بناء الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر باستخدام بواعث الكم وأشعة الليزر تحت الحمراء

يتشابك تاريخ أجهزة الكمبيوتر مع تاريخ التكنولوجيا الحديثة. بدأ كل شيء في القرن التاسع عشر، عندما اخترعت التاجرة والمخترعة الفرنسية ماري جاكارد، في عام 19، نولًا يحتوي على بطاقات خشبية مثقوبة لنسج تصميمات القماش تلقائيًا.

ومع ذلك، فقد حدث أهم تقدم في مجال الحوسبة الآلية في ذلك القرن عندما ابتكر عالم الرياضيات الإنجليزي تشارلز باباج آلة حسابية تعمل بالبخار قادرة على حساب جداول الأعداد. أما الاختراع الأكثر ثورية في القرن العشرين، فقد جاء عام ١٩٣٦ على يد آلان تورينج، العالم والرياضي البريطاني، الذي قدم آلة عالمية، سُميت لاحقًا بآلة تورينج. ويؤكد العلماء أن مفهوم الحواسيب الحديثة يعتمد أساسًا على أفكار آلان تورينج.

ومنذ ذلك الحين، كانت سلسلة من التقدم. في عام 1939، أسس ديفيد باكارد وبيل هيوليت شركة هيوليت باكارد، وفي عام 1953، طورت غريس هوبر أول لغة كمبيوتر، كوبول، تبعها جون باكوس وفريقه من المبرمجين في آي بي إم بنشر ورقة تصف لغة البرمجة فورتران التي تم إنشاؤها حديثًا.

على مر السنين، ركزت سيل الاختراعات التي أثرت تكنولوجيا الحوسبة على جوانب متعددة. أحيانًا، كان تطوير لغة أو برنامج رائد، وأحيانًا أخرى، أجهزة بالغة الأهمية. وتستمر هذه الاختراعات في الظهور، مما يُسهم في بناء الجيل القادم من الحواسيب، وهو شيءٌ "مستقبلي" بكل معنى الكلمة.

في الأجزاء التالية، سنلقي نظرة على اثنين من هذه الاختراعات التي تتضمن بواعث كمية وأشعة ليزر تحت الحمراء. 

التحرك نحو إنجاز كبير: كمبيوتر كمي قابل للتطوير

ويأتي هذا الإنجاز من قبل فريق من الباحثين بقيادة مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي). ويدعي الباحثون أنهم نجحوا في محاولتهم استخدام طبقة الفمتوثانية لإنشاء وإبادة كيوبتات عن طريق إضافة السيليكون مع الهيدروجين. وأكد الباحثون أنهم يستطيعون تنفيذ هذا التمرين عند الطلب وبدقة. 

ولكن، لكي نتمكن من إدراك أهمية البحث إلى أقصى حد، يجب علينا أن نعرف ما هي الكيوبتات وسبب أهميتها!

الحاجة إلى ربط مليارات البتات الكمومية معًا

يمكن أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية رائدة في قدرتها على حل المشكلات أسرع بمليون مرة من بعض أجهزة الكمبيوتر العملاقة الأكثر تقدمًا المتوفرة حاليًا. تتمتع هذه الآلات بالقدرة على إحداث اختراقات ثورية في مجالات مثل الرعاية الصحية والأدوية والذكاء الاصطناعي. ولكن لكي يحدث كل هذا، يجب على الصناعة أن تبتكر طريقة لربط المليارات من هذه العناصر معًا الكيوبتات أو البتات الكموميةمما يؤدي إلى التطوير النهائي لشبكة عالية الكفاءة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

وقد أظهر البحث الآن طريقة لتمكين أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام كيوبتات بصرية قابلة للبرمجة أو "كيوبتات فوتون الدوران" التي يمكنها ربط العقد الكمومية عبر شبكة بعيدة. 

وفي شرحها لأهمية البحث والنتائج التي توصل إليها، أدلت كوشاليا جهوريا، وهي باحثة ما بعد الدكتوراه في قسم تكنولوجيا المسرعات والفيزياء التطبيقية في مختبر بيركلي، بالملاحظة التالية:

"لإنشاء بنية أو شبكة كمومية قابلة للتطوير، نحتاج إلى كيوبتات يمكن أن تتشكل بشكل موثوق عند الطلب، في المواقع المرغوبة، حتى نتمكن من معرفة مكان الكيوبت. يقع في مادة ما. ولهذا السبب يُعد نهجنا بالغ الأهمية. فبمجرد أن نعرف مكان كيوبت معين، يمكننا تحديد كيفية ربطه بمكونات أخرى في النظام وإنشاء شبكة كمية.

