1. مقدمة في الحوسبة الكمومية والأساس الرياضي [0]

thumbnail
  1. الحوسبة الكمومية تستغل مبادئ ميكانيكا الكم لمعالجة المعلومات بسرعة فائقة [0]
    1. الدورة توفر أساسًا متينًا لفهم كيفية عمل الخوارزميات الكمومية الشهيرة [1]
    2. الدورة مقسمة إلى قسمين: الرياضيات الأساسية وميكانيكا الكم العميقة [2]
    3. الهدف هو فهم قوة الحواسيب الكمومية وكيف ستغير التكنولوجيا [3]
    4. تم إنشاء الدورة بواسطة مايكل من Quantum Source [4]
    5. تم إنشاء الدورة لتوفير أساس قوي دون استخدام التشبيهات [7]

1.1. هيكل الدورة والرياضيات الأساسية [8]

  1. القسم الأول يغطي الرياضيات الأساسية المطلوبة [9]
    1. يتضمن مقدمة للأعداد المركبة والجبر الخطي الأساسي [9]
    2. القسم التالي يستكشف ماهية الكيوبت وكيفية تمثيله رياضيًا [9]
    3. سيتم استكشاف عمليات الكيوبت الواحد وخصائصها [10]
    4. القسم الثالث يقدم تمثيل رياضي لكيوبتات متعددة [11]
    5. يستكشف عمليات يمكن إجراؤها على كيوبتات متعددة [11]
    6. ينتهي باستكشاف التشابك الكمومي وظاهرة phase kickback [12]
    7. القسم الأخير يحلل الخوارزميات الكمومية [13]

1.2. الأعداد التخيلية والمركبة [15]

  1. نبدأ بفهم الأعداد التخيلية والمركبة [15]
    1. معادلة تعطي [16]
    2. معادلة تتطلب الأعداد التخيلية [17]
    3. إذا كان ، فإن [18]
    4. العدد التخيلي يحتوي على عامل [19]
    5. العدد المركب هو عدد حقيقي زائد عدد تخيلي [20]
    6. شكله القياسي هو حيث و أعداد حقيقية [22]
    7. سيتم رؤية كيفية تمثيلها في شكل آخر لنمذجة حالات الكم [23]
    8. يمكن جمع وطرح الأعداد المركبة بجمع الأجزاء الحقيقية والتخيلية [24]
    9. الضرب يتطلب تذكر أن [25]
    10. المرافق المركب هو قلب إشارة الجزء التخيلي [26]
    11. يتم ترميزه بنجمة (*) [27]
    12. خاصية مفيدة: ضرب عدد مركب بمرافقه يعطي دائمًا عددًا حقيقيًا [29]
    13. يمكن تصور العدد المركب كمتجه على مستوى مركب [31]
    14. المحور الأفقي هو المحور الحقيقي، والعمودي هو المحور التخيلي [31]
    15. مثال: هو متجه ينتهي عند النقطة [32]
    16. المقدار (Magnitude) هو مسافة المتجه من الأصل [33]
    17. يُحسب باستخدام نظرية فيثاغورس: [34]
    18. الشكل القطبي (Polar Form) يمثل العدد بـ المقدار والزاوية () [36]
    19. الصيغة: [37]
    20. يمكن إيجاد باستخدام [38]
    21. الشكل الأسي (Exponential Form) هو [40]
    22. في الحوسبة الكمومية، يُستخدم الشكل الأسي بشكل شبه حصري [42]
    23. عند تغيير ، يتم الدوران حول دائرة الوحدة [43]

2. المصفوفات والتمثيلات الكمومية [45]

thumbnail

2.1. أساسيات المصفوفات والعمليات عليها [45]

