تصبح ‘Ocelot’ من كال تيك أحدث إنجاز في إسقاط الأخطاء في الحوسبة الكمومية

في العام الماضي، نشرت شركة ماكينزي وتشرح تقريرًا شاملاً يحدد المسار المستقبلي للحوسبة الكمومية. وقد سمي التقرير باسم “صعود الحوسبة الكمومية”. ومع ذلك، فإن الطموحات لم تكن بدون أساس.

وقالت ماكينزي إن الرحلة نحو الحوسبة الكمومية كانت مدفوعة بزخم متسارع من الاختراقات التكنولوجية، وزيادة تدفق الاستثمارات، وتكاثر النظام البيئي لشركات الاستарт أب.

كل هذه العوامل كانت مسؤولة عن دفع قادة الأعمال لتخطيط استراتيجيات حوسبة كمومية قوية. وكشفت التحليلات المحدثة لشركة ماكينزي للرصد السنوي الثالث للتكنولوجيا الكمومية عن أن أربعة قطاعات – الكيمياء، والعلوم الحيوية، والمالية، والتنقل – من المرجح أن تشهد أول تأثير من الحوسبة الكمومية ويمكن أن تكسب ما يصل إلى 2 تريليون دولار بحلول عام 2035.

من أجل نمو الحوسبة الكمومية كما تتخيله شركة ماكينزي، سيتطلب ذلك نظامًا بيئيًا للابتكار مزدهرًا. في واحدة من أكثر الاختراقات المتقدمة في هذا الصدد، اكتشف علماء في مركز أمازون للكمبيوتر الكمومي في حرم جامعة كال تيك طريقة لقمع الأخطاء في الكمبيوترات الكمومية – مشكلة يمكن أن تصبح أكبر عقبة في بناء آلات كمومية جاهزة للمستقبل.

ما كانت “المشكلة”?

بناء كمبيوتر كمومي عام الغرض يتجاوز دراسة مجالات معينة من الفيزياء يبقى تحديًا بسبب حساسيته المتأصلة للضوضاء. لقد وجد الباحثون أن الاهتزازات والحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي من الهواتف الخلوية وشبكات الواي فاي، وحتى الأشعة الكونية والإشعاع من الفضاء الخارجي يمكن أن يؤدي جميعها إلى إخراج قubits – بتات كمومية – من حالة كمومية وتسبب في أخطاء أكثر بكثير من الكمبيوترات الكلاسيكية.

لتوضيح ذلك بدقة علمية أكبر، يعمل البحث، المعنون “تصحيح الخطأ الكمومي الفعال من حيث الأجهزة عبر قubits البوزونية المتداخلة”، على بناء كمبيوترات كمومية ستدمج تصحيح الخطأ الكمومي. سيكون لها قubit منطقي مشفر بشكل مكرر في العديد من قubits فيزيائية معيبة.

الغزال: الحل

بمعنى أسهل، أظهر فريق من العلماء من أمازون وكل تيك معمارية جديدة للرقاقة الكمومية لقمع الأخطاء باستخدام نوع من قubits يُعرف باسم قubit القط.

قubits القط ليست جديدة؛ تم اقتراحها لأول مرة في عام 2001. منذ ذلك الحين، طور الباحثون بشكل مستمر وتحسينها. جاء الإنجاز للفريق مع إنشاء أول رقاقة قubits القط القابلة للتمكين، المصممة لتقليل الأخطاء الكمومية بشكل فعال. تم تسمية الرقاقة باسم الغزال بعد القط البري المبرقش، مع الإشارة إلى تقنية “المذبذب” الداخلية التي تقوم على قubits القط.

وفقًا للباحثين، يجب أن تكون معدلات الخطأ أفضل بمليار مرة مما هي عليه اليوم. فقط тогда يمكن أن يُعتبر الكمبيوترات الكمومية ناجحة. من شأن الإختراع الجديد أن يساعدنا على الوصول إلى الهدف بشكل أسرع:

وفقًا لأوسكار بينتر (دكتوراه 01)، أستاذ جون جي براون للفيزياء التطبيقية والفيزياء في كال تيك ورئيس الأجهزة الكمومية في أمازون:

“كانت معدلات الخطأ تتناقص بمعدل عامل من اثنين كل عامين. عند هذه Rate، سيتطلب منا 70 عامًا للوصول إلى المكان الذي نريد أن نكون فيه. بدلاً من ذلك، نحن نطور معمارية رقاقة جديدة قد تكون قادرة على الوصول هناك بشكل أسرع. ومع ذلك، هذا هو بناء مبكر. لا تزال لدينا الكثير من العمل الذي يجب القيام به.”