ولكن كيف يحقق البحث هذا الهدف؟ ويتم ذلك عن طريق تكوين كيوبتات في السيليكون مع تحكم قابل للبرمجة. 

قصة "مراكز ألوان السيليكون" و"كيوبتات الفوتون الدوراني"

بدعم من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، دراسة استخدمت بيئة غازية لإنشاء عيوب قابلة للبرمجة تُعرف باسم "مراكز الألوان" في السيليكون. مراكز الألوان هذه مرشحة لـ "الكيوبتات الكمومية للفوتون" أو الكيوبتات الخاصة للاتصالات.

البت الكمي أو الكيوبت هو وحدة أساسية للمعلومات الكمومية. يقوم هذا أصغر مكون في نظام المعلومات الكمي بتشفير البيانات في 1 أو 0 أو كل شيء بينهما، وهو ما يعرف بالتراكب. وفي الوقت نفسه، تبعث البتات الكمومية للفوتون المغزلي فوتونات لها القدرة على حمل المعلومات المشفرة في دوران الإلكترون عبر مسافات كبيرة.

الآن، لتشكيل هذه الكيوبتات الخاصة التي يمكن أن تساعد في دعم شبكة كمومية آمنة بدقة، استخدمت الدراسة ليزرًا فائق السرعة قادرًا على إصدار نبضات طاقة في فمتوثانية فقط - كل نبضة قصيرة مثل كوادريليون من الثانية، تستهدف مساحة لا تزيد عن جزيء غبار.

عند فحص الإشارات الضوئية (التألق الضوئي) لمراكز الألوان الناتجة باستخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء القريبة بغرض تحديد خصائصها، وجد الفريق مركز Ci، وهو باعث كمي. يتمتع مركز Ci ببنية بسيطة وخصائص دوران واعدة مع كونه مستقرًا في درجة حرارة الغرفة، مما يجعله مرشحًا مثيرًا للإعجاب للفوتون الكمي الذي يصدر فوتونات في نطاق الاتصالات أو التردد. وفقا لجوريا:

"لقد علمنا من الأدبيات أن Ci يستطيع ذلك يتم تشكيلها في السيليكون، لكننا لم نتوقع أن نتمكن بالفعل من صنع هذا المرشح الجديد لفوتون الدوران باستخدام نهجنا". 

ومن المثير للاهتمام أن زيادة شدة ليزر الفيمتوثانية عند معالجة السيليكون بوجود الهيدروجين يمكن أن تزيد أيضًا من حركية الهيدروجين. وهذا بدوره يُخمد مراكز الألوان غير المرغوب فيها مع الحفاظ على شبكة السيليكون سليمة.

أكد التحليل النظري أيضًا ملاحظات التجربة التي تفيد بأن سطوع مركز ألوان Ci يمكن تعزيزه بشكل كبير في وجود الهيدروجين. وكما أوضح جوريا، لا يمكن لنبضات الليزر أن تنطلق فحسب، بل يمكنها أيضًا إعادة ذرات الهيدروجين مرة أخرى، "مما يسمح بتكوين الكيوبتات الضوئية المطلوبة القابلة للبرمجة في مواقع محددة". 

إن إنشاء مراكز الألوان بشكل موثوق هو مجرد البداية؛ الآن، يريد الفريق الحصول على كيوبتات مختلفة للتحدث مع بعضها البعض ومعرفة أي منها يحقق أفضل أداء. 

"إن القدرة على تشكيل الكيوبتات في مواقع قابلة للبرمجة في مادة مثل السيليكون المتوفرة على نطاق واسع هي خطوة مثيرة نحو الشبكات الكمومية العملية والحوسبة."

– كاميرون جيديس، مدير قسم ATAP

سيتم استخدام هذه التقنية بعد ذلك لدمج البتات الكمومية الضوئية في الأجهزة الكمومية مثل الأدلة الموجية بالإضافة إلى العثور على مرشحين جدد للبت الكمومي للفوتون مع خصائص محسنة لتطبيقات مختارة.

أساليب جديدة لتحقيق الحوسبة الكمومية: العمل مع الجزيئات

اكتسب مجال الحوسبة الكمومية اهتمامًا كبيرًا على مر السنين، حيث يعمل الباحثون باستمرار على إيجاد تقنيات جديدة لتحقيق ذلك. يعد التعامل مع الجزيئات العضوية مجالًا تتم دراسته لتطبيقه المحتمل في الحوسبة الكمومية. 

