مستقبل الحاسوب الكمي في مشكلة الهندسة

تحقيق الاستخدام الأمثل واللوجستيات

وبالرغم من أن الهندسة تنطوي على عدد لا يحصى من المشاكل المتعلقة بالتفاؤل: تحديد مسارات أساطيل التسليم، وتحديد مواعيد وظائف التصنيع، وتقليل استهلاك الطاقة إلى أدنى حد في المباني، أو ترتيب عناصر على هيئة دوائر، وكثير من هذه المهام هي مهام من نوع " نونتر " ، مما يعني أن الخوارزميات الكلاسيكية لا يمكن أن تضمن حلاً مثالياً عالمياً في وقت معقول.

الهندسة الكهربائية وتصميم الدوائر

كما أن تصميم الدوائر المتكاملة، والهوائيات، والعناصر الإلكترونية الأخرى يتطلب حل معادلة الكهرومغناطيسية المعقدة، كما أن الخوارزميات الكهرمائية، ولا سيما تلك التي تستند إلى التحولات الكمية التي تحدثها أربعة مستويات، يمكن أن يعجل في محاكاة الآثار الكمية في شبه الموصلات والموصلات الخارقة.

الهندسة المدنية والهيكلية

Structural analysis, especially for large-scale infrastructure like bridges and skyscrapers, involves solving finite element models with millions of degrees of freedom. Quantum linear system solvers (such as the Harrow —Hassidim — Delloyd algorithm) promise exponential speedups for this type of computation. While current equipment is too small to handle realscale finite problems

:: تصور المستقبل

ونظراً إلى أن المعدات الكميّة تنضج - تتحول من أجهزة قياس الكمي المتوسطة الحجم المزعجة إلى نظم مُساءلة - ستتسع نطاق التطبيقات الهندسية بشكل كبير، كما أن عدد المجالات التي يتوقع أن يكون فيها للحساب الكمي أثر تحولي.

عمليات المحاكاة المسبقة للنظم المعقدة

كما أن النماذج التقليدية التي تتفاعل مع العديد من الجسيمات والقوى المتفاعلة، والتي تعتمد على التقريبات الجزيئية التي تحد من الدقة، والحواسيب الكميوية يمكن أن تحاكي التفاعلات الكمية الأساسية التي يمكن أن تسفر عن توقعات أكثر دقة بكثير من حيث الشكل الهندسي للصواريخ.

إعادة تشكيل دائرة الكشف عن المخدرات والرعاية الصحية

الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

فالتعليم الميكانيكي هو بالفعل أداة قوية في مجال الصيانة الهندسية، والاعتراف بالصور، والتصميم الأمثل، ونظم التحكم، ويهدف التعلم الكمي للآلات إلى التعجيل بالتدريب والاختبار عن طريق استغلال التوازي الكمي، ومن ذلك مثلاً استخدام أجهزة التفريغ والتصوير التكتلي في أجهزة الحاسوب الكمي التي تستخدم نماذج عالية الكم أو قريبة من سرعة الكم.

التشفير والاتصالات المضمونة

وفي حين أن تطبيق حل المشاكل الهندسية ليس مباشرا، فإن الحوسبة الكمي تشكل تهديدا للنظم الكلاسيكية المشفوعة بالبريد المستخدمة في أمن البيانات الهندسية، فإن الخوارزمية يمكن أن تُضفي على أعداد كبيرة أسرع من الأساليب التقليدية، وأن تكسر التصلب الكمي للأجهزة اللاسلكية والشبكة الإلكترونية للاختبارات الإلكترونية، وفي الرد على ذلك، يقوم المهندسون بتطوير نظم للتشفير بعد الكواتم ونظم رئيسية للتوزيع الكمي.

سد الفجوة: تدفقات العمل الكلاسيكية - الكلية

In the near‐to-medium term, most engineering applications will rely on hybrid workflows: quantum processors handle the computationally intensive subtasks (e.g. simulating a small molecuzer subproblem) while Classal computers manage the overall workflow and data handling. This approach is already common in quantum chemist and optimization

التحديات الحاسمة التي تواجه التغلب

وعلى الرغم من الوعد الهائل، لا تزال هناك عقبات تقنية كبيرة قبل أن يتسنى اعتماد الحواسيب الكمية على نطاق واسع في الممارسات الهندسية، وهذه التحديات هي محور البحث والتطوير المكثفين.

