يصبح «أوسيلوت» في معهد كالتيك أحدث تقدم في القضاء على الأخطاء في الحوسبة الكمومية

في العام الماضي، نشرت شركة ماكنزي آند كومباني تقريرًا شاملاً يرسم مسار مستقبل الحوسبة الكمومية. سُمي التقرير بطموح “صعود الحوسبة الكمومية”. ومع ذلك، لم تكن الطموحات بلا أساس.

قالت ماكنزي إن رحلة الحوسبة الكمومية مدفوعة بالوتيرة المتسارعة للابتكارات التقنية، وتدفق الاستثمارات المتزايد، وانتشار نظام الشركات الناشئة.

كل هذه العوامل كانت مسؤولة عن دفع قادة الأعمال لتخطيط استراتيجيات حوسبة كمومية قوية. يكشف التحليل المحدث من ماكنزي للمتابعة السنوية الثالثة لتقنية الكم أن أربعة قطاعات—الكيميائيات، علوم الحياة، المالية، والتنقل—من المحتمل أن تشهد التأثير الأولي من الحوسبة الكمومية وقد تحقق ما يصل إلى 2 تريليون دولار بحلول عام 2035.

لكي تنمو الحوسبة الكمومية كما تتصور ماكنزي، تحتاج إلى نظام إبداعي مزدهر. في أحد أكثر الاختراقات تقدمًا في هذا الصدد، اكتشف العلماء في مركز AWS للحوسبة الكمومية في حرم معهد كالتيك¹ طريقة لقمع الأخطاء في الحواسيب الكمومية—مشكلة قد تصبح أكبر عقبة في بناء آلات كمومية جاهزة للمستقبل. 

ما هي ‘المشكلة’؟

إن بناء حاسوب كمومي عام يتجاوز دراسة المجالات المتخصصة في الفيزياء لا يزال تحديًا بسبب حساسيته المتأصلة للضوضاء. وجد الباحثون أن الاهتزازات، والحرارة، والتداخل الكهرومغناطيسي من الهواتف المحمولة وشبكات الواي‑فاي، وحتى الأشعة الكونية والإشعاع من الفضاء الخارجي يمكن أن تُخرج الكيوبتات—البتات الكمومية—من حالتها الكمومية وتسبب أخطاءً أكثر بكثير من الحواسيب التقليدية.

لتوضيح ذلك بدقة علمية أكبر، يهدف البحث بعنوان “تصحيح الأخطاء الكمومية الفعال من حيث العتاد عبر الكيوبتات البوزونية المتسلسلة” إلى بناء حواسيب كمومية تتضمن تصحيح الأخطاء الكمومية. سيحتوي على كيوبت منطقي مشفر بشكل مكرر في العديد من الكيوبتات الفيزيائية الضوضائية.

أوسيلوت: الحل

بكلمات أبسط، أظهر فريق العلماء من AWS ومعهد كالتيك بنية شريحة كمومية جديدة لقمع الأخطاء باستخدام نوع من الكيوبت يُعرف باسم كيوبت القط.

كيوبت القط ليست جديدة، فقد تم اقتراحها لأول مرة في عام 2001. ومنذ ذلك الحين، استمر الباحثون في تطويرها وتحسينها. جاء الاختراق للفريق مع إنشاء أول شريحة كيوبت قط قابلة للتوسع، صُممت لتقليل الأخطاء الكمومية بكفاءة. سُميت الشريحة بأوسيلوت نسبة إلى القط البري المرقط وكذلك إشارة إلى تقنية “المذبذب” الداخلية التي تدعم كيوبت القط.

وفقًا للباحثين، يجب أن تكون معدلات الأخطاء أفضل بمليار مرة مما هي عليه اليوم. فقط عندها يمكن اعتبار الحواسيب الكمومية ناجحة. سيساعد الاختراع الجديد في الوصول إلى الهدف أسرع:

معدلات الأخطاء تنخفض بحوالي عامل اثنين كل عامين. بهذا المعدل، سيستغرقنا 70 سنة للوصول إلى ما نحتاجه. بدلاً من ذلك، نحن نطور بنية شريحة جديدة قد تمكننا من الوصول أسرع. ومع ذلك، هذا مجرد مكوّن بناء مبكر. لا يزال أمامنا الكثير من العمل.