  1. المصفوفة هي ترتيب ثنائي الأبعاد للأرقام [45]
    1. تُسمى إذا كان عدد الصفوف والأعمدة [47]
    2. يمكن جمع وطرح المصفوفات بجمع/طرح العناصر المتناظرة [49]
    3. يجب أن يكون عدد الصفوف والأعمدة متطابقًا للجمع/الطرح [51]
    4. يمكن ضرب المصفوفة في عدد قياسي (Scalar) [53]
    5. كل عنصر في المصفوفة يُضرب في العدد القياسي [54]
    6. ضرب المصفوفات يتطلب عملية تشبه الضرب النقطي (Dot Product) [55]
    7. يجب أن يتساوى عدد أعمدة المصفوفة الأولى مع عدد صفوف الثانية [58]
    8. المتجه العمودي (Column Vector) هو مصفوفة [60]
    9. يمكن استخدامه لتمثيل حالة الحوسبة الكمومية [63]
    10. ضرب مصفوفة بمتجه عمودي ينتج متجهًا عموديًا جديدًا [64]
    11. يُفهم هذا على أنه تحويل للمتجه بواسطة المصفوفة [65]
    12. مصفوفة الوحدة (Identity Matrix) هي مصفوفة أقطارها وحدات والباقي أصفار [68]
    13. ضربها في أي مصفوفة يعيد المصفوفة الأصلية [70]
    14. المقلوب (Inverse) للمصفوفة هو [72]
    15. (مصفوفة الوحدة) [72]
    16. المرافق المركب للمصفوفة (*) يقلب إشارة جميع العناصر التخيلية [76]
    17. المنقول (Transpose) () يبادل الصفوف بالأعمدة [80]
    18. الخنجر (Dagger) () هو المرافق المركب والمنقول معًا () [82]
    19. المصفوفات الوحدوية (Unitary Matrices) () تحقق [84]
    20. هندسيًا، تحافظ على طول المتجه وتدور/تقلبه [86]
    21. المصفوفات الهيرميتية (Hermitian Matrices) () تحقق [88]
    22. المتجه الذاتي (Eigenvector) هو متجه يبقى في نفس الاتجاه بعد التحويل [91]
    23. القيمة الذاتية (Eigenvalue) هي العدد القياسي الذي يتم تمديده/ضغطه به [93]
    24. مثال: للمصفوفة ، القيمة الذاتية هي 2 والمتجه الذاتي هو [95]

2.2. الكيوبت والتمثيل الرياضي [98]

  1. تستخدم الحواسيب الكلاسيكية الثنائيات (0 و 1) [98]
    1. تستخدم الحواسيب الكمومية الكيوبتات (Qubits) [99]
    2. الكيوبت يمكن أن يكون 0 و 1 في نفس الوقت [99]
    3. فيزيائيًا، يمكن أن يكون جسيمًا كموميًا في حالتين متميزتين [102]
    4. يتم تعريف 0 و 1 كمتجهات عمودية: و [103]
    5. ترميز ديراك (Dirac Notation) يستخدم لأقواس غريبة حول 0 و 1 [104]
    6. التراكب (Superposition) يعني أن الجسيم في حالتين في آن واحد [105]
    7. التمثيل الرياضي للكيوبت كمتجه عمودي بعنصرين [109]
    8. العنصر العلوي يمثل مقدار حالة الصفر [110]
    9. العنصر السفلي يمثل مقدار حالة الواحد [110]
    10. يُرمز لحالة الكم باليونانية [111]
    11. إذا كانت الأرقام غير صفرية، يكون الكيوبت في تراكب من 0 و 1 [114]
    12. القياس (Measurement) يغير حالة النظام إلى حالة القياس [115]
    13. عند قياس الكيوبت، نحصل على 0 أو 1 فقط [121]
    14. تنهار الحالة إلى الحالة المقاسة (تصبح 0 أو 1 بشكل دائم) [118]
    15. الأرقام في المتجه تمثل احتمالية القياس [124]
    16. الاحتمالية هي مقدار السعة (Amplitude) مربعًا [125]
    17. مثال: حالة تعطي احتمال 75% للصفر و 25% للواحد [125]
    18. يجب أن يكون مجموع الاحتمالات مساويًا لـ 1 [128]
    19. ترميز ديراك يستخدم لتمثيل حالات الكم بشكل أفضل [132]
    20. المتجهات العمودية تُسمى kets (مثل و ) [137]
    21. يمكن تمثيل الكيوبت بيانيًا على كرة بلوخ (Bloch Sphere) [141]
    22. القمة هي حالة الصفر، والقاع هو حالة الواحد [142]
    23. كلما كان الكيوبت أقرب للقمة، زاد احتمال قياسه صفرًا [145]

