أقفاص الضوء قد تحل مشكلة الذاكرة في الحوسبة الكمومية

عنق الزجاجة: لماذا تحتاج الحوسبة الكمومية إلى ذاكرة جديدة

لكي يبدأ الحاسوب الكمومي في الاستخدام، حتى وإن لم يكن بشكل روتيني، على الأقل بشكل موثوق، سيتعين عليه استنساخ معظم الوظائف التي تقوم بها أشباه الموصلات السليكونية باستخدام مكونات متوافقة مع الكم: ليس فقط الحساب (المعالج/الرقائق)، بل أيضًا الشبكات والذاكرة.

التواصل الشبكي يتقدم. لقد شهدنا إصدار QNodeOS، نظام تشغيل مخصص للتواصل الكمومي، إلى جانب رقائق فوتونية قابلة للإنتاج الضخم، مضخمات نانوية فوتونية من الإربيوم، والانتقال الكمومي باستخدام شبكات الألياف الضوئية التقليدية.

لكن الذاكرة كانت أكثر صعوبة في الحصول عليها، على الرغم من أن الموجات الصوتية قد توفر نوعًا من الحل الهجين لمشكلة الاستقرار.

تنشأ هذه الصعوبة لأن الكيوبتات غير مستقرة للغاية، وتتطلب موادًا فائقة التوصيل، وعزلًا تامًا عن التداخل البيئي، ودرجات حرارة منخفضة جدًا.

يمكن للتواصل الشبكي أن يساعد جزئيًا في تخفيف نقص الذاكرة عن طريق توجيه المعلومات إلى كيوبتات مادية أخرى في مجموعة، لكن هذا الخيار لا يمكن أن يذهب بعيدًا. في مرحلة ما، ستتطلب الحسابات المعقدة نظام ذاكرة طويل الأمد (حسب معايير الكم) قادرًا على الاحتفاظ بالبيانات الكمومية بشكل موثوق.

هذا هو بالضبط ما يبدو أن الباحثين في ألمانيا في جامعة هومبولت-Universität zu Berlin، جامعة شتوتغارت، ومعهد لايبنيز لتقنية الفوتونيات قد حققوه.

لقد أنشأوا “قفصًا ضوئيًا” نانوسيًا قادرًا على الاحتفاظ بالبيانات الكمومية لمدة غير مسبوقة. نشروا نتائجهم في المجلة العلمية Light: Science & Applications¹، تحت عنوان “Light storage in light cages: a scalable platform for multiplexed quantum memories”.

ما هي “أقفاص الضوء” النانوسكوبية؟

تشير الذاكرة الكمومية إلى المكونات القادرة على تخزين وحفظ المعلومات الكمومية (الكيوبتات) بشكل سليم.

في الممارسة العملية، تعمل هذه كذاكرة الوصول العشوائي (RAM)؛ ليست لتخزين البيانات على المدى الطويل، بل للحفاظ على البيانات متاحة للخطوة التالية في عملية الحساب.

يتطلب ذلك ثلاث خطوات متتالية:

1. التقاط الحالة الكمومية.
2. تخزين هذه الحالة في صيغة أكثر استقرارًا من الكيوبتات المتقلبة.
3. استرجاع البيانات للمعالجة الإضافية.

كيف تعمل أقفاص الضوء المطبوعة ثلاثيًا؟

أساس عمل الباحثين الألمان هو “قفص الضوء”. تم تصميم هذه الهياكل النانوسكوبية لتحتفظ بالضوء دون أن يفقد خصائصه الكمومية.

المصدر: Light

في هذه الحالة المحددة، استخدموا موجات ذات نواة مجوفة مملوءة ببخار ذرات السيزيوم.

تم بناء الهياكل نفسها باستخدام تقنية الطباعة النانوية، وتحديدًا تقنية الليثوغرافيا بتصليب الفوتونين مع أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد التجارية.

لضمان الاستقرار على المدى الطويل في بيئة السيزيوم المتفاعلة، تم تغطية الهياكل بطبقة واقية، مما أظهر متانة ملحوظة دون أي تدهور يُلاحظ حتى بعد خمس سنوات من التشغيل.

المصدر: Light

المزايا مقارنةً بالذاكرة الكمومية التقليدية

يوفر هذا التصميم مزايا فريدة مقارنةً بالمحاولات السابقة.

أولاً، تسمح هذه الهياكل المطبوعة نانويًا بالانتشار السريع لذرات السيزيوم. هذا يقلل من الوقت اللازم لملء النواة ببخار الذرات من شهور إلى أيام قليلة فقط، مع الحفاظ على حجز حقل بصري ممتاز.

