الحوسبة الكمية هي شكل جديد من الحوسبة قائم على مبادئ ميكانيكا الكم وظواهرها. تتميز باستعمال البت الكمومي او الكيوبيت كوحدة قياس أساسية. الكيوبت، بعكس البت، يتميز بخاصيتين قائمتين على الميكانيكا الكمية واللتان يؤمل أن يحقق عبرهما تفوق كمي، وهما التراكب الكمي والتشابك الكمي
التراكب الكمي أو التراكب الكمومي هو مبدأ أساسي في ميكانيكا الكم. ينص على أن أي حالتين كموميتين أو أكثر يمكن أن يندمجا (يتراكبا) كما تفعل الموجات في الفيزياء الكلاسيكية، وستكون النتيجة حالة كمومية أخرى. وعلى العكس، يمكن التعبير عن كل حالة كمومية كمحصلة حالتين مختلفتين أو أكثر. رياضيًا، يشير التراكب الكمي إلى خاصية حلول معادلة شرودنجر، نظرًا لأن معادلة شرودنجر خطية فإن أي مجموعة خطية من الحلول ستصبح حلًا أيضًا.
التشابك ظاهرة في الفيزياء الكمية، تحدث عندما يتولد زوجان أو مجموعة من الجسيمات أو تتفاعل أو تتشارك الجسيمات ذات القرب المكاني بحيث لا يمكن وصف الحالة الكمية لجسيم معين بشكل مستقل عن الجسيمات الأخرى، حتى لو فصلت مسافة كبيرة بين هذه الجسيمات.
يتطلب تعلم الحوسبة الكمية خبرة ومعارف مسبقة في الجبر الخطي والبرمجة خاصة بلغة البايثون. من المفضل أن تكون للمتعلم خلفية محترمة حول الفيزياء الكمية كذلك.
منذ ظهور أول حاسوب (ميكانيكي) في العام 1941 حدثت العديد من الاكتشافات والاختراعات الفيزيائية التي غيرت وجه عالم الحواسيب وصنعت منها الأجهزة الحديثة والمتطورة التي نراها اليوم.أهم هذه الاختراعات والاكتشافات الفيزيائية هي: الأنابيب المفرغة، الترانزستورات والدوائر المتكاملة.
تطورت الحواسيب في اتجاهات مختلفة فهي الآن صغيرة الحجم، خفيفة الوزن، جميلة المظهر، وفوق ذلك ذات إمكانيات متطورة وكفاءة عالية بالمقارنة مع الحواسيب القديمة كالذي يظهر في الشكل 1.1 والتي كانت ذات أحجام كبيرة (في حجم غرفة تقريباً) واستخدمت تكنولوجيا الأنابيب المفرغة الإلكترونية مما اكسبها كفاءة متدنية جدا بالمقارنة مع أي حاسوب شخصي في أيامنا هذه.
حاليا تجرى الأبحاث على كلا الجانبين: البرمجيات والمكونات الصلبة للحواسيب. فحتى هذه اللحظة ما زال علينا حمل حواسيب محمولة تزن عدة كيلوغرامات، استخدام لوحة المفاتيح، إعادة تكرار الأوامر والإجابة على أسئلة بسيطة يطرحها الحاسوب. (الشكل 1.2 يظهر حاسوباً تقليدياً من النوع المعروف باسم الحاسبات الشخصية. ولكن معضلات أخرى ما زالت موجودة. مثلاً البنوك، كبرى الشركات، وحتى الحكومات دائماً في حالة قلق من اختراق بياناتها المحوسبة وكسر سريتها، مما يكلفها أمولا طائلة للتشديد من سرية المعلومات، ولكن قراصنة الحاسوب أيضا يتطورون يوما عن يوم. تحليل الأرقام الكبيرة إلى عواملها الأولية
يمثل تحدياً آخر لعلماء الرياضيات. فمثلاً لتحليل رقم يتكون من 230 رقماً ستتطلب هذه العملية وقتاً يقاس بملايين السنين عن طريق أحدث الحواسيب الكلاسيكية. حواسيب الكم ربما تمثل حلاً لمثل هذه المعضلات. أو بمعنى آخر نستطيع القول أن حواسيب الكم أعلى كفاءة من الحواسيب الكلاسيكية. إذن؛ ما هي حواسيب الكم؟ كيف تختلف عن الحواسيب الكلاسيكية؟ وما المتوقع منها بالضبط؟.