يقول الباحثون، مع التأكيد على عيوب تقنيات قubits الحالية، إنها قد تتطلب آلاف قubits إضافية لتوفير المستوى المطلوب من الحماية من الأخطاء، وهو ما يشبه توظيف صحف كبير من محققين الحقائق لتحقق دقة مقالاتها بدلاً من فريق صغير فقط. هذا يجعل العملية تتعثر بسبب التكاليف الإضافية، والتي تكون زائدة ومرهقة.

يعترف فرناندو برانداو، أستاذ الفيزياء النظرية في كال تيك ومدير العلوم التطبيقية في أمازون، بهذه المشكلة. يقول:

“لذلك، نحن نحاول مناهج جديدة لتصحيح الخطأ التي ستقلل من التكلفة الإضافية.”

تقنية المذبذب في أساس الغزال

يستخدم الفريق نوعًا من قubits يتكون من دوائر فائقة التوصيل مصنوعة من مذبذبات الميكروويف، حيث يتم تعريف حالات 1 و 0 – تمثيل قubit – على أنها两يّة كبيرة للمذبذبات. يهدف هذا النهج إلى جعل حالات قubit مستقرة ومصممة لتحمل أخطاء翻转 البت.

مرة واحدة يتم التخلص من أخطاء翻تر البت، يبقى الخطأ الآخر الذي يجب تصحيحه هو خطأ翻تر المرحلة. لاكتشاف أخطاء المرحلة، تعتمد رقاقة الغزال على أربعة قubits مساعدة.

رمز التكرار البسيط للفريق فعال في اصطياد أخطاء翻تر المرحلة وتحسينه مع زيادة رمز من ثلاثة قubits القط إلى خمسة قubits القط.

مسار البحث إلى الأمام

حاليًا، الإثبات في مرحلة概念 الإثبات. لكن الباحثين المشاركين في العملية، مثل بينتر، متحمسون لأداء الغزال الذي أظهره. يقول:

“إنه مشكلة صعبة للغاية، وسنحتاج إلى الاستمرار في الاستثمار في البحث الأساسي مع البقاء على اتصال مع، والتعلم من، العمل المهم الذي يتم إجراؤه في الأكاديمية.”

كما أشار بينتر، تتطلب هذه التحسينات رعاة شركات. يتطلب الأمر استثمارات لتوسيع نطاقه. في الأقسام التالية، نناقش بعض الشركات التي تقوم بعمل مهم في مجال الحوسبة الكمومية.

1. IBM (IBM )

تظل شركة آي بي إم، العبقري التكنولوجي العالمي، ملتزمة بجعل الحوسبة الكمومية عملية للعالم. تعمل على قسم مخصص، آي بي إم الكمومي، الذي يوفر وصولًا إلى أسطول الحوسبة الكمومية الأكبر في العالم عبر منصة Qiskit – توفر أدوات برمجية وخدمات لإنشاء نموذج برمجي شامل للاستفادة.

تعد آي بي إم متعهدة بجعل الحوسبة الكمومية مسؤولة. بيان مهمة الشركة في هذا الصدد هو أن تكون “المحفز لجعل العالم يعمل بشكل أفضل”، وتشغيل مبادرة الكمومية المسؤولة لضمان أن تكون تطورنا متوافقًا مع هذه المهمة.

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

• جعل تأثير إيجابي على المجتمع.
• استكشاف الحالات مع التبصر.
• تعزيز منتجات آي بي إم بدقة
• اتخاذ قرارات متسقة ومتواصلة
• بناء مجتمع كمومي متنوع ومتضمن

تظل آي بي إم ملتزمة بتحديث منصتها الكمومية لتوفير خدمات سحابية من الدرجة الأولى للمؤسسات.

2. Microsoft (MSFT )

تعد شركة مايكروسوفت أخرى من العباقرة التكنولوجيين الرائدين في القيام بعمل رائد في مجال الحوسبة الكمومية. رؤيتها هي تسريع الاكتشاف العلمي من خلال تكنولوجيا متقدمة رائدة ستسريع الاكتشاف العلمي.