قام فريق TU Graz بالتحقيق في كيفية تحفيز الجزيئات المختصة باستخدام نبضات ضوء الأشعة تحت الحمراء لإنشاء مجالات مغناطيسية صغيرة. إذا تم تطوير هذه التقنية بنجاح في التجارب، فيمكن استخدامها حتى في دوائر الكمبيوتر الكمومية.

هذه وذلك لأن التلاعب الانتقائي للأشعة تحت الحمراء يجعل من الممكن التحكم في اتجاه وقوة المجال المغناطيسي. يؤدي القيام بذلك إلى تحويل الجزيئات إلى مفاتيح ضوئية عالية الدقة، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك لبناء دوائر للكمبيوتر الكمي، وفقًا لأندرياس هاوزر من معهد الفيزياء التجريبية في جامعة غراتس التقنية.

في حين أن التفاعلات بين الاهتزازات الجزيئية ومغناطيسية الدوران موثقة جيدًا في التحليل الطيفي بالموجات الدقيقة، فإن هذه الدراسة تقترح طرقًا لإثارة الاهتزازات الجزيئية التي تولد مجالًا مغناطيسيًا في المواقع المستهدفة.

تحفيز الجزيئات بواسطة أشعة الليزر تحت الحمراء لتكوين مجالات مغناطيسية

عند تشعيعها بالأشعة تحت الحمراء، تبدأ الجزيئات في الاهتزاز بسبب إمدادات الطاقة. وباستخدام هذه الظاهرة كنقطة انطلاق، بدأ الفيزيائيون العمل على معرفة ما إذا كان من الممكن في الواقع استخدام هذه الاهتزازات لتوليد مجالات مغناطيسية.

ولإجراء حساباتهم، استخدم هاوزر وفريقه الفثالوسيانين المعدني كمثال. وجد الفريق أنه بسبب التماثل العالي لجزيئات الصبغة المستوية العطرية ذات الشكل الدائري، فإنها تولد مجالات مغناطيسية صغيرة في نطاق النانومتر (أقل من 1 نانومتر) عند تعرضها لنبضات الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على ذلك، ينبغي أن يكون من الممكن قياس قوة المجال المنخفض ولكن الموضعي بدقة عبر التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.

بالإضافة إلى الاستفادة من العمل من الأيام الأولى لعلم مطيافية الليزر، استخدم الفريق أيضًا نظرية بنية الإلكترون الحديثة على أجهزة الكمبيوتر العملاقة لحساب كيفية عمل جزيئات الفثالوسيانين الحلقية الكبيرة عند تعرضها للضوء عبر ضوء الأشعة تحت الحمراء المستقطب دائريًا. 

وجد الفريق أن موجات الضوء المستقطبة دائريًا تثير اهتزازين جزيئيين في وقت واحد بزوايا قائمة لبعضهما البعض. أوضح هاوزر إعجابه بتقنية الرومبا:

"إن الجمع الصحيح بين الأمام والخلف واليسار واليمين يخلق حلقة صغيرة مغلقة. وهذه الحركة الدائرية لكل نواة ذرية متأثرة تخلق في الواقع مجالًا مغناطيسيًا، ولكن محليًا فقط، بأبعاد في نطاق بضعة نانومترات. 

هذا كله مجرد نظري، على أية حال. وسيعمل الفريق الآن على إثبات إمكانية توليد المجالات المغناطيسية الجزيئية بطريقة خاضعة للرقابة بشكل تجريبي حتى يمكن الاستفادة منها فعليًا. 

لإجراء التجربة، يتعين عليهم تحديد ركيزة تتفاعل بشكل طفيف مع العمليات المستهدفة، لأن التطبيقات القادمة تتطلب وضع جزيء الفثالوسيانين على سطح. إلا أن ذلك يُغير الظروف الفيزيائية، مما يؤثر بدوره على الإثارة الناتجة عن الضوء وخصائص المجال المغناطيسي.

لذا، قبل أن يتم اختباره فعليًا في التجارب، يجب على الفريق أولًا حساب التفاعل بين الفثالوسيانين المترسب، والأشعة تحت الحمراء، والمواد الداعمة. إذا أكدت التجربة التغييرات المتوقعة في ثوابت التدريع المغناطيسي، كما تقول الدراسة، فيمكن اعتبارها أول قياس للمجال المغناطيسي الذي يتم إنشاؤه اهتزازيًا، مع دقة داخل الجزيئات. 

انقر هنا لمعرفة المزيد هيرون وكوندور، أحدث التطورات في الحوسبة الكمومية.

