات السلكية واللاسلكية، وتقدير البارامترات، وتجهيز البيانات على مستوى عال، وفي حين أن التحديات الكبيرة لا تزال قائمة في صناعات تجهيز المعدات، والخطأ، والإمكانيات العملية.

ولن يكون الانتقال فورياً أو عالمياً، وستظل نظم إدارة البرامج الفرعية التقليدية تهيمن على العديد من التطبيقات الروتينية، غير أن النموذج يتحول، حيث أن التكنولوجيا الكمية ناضجة، يمكننا أن نتوقع أن نرى الجيل الأول من مجهزات الإشارات الهجينة التقليدية التي تحل المشاكل التي لا تصل حالياً، فبالنسبة للمهندسين والباحثين الذين يعملون على حافة تجهيز الإشارات، فإن الفهم والإعداد لهذه العملية الرباعية ليساً مجرد أمر أساسي.