ثانيًا، يتيح التصميم وصولًا جانبيًا فريدًا إلى مناطق النواة، مما يسهل استرجاع البيانات الكمومية عند الحاجة.

“أنشأنا هيكلًا توجيهيًا يسمح بالانتشار السريع للغازات والسوائل داخل نواته، مع المرونة وإمكانية التكرار التي توفرها عملية الطباعة النانوية ثلاثية الأبعاد.

هذا يتيح قابلية توسع حقيقية لهذه المنصة، ليس فقط لتصنيع الموجات داخل الشريحة الواحدة، بل أيضًا بين الشرائح، لإنتاج عدة شرائح بأداء مماثل.”

تجعل هذه القابلية للتوسع من السهل جدًا الوصول إلى مرحلة تجارية صناعية. فهي تسمح بوجود عدة أقفاص ضوئية على نفس الشريحة، مما يزيد من إجمالي الذاكرة المحتملة لمعالج كمومي. تم الحفاظ على التفاوت داخل شريحة واحدة أقل من 2 نانومتر، بينما ظلت الفروقات بين الشرائح أقل من 15 نانومتر.

نظرًا لأن أداء التخزين بين أقفاص الضوء المختلفة هو الحد الأدنى ومتسق، ينتج التصميم توقعات موثوقة للمهندسين.

اسحب للتمرير →

تحول كبير آخر مقارنةً بمعظم تقنيات الحوسبة الكمومية هو أن ذاكرة أقفاص الضوء تعمل عند درجة حرارة أعلى قليلاً من الغرفة ولا تتطلب تبريدًا منخفضًا. هذا يجعلها ليست فقط أكثر موثوقية، بل أيضًا أكثر اقتصادًا بشكل كبير.

إلى أي مدى يمكن لأقفاص الضوء تخزين البيانات؟

تمكن أقفاص الضوء من تحويل فعال للغاية لنبضات الضوء الموجهة إلى إثارات ذرية جماعية. يمكن بعد ذلك لليزر الضوئي التحكم في إطلاق الضوء عند الطلب، مسترجعة البيانات لمزيد من الحسابات الكمومية.

نجح فريق البحث في تخزين نبضات ضوئية مخففة تحتوي على عدد قليل من الفوتونات لمدة عدة مئات من النانوثواني.

المصدر: Light

على الرغم من أن هذا الإطار الزمني قد يبدو قصيرًا، إلا أنه في مصطلحات الشبكات الكمومية والذاكرة الفوتونية، يمثل مدة تخزين طويلة ومستقرة بشكل غير عادي، خاصةً للأنظمة المتوافقة مع درجة حرارة الغرفة.

توسيع الشبكات الكمومية باستخدام الذاكرة الضوئية

في حين أن الشبكات ساعدت حتى الآن في تعويض نقص الذاكرة، فإن الذاكرة الموثوقة يمكن أن تساعد بالمقابل في إنشاء شبكات أكثر تعقيدًا.

من خلال إنشاء تخزين موثوق، يمكن للذاكرة الكمومية أن تعمل كعقد مكررة، مما يعزز موثوقية ومدى الشبكة الكمومية بشكل كبير. هذه خطوة رئيسية نحو ربط عدة شرائح كمومية في حاسوب فائق واحد، وكذلك ربط حواسيب كمومية متباعدة ماديًا.

الخلاصة

حققت الحوسبة الكمومية تقدمًا هائلًا في السنوات القليلة الماضية، مع تطوير الشبكات وشرائح كمومية أكبر وأكثر قابلية للتوسع. كان الرابط المفقود للحصول على حاسوب كمومي كامل أو شبكة كمومية واسعة النطاق هو مكونات الذاكرة الموثوقة.

قد يكون استغلال هذه الأقفاص الضوئية المحسنة هو المفتاح الدقيق لتسريع تطوير الحوسبة الكمومية، بفضل عملية تصنيعها الرخيصة والموثوقة.

من المحتمل أن تكون الخطوة التالية اختبارًا عمليًا مع الشرائح الكمومية الحالية وتحسين عملية التصنيع لتتكامل مع ممارسات المصانع شبه الموصلة القياسية.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

Honeywell / Quantinuum (HON)

Quantinuum هو نتيجة دمج Honeywell Quantum Solutions و Cambridge Quantum.

ما زالت Honeywell هي المساهم الرئيسي في الشركة (من المحتمل 52% من الملكية) بعد جولة تمويل قيمتها 10 مليارات دولار. يُذكر أن المؤسس Ilyas Khan يمتلك تقريبًا 20% من الشركة. تشمل المساهمين الآخرين JSR Corporation، Mitsui، Amgen، IBM، و JP Morgan.

