رقائق فوتونية قابلة للإنتاج الضخم قد تفتح باب توسيع الحوسبة الكمومية

اكتشف مهندسو جامعة كولورادو في بولدر خطوة أساسية في تبني الحوسبة الكمومية – القابلية للتوسع. الدقة القصوى المطلوبة لإنشاء الأجهزة الكمومية لم تُستنسخ على نطاق واسع، مما يعني أن تكلفتها لا تزال خارج متناول أغلب الناس.

لحسن الحظ، من المتوقع أن يتغير هذا الوضع في السنوات القادمة حيث يستخدم هذا التطور الأخير طرق تصنيع CMOS التقليدية لإنشاء رقائق كمومية مستقرة أصغر بكثير وأكثر تكلفة معقولة من أي شيء متاح اليوم. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

الكمومية مقابل الحوسبة التقليدية: الفرق الفوتوني

على عكس الحواسيب التقليدية، لا تستخدم الحواسيب الكمومية البتات والرقائق التقليدية. بدلاً من ذلك، تعتمد على التراكب الكمومي والكيوبتات لحل العمليات الحسابية. أحد أكثر الطرق شيوعًا لبناء الحواسيب الكمومية يدور حول استخدام الموديلات الفوتونية الضوئية.

تمكن هذه الأجهزة الحواسيب الكمومية من الاستفادة من الأيونات المحاصرة أو الذرات المحايدة ككيوبتات. تسمح هذه الرقائق للمهندسين بتوجيه ليزر قابل للتعديل نحو الكيوبتات، التي تنقل تعليمات التشغيل للحسابات عبر تعديل الترددات.

عنق الزجاجة في القابلية للتوسع: لماذا فشلت الإنتاجية الضخمة

هناك عدة مشكلات في طرق تصنيع الحواسيب الكمومية الحالية. أساسًا، لا توجد طرق إنتاجية ضخمة. هذه الرقائق حساسة ودقيقة إلى حد أنها تحتاج إلى بناء مختبري فردي في معظم الحالات. حاليًا، تعتمد طريقة التجميع على قيام المهندسين بتجميع معظم الجهاز يدويًا.

بالإضافة إلى ذلك، تدمج هذه الأجهزة أشعة ليزر عالية الطاقة لتوفير قدرات ضبط دقيقة لعدة كيوبتات. وبالتالي، تحتاج إلى أن تكون موثوقة ومقاومة للحرارة، خاصةً عندما نأخذ في الاعتبار أن الحواسيب الكمومية المستقبلية قد تستخدم آلاف الكيوبتات.

حدود الشكل الفيزيائي

الرقائق الكمومية الحالية كبيرة جدًا لاستخدامها في معظم التطبيقات. تتطلب تبريدًا فائق البرودة، مسارات ضوئية طويلة، وتصاميم كيوبت متباعدة. هذا الإعداد يساعد بالفعل على تقليل الضوضاء، لكنه يجعلها ضخمة جدًا مقارنةً بالرقائق الحاسوبية التقليدية.

علاوةً على ذلك، الأجيال المستقبلية من الحواسيب الكمومية ستستخدم المزيد من الكيوبتات، مما يعني أن أكثر الحواسيب الكمومية تقدمًا اليوم لا تزال مجرد قطرة في دلو مقارنةً بما سيكون متاحًا للجمهور خلال عقد من الزمن تقريبًا. وبالتالي، سيتعين تصغير هذه الأجهزة إلى شكل مادي معقول قبل أن تحقق تبنيًا واسع النطاق.

الحرارة تدمر الحالة الكمومية

كل طاقة الليزر المستخدمة للتواصل مع الكيوبتات تشكل مشكلة أخرى، حيث تُولد الكثير من الحرارة. الحرارة كانت دائمًا مشكلة للحواسيب بغض النظر عن إعدادها. ومع ذلك، تعتمد الحواسيب الكمومية على الحفاظ على حالة كمومية هشة لإجراء الحسابات. لهذا السبب تحتاج إلى تبريد فائق البرودة. وبالتالي، يمكن للحرارة أن تجعل هذه الأجهزة غير صالحة للعمل.

الاختراق: دوائر فوتونية متوافقة مع CMOS

الدراسة “Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit,” ​​نُشرت¹ في مجلة Nature Communications، وتقدم نهجًا جديدًا تمامًا لإنتاج رقائق كمومية ضوئية.

يُنظر إلى العملية الجديدة من قبل الكثيرين كخطوة أولى نحو ثورة الحوسبة الفوتونية. الجهاز، الذي هو أرق بـ 100 مرة من خيط شعر، يدمج تقنيات نمطية لإنشاء مستوى جديد من الكفاءة والاستقرار.