3. بوابات الكيوبت الواحد والطور (Phase) [153]

thumbnail

3.1. بوابات الكيوبت الواحد الأساسية [153]

  1. تستخدم الحواسيب الكمومية بوابات لتغيير حالات الكيوبتات [154]
    1. البوابات الشائعة للكيوبت الواحد هي X، Y، و Z [155]
    2. بوابة X (NOT): تقلب الكيوبت (0 يصبح 1، و 1 يصبح 0) [157]
    3. تدور الكيوبت 180 درجة حول المحور X [161]
    4. بوابة Y: تدور الكيوبت 180 درجة حول المحور Y [163]
    5. بوابة Z: تدور الكيوبت 180 درجة حول المحور Z [165]
    6. تطبيق أي من هذه البوابات مرتين يعيده إلى موضعه الأصلي [166]
    7. هذه البوابات الثلاث هي معكوسات لأنفسها [167]
    8. يمكن تطبيق البوابة بضرب مصفوفة البوابة بالمتجه العمودي للكيوبت [171]
    9. تطبيق البوابة في ترميز ديراك: [173]
    10. العمود الأول للمصفوفة يمثل ما يصبح عليه [174]
    11. العمود الثاني يمثل ما يصبح عليه [174]
    12. البوابات خطية، لذا تعمل على كل حالة تراكب بشكل فردي [176]
    13. بوابة Z: لا تؤثر على احتمالات القياس ( و ) [181]

3.2. الطور (Phase) والأعداد المركبة [182]

  1. الطور (Phase) هو الدوران حول المحور Z [183]
    1. يتم تمثيله رياضيًا باستخدام الأعداد المركبة في الشكل الأسي [188]
    2. تطبيق بوابة Z يدور الكيوبت راديان حول محور Z [193]
    3. العدد يمثل (زاوية راديان) [194]
    4. العدد يمثل (زاوية راديان) [198]
    5. ضرب حالة بالعدد يدور الكيوبت حول محور Z بزاوية [199]
    6. هناك نوعان من الطور: الطور العام (Global Phase) والطور النسبي (Relative Phase) [200]
    7. الطور العام: ضرب الكيوبت بالكامل بعدد مركب؛ غير ذي صلة فيزيائيًا [201]
    8. الطور النسبي: ضرب سعة حالة بعامل مركب؛ مهم جدًا [203]
    9. الطور النسبي لا يؤثر على احتمالية القياس [206]
    10. احتمال قياس 1 هو حتى مع وجود الطور النسبي [207]

3.3. حالات خاصة وبوابة هادامارد (Hadamard) [210]

  1. الحالات الاستوائية على كرة بلوخ هي حالات شائعة [212]
    1. لها فرصة متساوية للقياس 0 أو 1، لكن تختلف في الطور النسبي [215]
    2. حالة زائد (+): [216]
    3. حالة ناقص (-): نفس حالة زائد ولكن بطور نسبي [217]
    4. حالة $i$: طور نسبي [219]
    5. حالة $-i$: طور نسبي [219]
    6. بوابة هادامارد (Hadamard Gate): مصفوفة مميزة [220]
    7. تحول إلى حالة زائد (+) [222]
    8. تحول إلى حالة ناقص (-) [222]
    9. بوابة هادامارد هي معكوس نفسها [224]
    10. بوابة هادامارد تظهر أهمية الطور النسبي [226]
    11. تطبيقها على يعطي وعلى يعطي [227]
    12. بوابات S و T: تضيف أطوارًا نسبية [231]
    13. بوابة S: تضيف طورًا نسبيًا [232]
    14. بوابة T: تضيف طورًا نسبيًا [233]
    15. المرافق المنقول المترافق (Conjugate Transpose) للبوابة هو معكوسها [234]
    16. يضيف طورًا نسبيًا (معكوس S) [235]