من المحتمل أن يكون هناك طرح عام أولي لشركة Quantinuum، ربما كجزء من إعادة هيكلة مؤسسية أكبر، يُقدّر المحللون أنه قد يصل قيمته إلى 20 مليار دولار وقد يحدث بين عامي 2026 و2027.

الحوسبة الكمومية ليست الجزء المركزي في أعمال Honeywell، التي تركز أكثر على منتجات في مجال الطيران، الأتمتة، والمواد الكيميائية المتخصصة والمواد.

قد تستفيد كل من هذه المجالات، مع ذلك، من الحوسبة الكمومية، خاصةً الكيمياء الحاسوبية والأمن السيبراني الكمومي، مما قد يمنح Honeywell ميزة على منافسيها.

النموذج الرئيسي للشركة حاليًا هو Helios، الخلف للـ H2، و”أكثر حاسوب كمومي دقة في العالم”. يمتلك سجلًا قياسيًا بـ 98 كيوبت ماديًا متصلًا بالكامل مع دقة بوابة كيوبت واحدة تبلغ 99.9975% ودقة بوابة كيوبتين 99.921% عبر جميع أزواج الكيوبت.

“لقد استخدمنا أيضًا Helios لإجراء محاكاة واسعة النطاق في التوصيل الفائق للحرارة والمغناطيسية الكمومية — كلاهما مع مسارات واضحة لتطبيقات صناعية حقيقية.”

سعت الشركة إلى حوسبة عالية الجودة مع أخطاء قليلة جدًا، بدلاً من مجرد إضافة أكبر عدد ممكن من الكيوبتات، مما يخلق ما يُسمى “الحوسبة الكمومية المتسامحة للخطأ”.

يُصنّف هذا النهج من قبل الشركة بأنه “كيوبتات أفضل، نتائج أفضل”، حيث يحقق عدد مماثل من الكيوبتات نتائج أكثر موثوقية بمقدار 100 إلى 1,000 مرة.

المصدر: Quantinuum

قد يُحدث هذا فرقًا ملحوظًا في التشفير المقاوم للكم المطلوب بشدة. شركة الدفاع Thales (HO.PA -0.96%) تتعاون بالفعل مع Quantinuum، وكذلك البنوك الدولية مثل HSBC و JP Morgan.

كما تقدم Quantinuum كيمياءها الكمومية الحاسوبية الخاصة InQuanto، القابلة للاستخدام في الأدوية، علوم المواد، الكيميائيات، الطاقة، وتطبيقات الطيران.

مثل العديد من شركات الحوسبة الكمومية الأخرى، Quantinuum تقدم Helios ك”أجهزة كخدمة”، مما يسمح للمستخدمين بالاستفادة من الحوسبة الكمومية دون الحاجة إلى التعامل مع تعقيد تشغيل النظام بأنفسهم.

وقعت Quantinuum في نوفمبر 2024 شراكة مع شركة Infineon الألمانية، أكبر مصنع للرقائق شبه الموصلة في أوروبا. ستجلب Infineon تقنيتها في الفوتونيات المتكاملة والإلكترونيات التحكمية للمساعدة في إنشاء الجيل التالي من حواسيب الأيونات المحاصرة.

مع اقتراب الفوتونيات المتكاملة من حالات الاستخدام العملية، أصبح واضحًا مدى أهمية هذه الشراكة لمستقبل Quantinuum. في هذه المرحلة، يبدو أن الخطوة التالية للشركة ستكون إطلاق أول شريحة فوتونية-كمومية مخصصة للذكاء الاصطناعي.

في الأشهر القادمة، ستشارك Quantinuum نتائج التعاون المستمر، مظهرة الإمكانات الثورية للتقدم المدفوع بالكم في الذكاء الاصطناعي التوليدي.

ستعزز قدرة Gen QAI المبتكرة وتسرّع استخدام الأطر العضوية المعدنية لتوصيل الأدوية، ممهدة الطريق لخيارات علاجية أكثر كفاءة وتخصيصًا، مع تفاصيل ستُكشف عند إطلاق Helios.

Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential

يمكن أن تعزز حالات الاستخدام المستمرة القيمة المستقبلية للشركة بشكل كبير، وبالتالي حصة Honeywell فيها.

الذكاء الاصطناعي الكمومي التوليدي: إطلاق الإمكانات الكاملة للذكاء الاصطناعي

(يمكنك قراءة المزيد عن بقية أنشطة Honeywell الصناعية في الأتمتة، الطيران، والمواد المتقدمة في التقرير المخصص للشركة.)

آخر أخبار وتطورات سهم Honeywell (HON)

الدراسة المشار إليها

^{1. Gómez-López, E., Ritter, D., Kim, J. et al. Light storage in light cages: a scalable platform for multiplexed quantum memories. Light Sci Appl 15, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02085-5}