يجمع هذا الموديل الضوئي الفوتوني عالي التردد جيغاهرتز بين محول بيزوكهربائي وموجة فوتونية، مما يقلل من الشكل الفيزيائي مع الحفاظ على بنية بمقاس الطول الموجي.

مُعدِّل الطور الضوئي

يمكن لمُعدِّل الطور الضوئي المطور التحكم في ضوء الليزر باستخدام ترددات الميكروويف. تتسبب الميكروويفات في إثارة الضوء وجعله يهتز مليارات المرات في الثانية، مما يتيح ضبطًا دقيقًا، إلى جانب استقرار وكفاءة إضافية. على وجه التحديد، يدمج المُعدِّل الصوتي الضوئي موجة فوتونية مثبتة على محول بيزوكهربائي.

تصنيع CMOS يتيح الإنتاج الضخم

لتلبية المتطلبات الصارمة للحجم، قرر المهندسون إنشاء الجهاز على رقاقة بحجم 200 مم تم قطعها إلى 120 رقاقة مختلفة. استخدموا منصة ألومنيوم نيتريد-سيليكون نيتريد (AlN‑SiNx) أكوستوميكانيكية، مما مكنهم من استعمال تعديل الطور لإنشاء أشرطة جانبية بتردد جيغاهرتز على مدخل ليزر بطول 730 نانومتر.

ما هو أكثر إثارة للإعجاب هو أنهم اعتمدوا على تقنيات تصنيع الرقائق القياسية لإنشاء الأجهزة، مما يعني أنه يمكن إنتاجها على نطاق واسع في المستقبل، ويفتح الباب أمام وصول أوسع إلى الحوسبة الكمومية.

عند مناقشة نهجهم، أشار المهندسون إلى أن تصنيع CMOS هو قمة التكنولوجيا القابلة للتوسع وكيفية توظيفه كوسيلة لإنشاء رقائق كمومية أمر حاسم لتبني أوسع.

بشكل محدد، شرح المهندسون كيف أن هذه التقنية جعلت العديد من أجهزتكم التقنية المفضلة ممكنة، بما في ذلك الهواتف الذكية، الحواسيب المحمولة، وغيرها من الأجهزة التي تعتمدون عليها يوميًا. وأوضحوا كيف ساهمت في نشر هذه التقنية وكيف ستفعل الشيء نفسه للأجهزة التي تعمل بالطاقة الكمومية في المستقبل.

المصدر – Nature Communications

التشغيل ذو الوضعين: ضوئي وإلكتروميكانيكي

من الجدير بالذكر أن مُعدِّل الطور الضوئي يمكنه العمل في وضعين مميزين. الأول هو وضع الضوء المتنقل، الذي ينقل ويوجه الموجات الفوتونية على الدوائر. تدعم هذه الاستراتيجية توزيع التشابك، التوجيه، والتماسك، مما يجعلها حاسمة لمعظم العمليات.

الوضع الثاني هو الرنين الميكانيكي بنمط التنفس القابل للتحفيز كهربائيًا، والذي يعتمد على الميكروويفات المطبقة على البنى النانوية، محدثًا فعلًا بيزوكهربائيًا. تغير هذه الميكروويفات معدلات تذبذب الفوتون والحقول الضوئية. من الجدير بالذكر أن هذا الوضع يدعم قوى ضوئية عالية، مما يجعله مثاليًا للحسابات الكمومية المتقدمة.

معايير الأداء: الاستقرار والكفاءة

أجرى المهندسون عدة اختبارات على محلل طيف الترددات الراديوية لاختبار مخرجات الرقاقة. لإنجاز هذه المهمة، ركب الفريق الرقاقة على ذراع كان يحتوي على مصدر ليزر متصل بمقاييس ألياف.

تم توصيل الطرف الآخر للجهاز بمحوّل تردد صوتي‑ضوئي (AOFS). مرر المهندسون الضوء عبر كلا طرفي الجهاز ثم أعادوا دمجه باستخدام مقسم اتجاهي 50/50. يتيح ذلك توجيه الفوتونات إلى محلل الطيف، مما يزيد الدقة.

حققت الرقاقة الجديدة تصنيف قدرة ضوئية 730 نانومتر، متجاوزة الهدف البالغ 500 ملليواط الذي حدده المهندسون. بالإضافة إلى ذلك، تمكن الفريق من ضبط هندسة الجهاز لتعزيز التفاعل الضوئي‑ميكانيكي. كشف الاختبار عن أعماق تعديل تصل إلى 4.85 راديان باستخدام مجرد 80 ملليواط من الميكروويف مضبوطة على 2.31 جيجاهرتز.