4. الكيوبتات المتعددة والتشابك [238]

thumbnail

4.1. فضاء الحالة متعدد الكيوبتات والدوائر الكمومية [238]

  1. لتمثيل كيوبتات متعددة، نستخدم الجداء الموتري (Tensor Product) [238]
    1. مثال: حالتان تمثل [239]
    2. التراكب يتوسع لإنتاج حالة لـ كيوبت [241]
    3. القياس يعمل بنفس الطريقة: الاحتمال هو مقدار المعامل مربعًا [244]
    4. إضافة كيوبت جديد للنظام تتم عبر الجداء الموتري [246]
    5. الدوائر الكمومية (Quantum Circuits) تستخدم لتمثيل تطبيق البوابات [248]
    6. الخطوط العمودية تمثل كيوبتات فردية [250]
    7. الصناديق تمثل البوابات الكمومية (مثل X أو Hadamard) [252]
    8. يتم تطبيق البوابات من اليسار إلى اليمين (ترتيب زمني) [255]
    9. البوابات متعددة الكيوبتات: [264]
    10. CNOT (Controlled-X): تطبق بوابة X على الكيوبت الهدف إذا كان كيوبت التحكم 1 [265]
    11. بوابة تافولي (Toffoli): لديها كيوبتان للتحكم وكيوبت هدف واحد [272]
    12. يمكن إنشاء نسخ متحكم بها من بوابات الكيوبت الواحد (مثل CNOT) [276]
    13. قياس كيوبت واحد: نجمع احتمالات جميع حالات التراكب التي يكون فيها الكيوبت المقاس هو 1 (أو 0) [279]
    14. انهيار الحالة عند القياس: [282]
    15. عند قياس كيوبت، تنهار الحالة، ويتم التخلص من حالات التراكب الأخرى [284]
    16. يجب تطبيع (Normalize) الحالة المتبقية بضربها بثابت ليكون مجموع الاحتمالات 1 [285]

4.2. التشابك (Entanglement) [299]

  1. التشابك يحدث عندما تعتمد حالات الكيوبتات على بعضها البعض [300]
    1. لا يمكن فصل الحالة المتشابكة إلى جداءات موترية لحالات فردية [302]
    2. مثال: حالة متشابكة [306]
    3. الحالات المتشابكة قصوى (Maximally Entangled States): قياس كيوبت يحدد حالة الآخرين [305]
    4. تسمى حالات بيل (Bell States) () [307]
    5. الحالات المتشابكة جزئيًا: قياس كيوبت يؤثر على احتمالات أو طور الكيوبتات الأخرى [308]

4.3. ارتداد الطور (Phase Kickback) [310]

  1. ارتداد الطور: ظاهرة تستخدم في بعض الخوارزميات الكمومية [310]
    1. يحدث عندما يكون الكيوبت الهدف () متجهًا ذاتيًا للبوابة المتحكم بها () [314]
    2. إذا كان ، فإن تطبيق البوابة المتحكم بها يضيف طورًا نسبيًا إلى كيوبت التحكم [315]
    3. يبقى الكيوبت الهدف () دون تغيير، ويتم "ارتداد" الطور إلى كيوبت التحكم [320]

5. العمليات القابلة للعكس والخوارزميات الكمومية [323]

thumbnail

5.1. العمليات الكلاسيكية القابلة للعكس وتطبيق الدوال الكمومية [323]