القابلية للتأثر بالجرعات وإصلاحات الرعب

فالجرعات حساسة للغاية بالنسبة للاضطرابات البيئية - التقلبات المعاصرة، والضوضاء الكهرومغناطيسية، وحتى الأشعة الكونية - التي تسبب أخطاء، ومعدلات الأخطاء الحالية في المدارات التي تراوحت بين 0.1 و1 في المائة لكل عملية من عمليات البوابة، وهي أعلى بكثير من المستوى الذي يسجله معظم الحسابات الهندسية، ورموز تصحيح الأخطاء الكهونية، ولكنها تتطلب الكثير من الأعشاب المادية اللازمة لحصر كمية واحدة.

القدرة على التصعيد والترابط

إن توسيع المجهزات الكمية إلى آلاف أو ملايين الأكواب اللازمة للمشاكل العملية مهمة هائلة، وكل مقطورة إضافية تضيف تعقيدات في النسيج والتبريد الخفي والتحكم في الإلكترونيات، علاوة على ذلك، يجب أن تكون العقوب داخل مجهز واحد متشابكة مع درجة عالية من النزعة الاختلاطية لتمكين الميزة الخوارزمية من التغلب على الصور المصورة للهيكل الجديد مثل القيود الكمية.

الاستحقاق واستحقاق البرمجيات

(ب) إذا كان بعض الخوارزميات الكمية (مثلاً، الشورت، غروفر) مفهوماً جيداً، فإن العديد من المشاكل الهندسية تتطلب نُهجاً خامدية جديدة لا تزال في مرحلة التطوير المبكر، حيث أن تصميم دوائر كمية قوية من حيث الضوضاء، وكفؤة من حيث عدد الكبريت وعمق، ويمكن تكييفها مع مجموعة متنوعة من أحجام المشاكل هو مجال فعال من مجالات البحث([1]).

التكلفة وإمكانية الوصول

(ج) تشغيل حاسوب كمي يتطلب بنية أساسية متخصصة: ثلاجات التحلل من أجل الخيوط الفوقية، ونظم الفراغ من أجل الآيون المحصورة، والتحميص الدقيق، ويمكن أن ترتفع تكلفة مجهز كمي واحد إلى عشرات الملايين من الدولارات، ولا تزال رسوم الوصول إلى السحب مرتفعة للاستخدام المستدام، حيث أن التكنولوجيا تنضج وزيادات المنافسة يتوقع أن تهبط الأسعار في الأجل القصير، ولكن الموارد الكمية لا تزال مرتفعة.

المواعيد والتنبؤات

ومن الصعب للغاية التنبؤ بوصول الحاسوب الكمّي العملي، ولكن معظم الخبراء يوافقون على جدول زمني للتبني على مراحل.

• ]Near-term (1-5 years):] NISQ devices with 100-1000 noisy qubits will continue to be used for proof-of-concept studies in chemistry, optimization, and machine learning. Early “quantum advantage” demonstrations will appear for specific, narrow problems. Engineering firms will begin experimenting with hybrid cloudhouse services developing.
• ]Mid —Mid‐term (5-15 years):] Fault —tolerant quantum computers with a few thousand logical qubits become available, these systems will be capable of solving well-defined engineering problems that are currently out of reach, such as simulating a complete catalytic reaction or optimizing a full supply chain. Industry specific quantum software suites will emerge.
• ]Long —term (15+ years):] Error —corrected quantum computers with millions of logical qubits will be able to tackle grand challenges: full molecular-level drug design, climate modeling with unprecedented accuracy, and realtime optimization of global infrastructure and at this kit, quantum computing will be a standardly tool in every engineers.

خاتمة

ويكتسب حساب الكواتيون أخيراً إمكانات هائلة لتحويل المشاكل الهندسية، إذ إن استخدام التكوين السطحي والتشابك والتدخل، يعد بحل أفضل مصادر الطاقة التي لا يمكن اختراقها في المستقبل، ويطرح في الوقت الحاضر أفضل التحديات الهندسية التي لا يمكن اختراقها في مجال الحواسيب التقليدية، ويستمر في الاكتشافات الدقيقة للمدن البعيدة، والسوقيات، والتصميم الهيكلي، ويعرض بالفعل بعض التقدم في هذا المستقبل، بينما تستمر البحوث في تحقيق الاستقرار والخطأ في البناء.

For further reading, explore IBM Quantum, ]D‐Wave Systems, and Google Quantum AI].