بناء الجيل التالي من الحواسيب باستخدام المنبعثات الكمومية والليزر تحت الأحمر

تاريخ الحواسيب مرتبط بتاريخ التكنولوجيا الحديثة. بدأ كل ذلك في القرن التاسع عشر، عندما اخترع في عام 1801 التاجر والمخترع الفرنسي ماري جاكارده نولًا يستخدم بطاقات خشبية مثقوبة لنسج تصاميم الأقمشة تلقائيًا.

مع ذلك، كان أهم تقدم في الحوسبة الآلية في ذلك القرن عندما صمم الرياضي الإنجليزي تشارلز باباج آلة حسابية تعمل بالبخار قادرة على حساب جداول الأرقام. جاء الاختراع الأكثر ثورية في القرن العشرين عام 1936 من ألان تورينغ، عالم رياضيات وباحث بريطاني، الذي قدم آلة عامة سُميت لاحقًا بآلة تورينغ. يؤكد العلماء أن مفهوم الحواسيب الحديثة يعتمد أساسًا على أفكار ألان تورينغ.

منذ ذلك الحين، كان هناك سلسلة من التقدم. في عام 1939، أسس ديفيد باكارد وبيل هيويت شركة هيوليت باكارد، وفي عام 1953، طورت غريس هوبر أول لغة حاسوب، COBOL، تلاها جون باكوس وفريقه من المبرمجين في شركة IBM الذين نشروا ورقة تصف لغة البرمجة التي أنشأوها حديثًا، FORTRAN.

تدفق الاختراعات التي أغنت تكنولوجيا الحوسبة على مر السنين ركّز على جوانب متعددة. أحيانًا كان ذلك تطوير لغة أو برنامج ثوري، وأحيانًا أخرى كان جهازًا ماديًا حاسمًا. تستمر مثل هذه الاختراعات في الظهور، مما يساعد على بناء الجيل التالي من الحواسيب، وهو شيء ‘مستقبلي’ بحق في أعمق معاني الكلمة.

في الفقرات التالية، سنستعرض اختراعين من هذا النوع يتضمنان المنبعثات الكمومية والليزر تحت الأحمر. 

التحرك نحو اختراق كبير: حاسوب كمومي قابل للتوسع

يأتي هذا الإنجاز من فريق من الباحثين بقيادة مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي). يدعي الباحثون أنهم نجحوا في محاولتهم استخدام طبقة فمتوثانية لإنشاء و’إلغاء’ الكيوبتات عن طريق تطعيم السيليكون بالهيدروجين. وأكد الباحثون أنهم قادرون على تنفيذ هذه العملية عند الطلب وبدقة. 

ولكن، لكي نستوعب أهمية البحث بأقصى قدر، يجب أن نعرف ما هي الكيوبتات ولماذا هي مهمة! 

الحاجة إلى ربط مليارات الكيوبتات معًا

Quantum computers could prove pathbreaking in their ability to solve problems a million times faster than some of the most advanced supercomputers currently available. These machines have the potential to usher in revolutionary breakthroughs in areas such as healthcare, pharmaceuticals, and artificial intelligence. But for all these to happen, the industry would have to devise a way to string together billions of الكيوبتات أو البتات الكمومية, leading to the ultimate development of a highly efficient network of quantum computers.

أظهر البحث الآن طريقة لتعزيز الحواسيب الكمومية باستخدام كيوبتات بصرية قابلة للبرمجة أو ‘كيوبتات الفوتون-الدوار’ التي يمكنها ربط العقد الكمومية عبر شبكة بعيدة. 

أثناء شرح أهمية البحث والنتائج التي حصل عليها، أدلت كاوشاليا جوريا، الباحثة ما بعد الدكتوراه في قسم تكنولوجيا المسرعات والفيزياء التطبيقية (ATAP) بمختبر بيركلي، بالتعليق التالي:

“لإنشاء بنية أو شبكة كمومية قابلة للتوسع، نحتاج إلى كيوبتات يمكن أن تتشكل بشكل موثوق عند الطلب، وفي المواقع المطلوبة، بحيث نعرف أين يقع الكيوبت داخل المادة. وهذا هو سبب أهمية نهجنا. لأنه بمجرد أن نعرف مكان وجود كيوبت معين، يمكننا تحديد كيفية ربط هذا الكيوبت بالمكونات الأخرى في النظام وإنشاء شبكة كمومية.”