الشركات التي تعمل على تطوير مجال الحوسبة الكمومية

هناك العديد من الشركات، مثل Microsoft وIntel وD-Wave، تعمل على تطوير الحوسبة الكمومية. يعد IBM اسمًا بارزًا يركز على الحوسبة الكمومية لسنوات عديدة حتى الآن. في الآونة الأخيرة فقط، ذلك شراكة بالتعاون مع المعهد الوطني الياباني للعلوم والتكنولوجيا الصناعية المتقدمة (AIST) لمساعدته على إنتاج حاسوب كمي يحتوي على 10,000 كيوبت قبل نهاية هذا العقد. لذا، في خضم كل هذا التطور، دعونا نلقي نظرة أعمق على بعض الأسماء المهمة الأخرى في هذا القطاع:

# 1. جوجل 

لقد بذل عملاق التكنولوجيا الكثير من الجهد في بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية على مدار السنوات العديدة الماضية. في عام 2019، أظهرت جوجل لأول مرة أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكنها تشغيل خوارزمية سيكون من المستحيل على الكمبيوتر العملاق التقليدي التعامل معها.

في العام الماضي، طُرح معالج جوجل الكمي "سيكامور" بسعة 70 كيوبت، وهو ما يمثل قفزة نوعية مقارنةً بإصداره السابق الذي احتوى على 53 كيوبت. هذا يجعله أسرع وأكثر متانة بنحو 241 مليون مرة من الطراز السابق. في الوقت نفسه، يحاكي حاسوب جوجل الكمي الجديد سلوك المغناطيس بدقة متناهية، ويمكن أن يساعدنا في فهم أعمق للمغناطيسية.

فيما يتعلق بالحوسبة الكمومية، تستخدم Google نهج المكدس الكامل، والذي يشمل التكامل السلس بين مكونات الأجهزة والبرامج. تدير الشركة حاليًا مسابقة عالمية مدتها 3 سنوات بقيمة 5 ملايين دولار تسمى XPRIZE Quantum Applications لتطوير مجال الخوارزميات الكمومية.

مع القيمة السوقية البالغة 2.2 تريليون دولار، يتم تداول أسهم Google عند 177.08 دولارًا، بزيادة 26.88٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) البالغة 6.52، ومضاعف الربحية (TTM) البالغ 27.18، وعائد الأرباح بنسبة 0.45٪. بالنسبة للربع الأول من عام 1، سجلت الشركة إيرادات بلغت 2024 مليار دولار، بزيادة 80.5% على أساس سنوي، بينما توسع هامش التشغيل إلى 15%.

# 2. ديل 

بدأت شركة التكنولوجيا هذه أيضًا في اتخاذ بعض الخطوات الملموسة في مجال الحوسبة الكمومية. قدمت شركة Dell مؤخرًا منصة هجينة كلاسيكية/كمية تم تطويرها باستخدام IonQ. كما أعلنت عن تعاونها مع أرامكو لاستكشاف التطورات في الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة المتطورة. وتهدف أرامكو وديل معًا إلى مواجهة التحديات المعقدة في مجالات تحسين الطاقة، ونمذجة الطقس، وعلوم المواد، والصيانة التنبؤية من خلال الحوسبة الكمومية. 

وفقًا للمديرة التنفيذية لشركة Dell Technologies Ireland كاثرين دويل، ستساعد الحوسبة الكمومية أيضًا في تقدم الذكاء الاصطناعي لأنه "يصبح متشابكًا في المستقبل القريب".

مع القيمة السوقية البالغة 100.74 مليار دولار، يتم تداول أسهم Dell حاليًا عند 144.50 دولارًا، بزيادة 85.66٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) البالغة 4.36، ومضاعف الربحية (TTM) البالغ 32.55، وعائد الأرباح 1.25٪. وفي الربع الأول من عام 1، سجلت الشركة إيرادات بقيمة 2024 مليار دولار أمريكي وصافي دخل قدره 22.2 مليون دولار أمريكي.

الخاتمة

أصبحت الحوسبة الكمومية مجالًا متزايدًا من الاهتمام للباحثين والمنظمات والحكومات. نظرًا لقدرتها على توفير السرعة العالية والأمان المعزز والمزيد من الكفاءة والمحاكاة الدقيقة والتحليل المحسن، فمن المنطقي أن يكون هناك تركيز متزايد جنبًا إلى جنب مع استمرار البحث والاستثمار، مما قد يؤدي أخيرًا إلى تحول الحوسبة الكمومية إلى حقيقة واقعة. تطبيقه عبر القطاعات.

انقر هنا للتعرف على الوضع الحالي للحوسبة الكمومية.