أشار الباحثون، مع إبراز عيوب تقنيات الكيوبت الحالية، إلى أنها قد تحتاج إلى آلاف الكيوبتات الإضافية لتوفير المستوى المطلوب من الحماية من الأخطاء، وهو ما يشبه استخدام وسائل الإعلام لمجموعة ضخمة من المدققين للتحقق من صحة مقالاتها بدلاً من فريق صغير. يجعل ذلك العملية تنهار بسبب تكلفة النفقات الزائدة، التي تكون مفرطة وصعبة الإدارة.

يعترف فرناندو برانداو، أستاذ برين للفيزياء النظرية في معهد كالتيك ومدير العلوم التطبيقية في AWS، بهذه المشكلة. يقول:

إذن، نحن نجرب نهجًا جديدًا لتصحيح الأخطاء سيقلل من النفقات الزائدة.

تقنية التذبذب في أساس أوسيلوت

يستخدم الفريق نوعًا من الكيوبت المكوّن من دوائر فائقة التوصيل مصنوعة من المذبذبات الميكروية، حيث تُعرّف حالتا 1 و0—التي تمثل الكيوبت—كامتدادات تذبذب كبيرة ومتميزة. يهدف هذا النهج إلى جعل حالات الكيوبت مستقرة ومقاومة لأخطاء انعكاس البت.

بعد معالجة أخطاء انعكاس البت، يبقى الخطأ الآخر الذي يجب تصحيحه هو خطأ انعكاس الطور. لاكتشاف أخطاء الطور، تستخدم شريحة أوسيلوت أربعة كيوبتات مساعدة.

يُعد رمز التكرار البسيط للفريق فعالًا في التقاط أخطاء انعكاس الطور ويتحسن مع زيادة الرمز من ثلاثة كيوبتات قط إلى خمسة كيوبتات قط.

الطريق إلى الأمام للبحث

حاليًا، العرض في مرحلة إثبات المفهوم. لكن الباحثين المشاركين في العملية، مثل باينتر، متحمسون للأداء الذي أظهرته أوسيلوت. يقول:

إنها مشكلة صعبة جدًا للتعامل معها، وسنحتاج إلى الاستمرار في الاستثمار في البحث الأساسي مع البقاء على اتصال وتعلم من الأعمال المهمة التي تُجرى في الأوساط الأكاديمية.

كما ألمح باينتر، هذه التحسينات تحتاج إلى رعاة من الشركات. يتطلب ذلك استثمارات للتوسع. في الفقرات التالية، نناقش بعض الشركات التي تقوم بأعمال مهمة في مجال الحوسبة الكمومية.

1. آي بي إم (IBM )

آي بي إم، العملاق التقني العالمي الموقر، لا يزال ملتزمًا بجعل الحوسبة الكمومية عملية للعالم. تدير قسمًا مخصصًا، IBM Quantum، الذي يتيح الوصول إلى أكبر أسطول حوسبة كمومية في العالم عبر Qiskit—منصة توفر أدوات وخدمات برمجية لإنشاء نموذج برمجة شامل للاستخدام.

على سبيل المثال، QuantumSafe من آي بي إم يؤمن مؤسسة للمستقبل الكمومي، مقدماً أنظمته ذات 127 كيوبت مجانًا. بالإضافة إلى ذلك، توفر المنصة وصولًا إلى الأنظمة، والوثائق، وموارد التعلم في مكان واحد.

تلتزم الشركة بجعل الحوسبة الكمومية مسؤولة. بيان مهمة الشركة في هذا الصدد هو أن تكون “المحفز لجعل العالم يعمل بشكل أفضل”، وتدير مبادرة الحوسبة الكمومية المسؤولة لضمان أن تطويرنا يتماشى مع تلك المهمة.