ولكن كيف يحقق البحث هذا الهدف؟ يتم ذلك عن طريق تشكيل كيوبتات في السيليكون باستخدام تحكم برمجي. 

قصة ‘مراكز اللون’ في السيليكون و’كيوبتات الفوتون-الدوار’

بدعم من مكتب العلوم بوزارة الطاقة (DOE)، استخدمت الدراسة بيئة غازية لإنشاء عيوب قابلة للبرمجة تُعرف بـ “مراكز اللون” في السيليكون. تُعد هذه المراكز مرشحة لتكون “كيوبتات الفوتون-الدوار” أو كيوبتات اتصالات خاصة.

الكم أو بت الكيوبت هو الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية. هذا المكوّن الأصغر في نظام المعلومات الكمومية يُشفّر البيانات في 1 أو 0 أو أي حالة بينهما، وهو ما يُعرف بالتراكب. وفي الوقت نفسه، تُصدر كيوبتات الفوتون-الدوار فوتونات قادرة على نقل المعلومات المشفرة في دوران الإلكترون عبر مسافات طويلة.

الآن، لتشكيل هذه الكيوبتات الخاصة التي يمكنها دعم شبكة كمومية آمنة بدقة، استخدمت الدراسة ليزرًا فائق السرعة قادرًا على إصدار نبضات طاقة في فمتوثانية فقط—كل نبضة تستغرق جزءًا من كوادريليون من الثانية، موجهة إلى مساحة لا تتجاوز حجم جسيم غبار.

عند فحص الإشارات البصرية (الضوء الفلوري) للمراكز اللونية الناتجة باستخدام كاشف قريب من الأشعة تحت الحمراء بهدف توصيفها، وجد الفريق مركزًا يُدعى Ci، وهو مصدر كمومي. يتمتع مركز Ci بهيكل بسيط وخصائص دوارة واعدة، وهو ثابت عند درجة حرارة الغرفة، مما يجعله مرشحًا مثيرًا للإعجاب لكيوبت الفوتون-الدوار الذي يُصدر فوتونات في نطاق الاتصالات أو التردد. وفقًا لجوريا:

“كنا نعلم من الأدبيات أن Ci يمكن تكوينه في السيليكون، لكننا لم نتوقع أن نتمكن فعليًا من صنع هذا المرشح الجديد لكيوبت الفوتون-الدوار باستخدام نهجنا.” 

ومن المثير للاهتمام أن زيادة شدة الليزر الفمتوثاني أثناء معالجة السيليكون في وجود الهيدروجين يمكن أن تزيد أيضًا من حركة الهيدروجين. وهذا بدوره يُعادل المراكز اللونية غير المرغوب فيها بينما يترك بنية السيليكون غير متضررة.

أكد التحليل النظري أيضًا ملاحظات التجربة أن سطوع مركز اللون Ci يمكن تعزيزه بشكل كبير في وجود الهيدروجين. كما أوضحت جوريا، يمكن للنبضات الليزرية ليس فقط طرد ذرات الهيدروجين بل وإعادتها، “مما يسمح بتكوين كيوبتات بصرية مرغوبة في مواقع دقيقة ببرمجة”. 

إن صنع مراكز اللون بشكل موثوق هو مجرد البداية؛ الآن، يرغب الفريق في جعل كيوبتات مختلفة تتواصل مع بعضها البعض ومعرفة أيها يقدم الأداء الأفضل. 

“القدرة على تشكيل كيوبتات في مواقع قابلة للبرمجة داخل مادة مثل السيليكون المتوفرة على نطاق واسع هي خطوة مثيرة نحو شبكات وحوسبة كمومية عملية.”

– كاميرون جيدس، مدير قسم ATAP

ستُستخدم التقنية لاحقًا لإدماج كيوبتات بصرية في أجهزة كمومية مثل الموجّات الموجية، وكذلك لاكتشاف مرشحين جدد لكيوبتات الفوتون-الدوار بخصائص مُحسّنة للتطبيقات المختارة.

نهج جديدة لتحقيق الحوسبة الكمومية: العمل مع الجزيئات

اكتسب مجال الحوسبة الكمومية زخمًا كبيرًا على مر السنين، حيث يعمل الباحثون باستمرار على إيجاد تقنيات جديدة لتحقيقها. يُعد تعديل الجزيئات العضوية مجالًا يُدرَس لإمكاناته في تطبيقات الحوسبة الكمومية. 