  1. العمليات الكلاسيكية: AND، OR، NOT، XOR [345]
    1. بوابة NOT هي الأبسط (تقلب 0 إلى 1 والعكس) [347]
    2. الدالة القابلة للعكس (Reversible): يمكن تحديد المدخل من المخرج [359]
    3. عملية OR ليست قابلة للعكس (مخرج 1 يمكن أن يأتي من مدخلات مختلفة) [360]
    4. لجعل بوابة كلاسيكية قابلة للعكس، نضيف بت إدخال إضافي [362]
    5. المخرج يصبح: و () [362]
    6. العمليات الكمومية يجب أن تكون قابلة للعكس (وحدوية) [368]
    7. تطبيق دالة كمومية $F$: يتم استخدام نفس تقنية العكسية [373]
    8. الدالة الكمومية تأخذ المدخل و وتعيد و () [375]
    9. إذا تم ضبط ، يصبح المخرج [377]
    10. الاستعلام الطوري (Phase Oracle): تطبيق الدالة على الحالة [383]
    11. ينتج الحالة [395]
    12. هذا التقنية تستخدم في خوارزمية دويتش [397]

5.2. نظرية عدم الاستنساخ والخوارزميات [398]

  1. نظرية عدم الاستنساخ (No-Cloning Theorem) [398]
    1. لا يمكن نسخ حالة كيوبت غير معروفة () دون معرفة و [399]

5.2.1. خوارزمية دويتش (Deutsch's Algorithm) [402]

  1. المشكلة: تحديد ما إذا كانت دالة (تأخذ بت واحد) ثابتة أم متوازنة بحد أدنى من الاستعلامات [403]
    1. ثابتة: تعطي نفس البت للمدخلات كلها (00 أو 11) [409]
    2. متوازنة: تعطي 0 لنصف المدخلات و 1 للنصف الآخر (Identity أو NOT) [411]
    3. كلاسيكيًا: يتطلب استعلامين ( و ) [415]
    4. كموميًا (دويتش): يتطلب استعلامًا واحدًا فقط [418]
  2. خطوات الخوارزمية: [419]
    1. البدء بالحالة [421]
    2. تطبيق Hadamard على كلا الكيوبتات للحصول على [422]
    3. تطبيق الدالة الوحدوية (تستخدم شكل الاستعلام الطوري) [425]
    4. إذا كانت (ثابتة)، تصبح الحالة [430]
    5. إذا كانت (متوازنة)، تصبح الحالة [435]
    6. تطبيق Hadamard على الكيوبت الأول [437]
    7. إذا كانت الحالة تتحول إلى (ثابتة) [438]
    8. إذا كانت الحالة تتحول إلى (متوازنة) [438]
    9. القياس يحدد ما إذا كانت الدالة ثابتة (قياس 0) أو متوازنة (قياس 1) [439]

5.2.2. خوارزمية دويتش-جوزا (Deutsch-Jozsa Algorithm) [443]

  1. المشكلة: نفس مشكلة دويتش، لكن الدالة تقبل بت كمدخل [443]
    1. كلاسيكيًا: يتطلب أسوأ حالة استعلامًا [450]
    2. كموميًا: يتطلب استعلامًا واحدًا فقط [455]
  2. خطوات الخوارزمية: [456]
    1. البدء بـ كيوبت في حالة [459]
    2. تطبيق Hadamard على جميع الكيوبتات [459]
    3. ينتج حالة تراكب موحد (Identity: ) [470]
    4. تطبيق دالة الأوراكل الطوري [475]
    5. ينتج الحالة: [478]
    6. تطبيق Hadamard على جميع الكيوبتات مرة أخرى [480]
    7. يتم استخدام هوية رياضية مهمة لتبسيط هذا التحويل [493]
    8. تحليل سعة الحالة $|0\rangle^{\otimes N}$: [496]
    9. إذا كانت ثابتة: السعة هي [504]
    10. إذا كانت متوازنة: السعة هي 0 [508]
    11. القياس: [509]
    12. إذا قِسنا ، تكون الدالة ثابتة (احتمال 1) [511]
    13. إذا قِسنا أي شيء آخر، تكون الدالة متوازنة (احتمال 0 للحالة صفر) [512]