تملك مايكروسوفت الحلول الكمومية التالية:

• منصة مايكروسوفت الكمومية: منصة تمكن جيلًا جديدًا من تطبيقات الكمومية.
• عناصر مايكروسوفت الكمومية: حل مخصص لتسريع الاكتشاف العلمي.
• الأجهزة الكمومية: حل يستهدف فتح كمبيوتر كمومي مخفض.
• شبكات الكمومية: حل يتيح الحوسبة الكمومية الموزعة مع شبكة كمومية

إذا نظرنا إلى هذه الحلول من منظور مستخدميها، فإن الحلول المختلفة توفر خدمات مختلفة. على سبيل المثال، من خلال منصة مايكروسوفت الكمومية، من الممكن الحصول على وصول إلى أجهزة كمومية متقدمة، قubits منطقية موثوقة، نموذجات ذكاء اصطناعي متقدمة، ومحاكاة هيكل الحوسبة لتسريع الاكتشافات العلمية.

تساعد حلول عناصر مايكروسوفت الكمومية على تسريع الاكتشاف العلمي للكيمياء وعلوم المواد من خلال الحوسبة عالية الأداء، والذكاء الاصطناعي، وكمبيوتر كمومي مستقبلي.

من خلال أجهزة مايكروسوفت الكمومية، تعمل الشركة على هندسة كمبيوتر كمومي سيكون قادرًا على تمكين العالم من معالجة مشاكل مثل عكس تغير المناخ وتحسين الأمن الغذائي.

أخيرًا، من خلال شبكات مايكروسوفت الكمومية، تهدف الشركة إلى تقديم قدرات شبكة كمومية لتوسيع المجمعات الكمومية وتمكين تطبيقات أمان جديدة.

إذا غامرنا أكثر في أجهزة مايكروسوفت الكمومية، سندرك أنها حقًا اختراق. إنه اختراق لأنه يرائد الحوسبة الكمومية فقط للقياس – طريقة أساسية أبسط لتحكم المعلومات الكمومية.

مدعومًا بنواة طوبولوجية، صممت معالج شركة مايكروسوفت لتوسيع نطاق مليون قubit – قوة حساب كافية لمعالجة تحديات البشرية الأكثر صعوبة في الطاقة والطب وخارجهما.

في هذا الصدد، يمكن للشخص النظر إلى ورقة شركة مايكروسوفت، المنشورة في مجلة نيتشر، بعنوان “قياس التكافؤ الفردي المتداخل في أجهزة InAs-Al الهجينة”.

بشكل عام، تقوم أجهزة مايكروسوفت الكمومية على الأسس التالية:

• التمكين: الحل مصمم لتمكين الحوسبة الكمومية المفيدة.
• الاستقرار: هو مقاوم للأخطاء على مستوى الأجهزة.
• صغير: الأجهزة قادرة على تثبيت أكثر من مليون قubit في شريحة واحدة.
• سريع: يستغرق أقل من микروثانية واحدة لكل عملية.
• قابل للتحكم: نبضات الجهد توفر تحكم رقمي دقيق.

إذا نظرنا إلى الميزات الرئيسية لعناصر مايكروسوفت الكمومية، فإن كيمياءها التوليدية تستخدم قوة الذكاء الاصطناعي التوليدي لتسهيل بشكل كبير اكتشاف وتصميم جزيئات جديدة ذات خصائص مرغوبة. تتميز ميزة DFT المتسارعة بتحديد خصائص الجزيئات التي تحتوي على آلاف الذرات في ساعات، مع زيادة كبيرة في السرعة مقارنة برمز DFT الآخر.

علاوة على ذلك، يساعد النظام البيئي المفتوح على استخدام حلول برمجية مألوفة مُحسنة لعناصر مايكروسوفت الكمومية.

ساعدت عناصر مايكروسوفت الكمومية العديد من المؤسسات البحثية والشركات على تقديم حلول للمستقبل. على سبيل المثال، استخدمت يونيليفر قوة الحوسبة الفائقة والخدمات الاصطناعية لمايكروسوفت لدعم تحول أبحاثها وتطوير منتجاتها.

انضمت مايكروسوفت إلى مختبر الباسيفيك الشمالي الوطني لتحديد مادة جديدة تتمتع بإمكانات أفضل للبطاريات. تعاونت مع AspenTech لتصميم تدفق عمل كيمياء كمومية. انضمت إلى جونسون ماثي لتعجيل 혁신 وقود الهيدروجين مع Azure Quantum.

شكلت مايكروسوفت و 1910 Genetics شراكة لتعزيز إنتاجية البحث والتطوير لصناعة الأدوية، في حين أنها انضمت إلى InQuanto لتسريع الكيمياء الحاسوبية الكمومية. بشكل عام، لعبت مايكروسوفت دورًا مهمًا في демонstration كيف يمكن للحوسبة الكمومية أن تصبح مفيدة وفعالة لمستقبل قوي.