فمثلا، حسابات الأحوال الجوية وتغيراتها اليومية ومن ساعة إلى ساعة تحتاج لبيانات كثيرة جدا تأتي من مختلف البلاد والمناطق، وهي عباره عن قياسات تتعلق بدرجات الحرارة والضغط الجوي ونسب الرطوبة وحالة الأوزون، وغيرها من قياسات مستمرة؛ معالجة هذا القدر الكبير من البيانات ومحاولة استباط والتنبؤ بما يكون عليه الطقس في الساعات القادمة، كل هذا يحتاج إلى حواسيب ضخمة للتعامل معها واصدار النتائج أولا بأول وبصفة مستمرة. في تلك الحالة تشكل حواسيب كمومية حلا لهذا العمل الكبير.
في العام 1994 أعلن عالم الرياضيات بيتر شور عن اكتشافه لخوارزمية بسيطة لتحليل الأرقام إلى مكوناتها الأولية
بواسطة آلة حاسوبية تقوم على أسس فيزياء الكم. ومنذ ذلك الوقت مانفكت الأبحاث محاولةً تحقيق هذه الآلة (حاسوب الكم). لذا لابد أن يتكون الحاسوب الكمي من مكونات إلكترونية صغيرة جداً تماثل الذرات المنفردة حجماً. وبالتالي ستخضع هذه المكونات ذات الأحجام الصغيرة جدا لقوانين ميكانيكا الكم موفيةً بذلك الشرط اللازم لعمليات الحاسوب الكمي. ولهذا السبب يعتبر الحاسوب الكمي جزءاً من تكنولوجيا النانو الحديثة والتي تتعامل مع الأنظمة التي تحتوي علي مكونات نانوية الأبعاد (أجهزة ذات حجم ~ 1 نانو متر = ⁹-10 من المتر).
بينما وحدة المعلومات في الحواسيب الكلاسيكية هي البت، تعتبر البت الكمية هي الوحدة النظيرة من المعلومات في الكمبيوتر الكمي. بت واحدة تعادل احدي حالتين 0 او1 واللذان يمثلان النظام الثنائي الذي تتعامل معه الحواسيب الكلاسيكية. بينما البت الكمية تستطيع أن تمثل بالإضافة إلى هاتان الحالتان حالة التراكب الكمي المكونة منهما معا؛ وبالتالي فان زوجاً من البت الكمية بستطيع أن يمثل أي تراكب كمي من الحالات الأربعة: I0,0>, I0,1>, I1,0> or I1,1> حيث نستخدم طريقة ديراك لتمثيل الحالة الكمية.
بالعموم فان الحاسوب الكمي المكون من n بت كمية يمكن أن يكون أي تراكب اعتباطياً من 2n حالة مختلفة متواجدين آنيا، بينما في الحواسيب العادية n عدد من البتات يعني n حالة محددة ولا توجد أي حالات متزامنة آنياً. وهذا يعكس القوة الحوسبية الكبيرة التي تقدمها الحواسيب الكمية بالمقارنة مع الحواسيب الكلاسيكية.
الحواسيب الكمية ما زالت تحت البحث وما زال الجدل قائماً حول ما إذا كان إيجاد مثل هذه الحواسيب علي أرض الواقع في المستقبل ممكناً أو لا.وعلي كل حال فإن العمل علي الحواسيب الكمية يستطيع إثراء فيزياء الكم الأساسية وفي الوقت نفسه يستطيع إثراء الأبحاث علي مستوي القياس النانوي. في وقت قريب بُنِي حاسوب كمي صغير يتكون من سبعة بتات كمية مثلت بواسطة سبعة مغازل نووية (nuclear spins) خمسة منها من نويات الفلور واثنان من نويات الكربون -13 (انظر الشكل1.3) في معامل آي بي إم وستانفورد.
بشكل مماثل لقضيب مغنطيسي يشير إلى الشمال أو الجنوب يستطيع كل مغزل أن يمثل الأرقام الثنائية "0" أو "1" أو كلاهما معاً (انظر إلى الأسهم السوداء في الشكل 1.3). ويمكن التحكم في ذلك عن طريق مجالات مغنطيسية وموجات الراديو (تقنية الرنين المغنطيسي النووي). بواسطة حاسوب السبع بتات الكمية هذا أمكن الاستفادة من ميزة الحوسبة الكمية الفريدة -ألا وهي قابلية التراكب- لقياس الأعداد الأولية المكونة للرقم 15 ألا وهي 3و 5. ولكن تحليل الأعداد الكبيرة إلى عواملها الأولية يتطلب حاسوباً ذو عدد أكبر من البتات الكمية، ويبقى هذا تحدياً لبناء حاسوب كمي حقيقى كبير.