5.2.3. خوارزمية برنستين-فازيراني (Bernstein-Vazirani Algorithm) [517]

  1. المشكلة: إيجاد سلسلة سرية بطول [518]
    1. الدالة (الضرب النقطي) [518]
    2. كلاسيكيًا: يتطلب استعلامًا للحصول على كل بت من [522]
    3. كموميًا: يتطلب استعلامًا واحدًا فقط [523]
  2. خطوات الخوارزمية: [524]
    1. تبدأ بكيوبتات في الحالة للكيوبت الهدف، و للكيوبتات المدخلة [526]
    2. تطبيق الأوراكل الطوري (بسبب حالة للهدف) [529]
    3. تطبيق Hadamard على جميع الكيوبتات المدخلة [532]
    4. ينتج أن سعة الحالة هي 1 [545]
    5. القياس: قياس الكيوبتات يعطي السلسلة السرية مباشرة [546]

5.2.4. تحويل فورييه الكمومي وتقدير الطور [550]

  1. تحويل فورييه الكمومي (QFT) [552]

    1. يحول ترميز الأرقام الثنائية (0 و 1) إلى ترميز يعتمد على طور الكيوبتات في التراكب الموحد [554]
    2. في حالة كيوبت، الكيوبت الأيمن يدور بزاوية حيث هو الرقم [561]
    3. دائرة QFT: تستخدم بوابات Controlled-$R_k$ و Swap Gate [567]
    4. بوابة تطبق طورًا نسبيًا على [570]
    5. تحويل QFT العكسي يلغي تحويل QFT [594]
    6. التحويل العام: [593]
  2. خوارزمية تقدير الطور الكمومي (QPE) [596]

    1. تسمح بإيجاد القيمة الذاتية لمتجه ذاتي للمصفوفة [596]
    2. الهدف: إيجاد بدقة معينة باستخدام كيوبت في المسجل الأول [598]
    3. الخطوات: تطبيق على مع كيوبتات المسجل الأول كتحكم [607]
    4. يحدث ارتداد طور لكل كيوبت في المسجل الأول [608]
    5. ينتج حالة تعتمد على (تمثيل ثنائي لـ ) [613]
    6. تطبيق Inverse QFT على المسجل الأول [622]
    7. قياس المسجل الأول يعطي القيمة ، ومنها نحصل على والقيمة الذاتية [623]

5.3. خوارزمية شور (Shor's Algorithm) [625]

  1. الهدف: إيجاد العوامل الأولية ( و ) لعدد كبير [626]
    1. هذا هو أساس كسر تشفير RSA [629]
    2. يتطلب حاسوبًا كموميًا متسامحًا مع الأخطاء [629]
    3. الخطوة الكلاسيكية الأولى: اختيار بحيث [631]
    4. التحويل إلى نظرية الأعداد: تقليل المشكلة إلى إيجاد دورية (Period) دالة الأسية النمطية [633]
    5. الدورية هي أصغر عدد صحيح موجب يحقق [639]
    6. الخطوة الكمومية: استخدام QPE لإيجاد تقريب لـ [643]
    7. يتم بناء بوابة تحول إلى [644]
    8. الحالة هي متجه ذاتي لـ بقيمة ذاتية [652]
    9. يتم إنشاء الحالة عبر تطبيق على [657]
    10. QPE يقدر القيمة [663]
    11. الخطوة الكلاسيكية النهائية: استخدام الكسور المستمرة (Continued Fractions) لتقدير و من [666]
    12. يجب أن يكون المقام [672]
    13. إيجاد العوامل: حساب و [675]
    14. مثال: لـ واختيار ، تم إيجاد الدورية [680]
    15. العوامل الناتجة هي 3 و 5 [687]