في عام 2024، الذي marked 50 عامًا على شركة مايكروسوفت. سلمت الشركة أكثر من 245 مليار دولار في الإيرادات السنوية، بزيادة بنسبة 16 في المائة على أساس سنوي، وأكثر من 109 مليار دولار في الدخل التشغيلي، بزيادة بنسبة 24 في المائة. وأعلنت الشركة بشكل قاطع أنها تركز على حاضنات المنتجات التقنية ذات الإمكانات التحويلية لمستقبل الحوسبة السحابية ونمو الشركة المستمر، مثل الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي المتقدم للعلوم.

بينما تقوم الشركات التكنولوجية الكبيرة بأفضل ما في وسعها، لا يبقى البحث المؤسسي متأخرًا. بدأنا مناقشتنا مع إحدى هذه الاختراقات البحثية، وسنختتم مع بعض أخرى.

انقر هنا لمعرفة الحالة الحالية للحوسبة الكمومية.

المزيد عن أبحاث الحوسبة الكمومية

نشرت Google Quantum AI وشركاؤها بحثهم في مجلة نيتشر في ديسمبر 2024. جاء بعنوان تصحيح الخطأ الكمومي أقل من عتبة رمز السطح.²

تناول البحث مشكلة تصحيح الخطأ الكمومي، وهو مسار رئيسي للحوسبة الكمومية العملية. من خلال الجمع بين عدة قubits فيزيائية في قubit منطقي، يقمع هذا النهج بشكل كبير معدل الخطأ المنطقي مع إضافة المزيد من قubits.

نتج عن ذلك أن الباحثين قدموا ذاكرتين كموميتين أقل من عتبة رمز السطح على أحدث جيل من المعالجات الفائقة التوصيل، ويلو، رمز مسافة 7 ورمز مسافة 5 متكامل مع محول زمني حقيقي.

كانت النتائج مهمة. حافظ النظام على أداء أقل من العتبة عند فك التشفير في الوقت الفعلي، مع تحقيق متوسط زمن تأخير للمحول يبلغ 63 ميكروثانية عند مسافات تصل إلى خمس دورات، مع زمن دورة يبلغ 1.1 ميكروثانية. زعم الباحثون أن بحثهم يشير إلى أن الأداء يمكن أن يتحقق من المتطلبات التشغيلية للخوارزميات الكمومية المتسامحة مع الأخطاء على نطاق واسع إذا تم توسيع نطاقه.

في عام 2022، مع التركيز على تصحيح الخطأ، قام باحثو آي بي إم بتحقيق رمز يسمى قرض غروس، وهو نوع جديد من الرموز يمكنه تخزين المعلومات الكمومية بطريقة خالية من الأخطاء مع جزء من العبء الفعلي للأجهزة. يمكن أن يؤدي هذا إلى تصحيح الخطأ بأقل عبء.

في ورقة منشورة في مجلة نيتشر، بحثت آي بي إم بشكل خاص عن ذاكرة كمومية متسامحة مع أخطاء منخفضة التكلفة، و عتبة خطأ عالية، ومسافة رمز كبيرة. زعمت الشركة أن تحليلها الرياضي وجد أمثلة ملموسة من رموز qLDPC التي تلبى جميع شروط كونها متسامحة مع الأخطاء، وذاكرة كمومية، وعتبة خطأ عالية، ومسافة رمز كبيرة، وتكلفة قubits منخفضة.

زعمت الشركة أن رمزها يندرج في عائلة من الرموز تسمى “رموز دراجة ثنائية المتغير”. سيتشكل ليس فقط بحث آي بي إم في المستقبل، ولكن أيضًا كيف نархitect النظم الفيزيائية الكمومية.

بشكل عام، هناك مجال كبير لتحقيق تقدم مستمر في 접근 ميزة الكمومية. بلغ الاستثمار العام العالمي في تكنولوجيا الكمومية 42 مليار دولار أمريكي في عام 2023، مع صدارة الصين بالاستثمار الحكومي المعلن البالغ 15.3 مليار دولار أمريكي.

جاء ذلك بعد ألمانيا والمملكة المتحدة والولايات المتحدة وكوريا الجنوبية، من بين آخرين. حقيقة أن الاقتصادات المتقدمة تكنولوجيًا تستثمر المزيد في الحوسبة الكمومية وتكنولوجيا ذات الصلة هي شهادة على أن نطاقها هائل. ما نراه الآن قد يكون فقط قمة الجبل الجليدي.

انقر هنا للاطلاع على قائمة أفضل خمس شركات للحوسبة الكمومية.