بحث فريق في جامعة TU Graz كيفية تحفيز الجزيئات الفعّالة باستخدام نبضات ضوء تحت الأحمر لإنشاء حقول مغناطيسية صغيرة. إذا تم تطوير هذه التقنية بنجاح في التجارب، يمكن استخدامها حتى في دوائر الحواسيب الكمومية.

ذلك لأن التلاعب الانتقائي بالضوء تحت الأحمر يجعل من الممكن التحكم في اتجاه وشدة المجال المغناطيسي. يؤدي ذلك إلى تحويل الجزيئات إلى مفاتيح بصرية عالية الدقة، والتي يمكن استخدامها لاحقًا لبناء دوائر لحاسوب كمومي، وفقًا لأندرياس هاوزر من معهد الفيزياء التجريبية في جامعة TU Graz.

While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.

تحفيز الجزيئات بالليزر تحت الأحمر لتكوين حقول مغناطيسية

عند تعرضها للضوء تحت الأحمر، تبدأ الجزيئات بالاهتزاز نتيجة للطاقة المزوّدة. باستخدام هذه الظاهرة كنقطة انطلاق، بدأ الفيزيائيون في البحث عما إذا كان من الممكن استخدام هذه الاهتزازات لتوليد حقول مغناطيسية.

في حساباتهم، استخدم هاوزر وفريقه الفثالوسيانينات المعدنية كمثال. وجد الفريق أنه بسبب التماثل العالي لهذه الجزيئات الحلقية، الصبغية المستوية، تُولد حقولًا مغناطيسية صغيرة في نطاق النانومتر (< 1 nm) عند تعرضها لنبضات تحت حمراء. بناءً على ذلك، يجب أن يكون قياس قوة المجال الضعيف ولكن المحدد بدقة عبر مطيافية الرنين المغناطيسي النووي ممكنًا.

بالإضافة إلى الاستفادة من أعمال مطيافية الليزر في أيامها الأولى، استخدم الفريق أيضًا نظرية البنية الإلكترونية الحديثة على الحواسيب الفائقة لحساب سلوك جزيئات الفثالوسيانين الكبيرة الدائرية عند تعرضها للضوء عبر ضوء تحت أحمر مستقطب دائريًا. 

وجد الفريق أن موجات الضوء المستقطبة دوائرًا تحفّز اهتزازين جزيئيين في آنٍ واحد بزاوية قائمة على بعضهما. مشبهًا ذلك بتقنية الرومبا، أوضح هاوزر:

“المزيج الصحيح من الحركة للأمام-للخلف واليمين-اليسار يخلق حلقة صغيرة مغلقة. وهذه الحركة الدائرية لكل نواة ذرية متأثرة تُنتج فعليًا مجالًا مغناطيسيًا، ولكن محليًا جدًا، بأبعاد تتراوح في نطاق بضعة نانومترات.” 

كل هذا نظري فقط، مع ذلك. سيعمل الفريق الآن على إثبات أن الحقول المغناطيسية الجزيئية يمكن توليدها بطريقة مُتحكم فيها تجريبيًا حتى يمكن استخدامها فعليًا. 

مع ذلك، يحتاجون في التجربة إلى تحديد ركيزة تتفاعل بأقل قدر ممكن مع العمليات المستهدفة، لأن التطبيقات المستقبلية تتطلب وضع جزيء الفثالوسيانين على سطح. ومع ذلك، يؤدي ذلك إلى تعديل الظروف الفيزيائية، مما يؤثر على الإثارة التي يسببها الضوء وخصائص المجال المغناطيسي.

لذلك، قبل أن يتم اختبار ذلك فعليًا في التجارب، يجب على الفريق أولاً حساب التفاعل بين الفثالوسيانينات المترسبة، والضوء تحت الأحمر، ومادة الدعم. إذا أكدت التجربة التغييرات المتوقعة في ثوابت الحماية المغناطيسية، تقول الدراسة، يمكن اعتبار ذلك أول قياس لمجال مغناطيسي تم إنشاؤه بالاهتزاز، بدقة داخل الجزيء. 

انقر هنا لتتعرف على Heron & Condor، أحدث التطورات في الحوسبة الكمومية.