وفقًا لآي بي إم، الحوسبة الكمومية المسؤولة هي حوسبة كمومية تدرك آثارها. صاغت الشركة خمسة مبادئ للحوسبة الكمومية المسؤولة لتطوير ونشر التقنية الكمومية التي يتبعها الفريق داخليًا. هذه المبادئ هي كما يلي:

• إحداث تأثير إيجابي على المجتمع.
• استكشاف حالات الاستخدام بوعي مستقبلي.
• الترويج لمنتجات آي بي إم بدقة
• اتخاذ قرارات متسقة ومبدئية
• بناء مجتمع كمومي متنوع وشامل

مع التقدم المستمر على خارطة طريق IBM Quantum™، تقوم الشركة بترقية منصتها الكمومية لتقديم خدمات سحابية على مستوى المؤسسات.

بشكل أكثر تحديدًا، تقوم الشركة بالترقية باستخدام بنية تحتية على مستوى المؤسسات. ومع ذلك، للحفاظ على سلاسة الاستخدام للمستخدمين الحاليين، ستضمن الشركة أن النسخة النهائية من منصة IBM Quantum الجديدة ستكون مشابهة جدًا للنسخة التي نستخدمها الآن.

ستضمن الشركة أن المستخدمين يواصلون الوصول إلى الوثائق وموارد التعلم التي كانت تحتفظ بها تقليديًا. ومع ذلك، ستعزز الترقية القيمة بأداء محسّن وميزات قوية.

من بين الميزات المحددة، ستأتي الترقية مع تحسين خصوصية البيانات وأمانها، تجربة إشعارات مبسطة، تحسين تنقل المنصة، خيارات لغات متعددة للمستخدمين الذين يتحدثون لغات غير الإنجليزية، وغيرها.

لتحسين مستويات الوصول العام، أنشأت آي بي إم شبكة كمومية. تدعم الشبكة الشركات والجامعات والمختبرات وقادة الصناعة في رحلاتهم لتطوير الفائدة الكمومية. يحصل الأعضاء على موارد تعلم، خبراء، وفعاليات لتسريع البحث وتعزيز التعاون.

للسنة المالية الأخيرة, سجلت آي بي إم إيرادات قدرها 62.8 مليار دولار، بزيادة 1٪، بزيادة 3٪ بالعملة الثابتة.

أثناء حديثه عن نتائجه، قال أرڤيند كريشنا، رئيس مجلس إدارة آي بي إم والرئيس التنفيذي:

قبل ثلاث سنوات، وضعنا رؤية لآي بي إم تنمو بسرعة أكبر وتكون أكثر ربحية. أنا فخور بالعمل الذي قام به فريق آي بي إم لتحقيق أو تجاوز التزاماتنا. مع استراتيجيتنا المركزة، محفظتنا المعززة، وثقافة الابتكار، نحن في موقع جيد لعام 2025 وما بعده ونتوقع نمو إيرادات لا يقل عن خمسة في المئة وتدفق نقدي حر حوالي 13.5 مليار دولار هذا العام.

2. مايكروسوفت (MSFT )

عملاق تقني آخر يقوم بأعمال رائدة في مجال الحوسبة الكمومية هو مايكروسوفت. رؤيته هي تسريع الاكتشاف العلمي من خلال تقنية متقدمة رائدة في الصناعة ستسرّع الاكتشاف العلمي.

تمتلك مايكروسوفت الأربع حلول الكم التالية:

• منصة مايكروسوفت للكم الحوسبة: منصة تمكّن جيلًا جديدًا من تطبيقات الكم.
• عناصر أزور كمومية: حل مُصمم خصيصًا لتسريع الاكتشاف العلمي.
• العتاد الكمومي: حل يهدف إلى إتاحة حاسوب كمومي فائق النطاق.
• الشبكات الكمومية: حل يتيح الحوسبة الكمومية الموزعة عبر شبكة كمومية

إذا نظرنا إلى هذه الحلول من منظور مستخدميها، فإن كل حل يقدم خدمات مختلفة. على سبيل المثال، من خلال منصة مايكروسوفت للكم الحوسبة، يمكن الوصول إلى أحدث الأجهزة الكمومية، كيوبتات منطقية موثوقة، نماذج ذكاء اصطناعي متقدمة، ومحاكاة الحوسبة عالية الأداء لتسريع الاكتشافات العلمية.

يساعد حل عناصر أزور كمومية على تسريع الاكتشاف العلمي في مجال الكيمياء وعلوم المواد من خلال الحوسبة عالية الأداء، الذكاء الاصطناعي، وحاسوب كمومي مستقبلي.

من خلال عتاد مايكروسوفت الكمومي، تقوم الشركة بتصميم حاسوب كمومي فائق سيمكن العالم من معالجة مشكلات مثل عكس تغير المناخ وتحسين الأمن الغذائي.

أخيرًا، من خلال شبكات مايكروسوفت الكمومية، تهدف الشركة إلى تقديم قدرات الشبكات الكمومية لتوسيع عناقيد الكم وتمكين تطبيقات جديدة متعلقة بالأمان.

إذا تعمقنا أكثر في عتاد مايكروسوفت الكمومي، سندرك أنه حقًا اختراق. إنه اختراق لأنه يبتكر الحوسبة الكمومية القائمة على القياس فقط—طريقة أبسط جوهريًا للتحكم في المعلومات الكمومية.

مدعومًا بنواة طوبولوجية، صُمم معالج مايكروسوفت ليتوسع إلى مليون كيوبت—قوة حوسبة كافية لمعالجة أصعب تحديات البشرية في الطاقة والطب وما بعده.

في هذا الصدد، يمكن الإشارة إلى ورقة مايكروسوفت المنشورة في مجلة Nature بعنوان “قياس التوافيق أحادي اللقطة التداخلية في أجهزة هجينة InAs–Al”.

بشكل عام، يستند عتاد مايكروسوفت الكمومي على الأعمدة الأساسية التالية:

• القابلية للتوسع: تم تصميم الحل لتمكين الحوسبة الكمومية المفيدة
• الاستقرار: إنه مقاوم للأخطاء على مستوى العتاد.
• الصغر: العتاد قادر على احتواء أكثر من مليون كيوبت في شريحة واحدة.
• السرعة: يستغرق أقل من ميكروثانية واحدة لكل عملية.
• القابلية للتحكم: نبضات الجهد توفر تحكمًا رقميًا دقيقًا.

إذا نظرنا إلى الميزات الرئيسية لعناصر أزور كمومية، فإن كيمياء التوليد تستفيد من قوة الذكاء الاصطناعي التوليدي لتبسيط اكتشاف وتصميم جزيئات جديدة ذات خصائص مرغوبة. تحدد ميزة DFT المتسارعة خصائص الجزيئات التي تحتوي على آلاف الذرات خلال ساعات، مما يوفر زيادة كبيرة في السرعة مقارنةً ببرامج DFT الأخرى.

علاوة على ذلك، يساعد النظام البيئي المفتوح على الاستفادة من حلول برمجية مألوفة مُحسّنة لعناصر أزور كمومية.

ساعدت عناصر أزور كمومية من مايكروسوفت عدة مؤسسات بحثية وشركات على تقديم حلول للمستقبل. على سبيل المثال، استفادت يونيليفر من قوة الحوسبة الفائقة وخدمات الذكاء الاصطناعي من مايكروسوفت لدعم تحول البحث والتطوير والابتكار في منتجاتها.

تعاونت مايكروسوفت ومختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني لتحديد مادة جديدة تحمل إمكانات بطاريات أفضل. تعاونت الشركة مع AspenTech لتصميم سير عمل كيمياء كمومية. كما تعاونت مع Johnson Matthey لتسريع ابتكار خلايا الوقود الهيدروجينية باستخدام أزور كمومية.

تعاونت مايكروسوفت مع 1910 Genetics لتسريع إنتاجية البحث والتطوير في صناعة الأدوية، بينما تعاونت مع InQuanto لتسريع الكيمياء الكمومية الحاسوبية. بشكل عام، لعبت مايكروسوفت دورًا رئيسيًا في إظهار كيف يمكن أن تصبح الحوسبة الكمومية مفيدة بفعالية لمستقبل قوي وفعّال.

في عام 2024، العام الذي صادف الذكرى الخمسين لتأسيس مايكروسوفت. حققت الشركة إيرادات سنوية تزيد عن 245 مليار دولار، بزيادة 16٪ على أساس سنوي، وأكثر من 109 مليار دولار في الدخل التشغيلي، بزيادة 24٪. صرحت الشركة صراحةً بأنها تركز على احتضان المنتجات التقنية وحلول الدعم ذات الإمكانات التحويلية لمستقبل الحوسبة السحابية والنمو المستمر للشركة، مثل الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي المتقدم للعلوم.