الشركات التي تدفع مجال الحوسبة الكمومية إلى الأمام

هناك عدة شركات، مثل مايكروسوفت وإنتل وD-Wave، تعمل على تطوير الحوسبة الكمومية. تُعد IBM اسمًا بارزًا يركز على الحوسبة الكمومية منذ سنوات عديدة. مؤخرًا، قامت شراكة مع المعهد الوطني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا الصناعية في اليابان (AIST) لمساعدتهم في إنتاج حاسوب كمومي يحتوي على 10,000 كيوبت قبل انتهاء هذا العقد. لذا، وسط كل هذا التطور، دعونا نلقي نظرة أعمق على بعض الأسماء المهمة الأخرى في هذا القطاع:

#1. جوجل 

تُبذل الشركة التقنية العملاقة الكثير من الجهد في بناء حواسيب كمومية على مدار سنوات عديدة. في عام 2019، أظهرت جوجل للمرة الأولى أن الحواسيب الكمومية يمكنها تشغيل خوارزمية ستكون مستحيلة على حاسوب فائق تقليدي. (MSFT ) (INTC )

في العام الماضي، تم تقديم معالج جوجل الكمومي Sycamore الذي يحتوي على 70 كيوبت، قفزة من النسخة السابقة التي كانت 53 كيوبت. يجعل ذلك الأداء أسرع بحوالي 241 مليون مرة وأكثر صلابة من النموذج السابق. في الوقت نفسه، يحاكي الحاسوب الكمومي الجديد لجوجل سلوك المغناطيسات بتفصيل كبير ويمكن أن يساعدنا في فهم أعمق للمغناطيسية.

فيما يتعلق بالحوسبة الكمومية، تستخدم جوجل نهجًا كاملًا يشمل التكامل السلس بين مكونات الأجهزة والبرمجيات. تُدير الشركة حاليًا مسابقة عالمية مدتها 3 سنوات بميزانية 5 ملايين دولار تُدعى XPRIZE Quantum Applications لتطوير مجال الخوارزميات الكمومية.

برأس مال سوقي يبلغ 2.2 تريليون دولار، تُتداول أسهم جوجل عند 177.08 دولار، بارتفاع 26.88٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) قدرها 6.52، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 27.18، وعائد توزيعات 0.45٪. في الربع الأول من عام 2024، سجلت الشركة إيرادات قدرها 80.5 مليار دولار، بارتفاع 15٪ مقارنة بالعام السابق، بينما ارتفع هامش التشغيل إلى 32٪.

#2. ديل 

بدأت هذه الشركة التقنية أيضًا في اتخاذ خطوات ملموسة في مجال الحوسبة الكمومية. مؤخرًا، قدمت ديل منصة هجينة تجمع بين الحوسبة الكلاسيكية والكمومية تم تطويرها بالتعاون مع IonQ. كما أعلنت عن تعاون مع أرامكو لاستكشاف التطورات في الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي والحوسبة الطرفية. سويًا، يهدف كل من أرامكو وديل إلى معالجة التحديات المعقدة في مجالات تحسين الطاقة، ونمذجة الطقس، وعلوم المواد، والصيانة التنبؤية عبر الحوسبة الكمومية.

وفقًا لكاثرين دويل، المديرة العامة لشركة Dell Technologies (DELL ) في أيرلندا، ستساعد الحوسبة الكمومية أيضًا في تقدم الذكاء الاصطناعي حيث “ستصبح متشابكة في المستقبل القريب.”

برأس مال سوقي يبلغ 100.74 مليار دولار، تُتداول أسهم ديل حاليًا عند 144.50 دولار، بارتفاع 85.66٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) 4.36، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) 32.55، وعائد توزيعات 1.25٪. في الربع الأول من عام 2024، سجلت الشركة إيرادات قدرها 22.2 مليار دولار وصافي ربح قدره 60 مليون دولار.

الخلاصة

كانت الحوسبة الكمومية مجالًا متزايد الاهتمام به للباحثين والمؤسسات والحكومات. نظرًا لقدرتها على تقديم سرعة عالية، وأمان محسّن، وكفاءة أكبر، ومحاكاة دقيقة، وتحليل متطور، فمن المنطقي أن يكون هناك تركيز متزايد إلى جانب استمرار البحث والاستثمار، مما قد يجعل الحوسبة الكمومية حقيقة واقعة وتطبيقها عبر القطاعات.

انقر هنا لتتعرف على الحالة الحالية للحوسبة الكمومية.