بينما تقوم الشركات التقنية الكبيرة بأفضل ما لديها، لا يتخلف البحث المؤسسي. بدأنا مناقشتنا بهذا البحث الاختراقي، وسنختتم ببعض الأبحاث الأخرى.

انقر هنا لتعرف على الحالة الحالية للحوسبة الكمومية.

المزيد عن أبحاث الحوسبة الكمومية

نشرت جوجل كوانتم AI والمتعاونون بحثهم في مجلة Nature في ديسمبر 2024. جاء العنوان تصحيح الأخطاء الكمومية تحت عتبة شفرة السطح.²

تناول البحث مسألة تصحيح الأخطاء الكمومية، وهو مسار رئيسي نحو الحوسبة الكمومية العملية. من خلال دمج عدة كيوبتات فيزيائية في كيوبت منطقي، يضغط هذا النهج معدل الخطأ المنطقي أسيًا كلما أضيفت كيوبتات أكثر.

نتيجة لذلك، قدم الباحثون ذاكرتين لشفرة السطح تحت العتبة على أحدث جيل من المعالجات الفائقة التوصيل، Willow، شفرة ذات مسافة 7 وشفرة ذات مسافة 5 مدمجة مع مُفكك تشفير في الوقت الحقيقي.

كانت النتائج مهمة. حافظ النظام على أداء تحت العتبة عند فك التشفير في الوقت الحقيقي، محققًا متوسط زمن استجابة المُفكك 63 ميكروثانية عند مسافات من خمسة إلى مليون دورة، مع زمن دورة 1.1 ميكروثانية. زعم الباحثون أن بحثهم يشير إلى أنه إذا تم توسيعه، يمكن لأداء الجهاز تحقيق متطلبات التشغيل لخوارزميات الكم المتحملة للأخطاء على نطاق واسع.

في عام 2022، مع الحفاظ على تركيز تصحيح الأخطاء، استكشف باحثو آي بي إم رمزًا يُدعى الرمز الإجمالي، وهو نوع جديد من الرموز يمكنه تخزين المعلومات الكمومية بطريقة خالية من الأخطاء مع جزء صغير من النفقات العتادية. قد يؤدي ذلك إلى تصحيح الأخطاء بنفقات أقل بكثير.

في ورقة نُشرت في مجلة Nature، بحثت آي بي إم تحديدًا عن ذاكرة كمومية متحملة للأخطاء ذات نفقات كيوبت منخفضة، عتبة خطأ عالية، ومسافة شفرة كبيرة. ادعت الشركة أن تحليلها الرياضي وجد أمثلة ملموسة على رموز qLDPC التي تفي بجميع شروط التحمل، وجود ذاكرة كمومية، وعالية العتبة، ومسافة شفرة كبيرة، ونفقات كيوبت منخفضة.

زعمّت الشركة أن رمزها ينتمي إلى عائلة من الرموز تُسمى رموز “الدراجة الثنائية المتغيرة (BB)”. ستؤثر هذه الرموز ليس فقط على أبحاث آي بي إم المستقبلية بل أيضًا على طريقة تصميمنا للأنظمة الكمومية الفيزيائية.

بشكل عام، هناك مجال واسع لتحقيق تقدم مستمر في الاقتراب من ميزة الكم. وصلت الاستثمارات العامة العالمية في تقنية الكم إلى 42 مليار دولار أمريكي في عام 2023، مع تصدر الصين القائمة باستثمار حكومي معلن قدره 15.3 مليار دولار.

وتلت ذلك ألمانيا، المملكة المتحدة، الولايات المتحدة، وكوريا الجنوبية، وغيرها. إن حقيقة أن الاقتصادات المتقدمة تكنولوجيًا تستثمر أكثر في الحوسبة الكمومية والتقنيات ذات الصلة تشهد على أن نطاقها هائل. ما نراه الآن قد يكون مجرد قمة جبل الجليد.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس شركات حوسبة كمومية.