بشكل مثير للإعجاب، سجلت الوحدة أقل خسارة تردد لأي رقاقة حتى الآن. على وجه التحديد، أشار المهندسون إلى أن الرقاقة الجديدة كانت أكثر استقرارًا بـ 15 مرة وأكثر كفاءة بـ 100 مرة من حيث متطلبات طاقة الميكروويف مقارنةً بالرقائق الكمومية الحالية المستخدمة.

المزايا الرئيسية لتصنيع CMOS

هناك العديد من الفوائد التي ستجلبها الرقائق الفوتونية المنتجة ضخمًا إلى السوق. أولاً، يمكن تصنيعها بأعداد هائلة، مما يتيح للتقنية الانتقال من وصول حصري إلى خيار حوسبة شائع. طريقة التصنيع هذه أكثر تكلفة وستُمكّن المهندسين من إنشاء حواسيب كمومية صغيرة نسبيًا تدمج آلاف الكيوبتات.

اسحب للتمرير →

هذه الطريقة في التصنيع قادرة، لأول مرة، على إنشاء نسخ متطابقة من هذه الأجهزة التقنية المعقدة. تعني هذه القدرة أن المهندسين سيتمكنون من إنشاء وتوزيع تصاميم الحواسيب الكمومية المستقبلية للجماهير باستخدام طرق موجودة بالفعل.

صغر الحجم

أحد أكبر مزايا هذا التصميم هو صغر حجمه. بنسبة 100 مرة أصغر من شعرة بشرية، هذه الرقائق قادرة على دعم تصاميم حواسيب كمومية قوية. ستدمج هذه الوحدات آلاف الكيوبتات مثل رقاقة (IBM )Condor من IBM، التي تدير 1,121 كيوبت ولكنها ذات شكل فيزيائي أكبر بسبب اللّامين الأكبر.

أداء عالي

بشكل مثير للإعجاب، يمكن لهذه الرقائق توفير قدرة حوسبة مماثلة لأكثر الآلات تقدمًا اليوم. يمكنها دعم أكثر من 500 ملليواط من القدرة الضوئية، وهو الحد الأعلى الحالي للحوسبة الكمومية المتقدمة. كما يدعم التصميم الجديد قدرة ضوئية ودقة أعلى مع استهلاك طاقة أقل بكثير.

كفاءة أكبر

يتطلب تعديل الطور المستخدم في هذا النهج طاقة ميكروويف أقل بكثير مقارنةً بالسابقين. على وجه التحديد، أشار المهندسون إلى أن جهازهم يمكنه تنفيذ عمليات كمومية باستخدام طاقة أقل بـ 80 مرة. وبالتالي، ينتج حرارة أقل بكثير، مما يتيح ربطه بمزيد من الرقائق لإنشاء أجهزة أقوى.

التطبيقات العملية: الاستشعار والشبكات

هناك عدة تطبيقات لهذه التقنية. الاستخدام الواضح هو دعم تصميم الحواسيب الكمومية المستقبلية. هذه الرقائق عالية الأداء صغيرة بما يكفي لتُجمع معًا بإحكام وتكون كفءً طاقةً بحيث لا تخلق مخاوف من ارتفاع الحرارة في هذا التكوين.

الاستشعار الكمومي

توفر المستشعرات الكمومية دقة أكبر بكثير مقارنةً بالمستشعرات التقليدية. تحقق ذلك من خلال استخدام التراكب، التشابك، والضغط. تسمح هذه العمليات للجهاز بقياس التغييرات في المجالات المغناطيسية، الجاذبية، الوقت، الحرارة، وأكثر بدقة. يمكن لهذه الرقائق أن تساعد في جعل هذه المستشعرات أكثر تكلفة معقولة.

الشبكات الكمومية

تطبيق رئيسي آخر هو الشبكات الكمومية. تستغل هذه التقنية التشابك لتواصل البيانات بمعدلات نقل عالية. على وجه التحديد، تستخدم أزواج بيل الكمومية والتلغرام لنقل الحالات دون استنساخ. هدف هذه التقنية هو إنشاء بنية تحتية للإنترنت الكمومي يومًا ما.

الطريق إلى التسويق: خارطة الطريق لمدة 7-10 سنوات

سيستغرق الأمر حوالي 7-10 سنوات قبل أن تصل هذه التقنية إلى الجمهور. بشكل حاسم، ستكون تقنية التصنيع هذه عاملًا محوريًا في دفع تبني التقنيات الكمومية، ولكن أولاً يجب إتقانها. ومع ذلك، بمجرد الشراكة مع المصنع المناسب، ستدعم الاستراتيجية منخفضة التكلفة المزيد من التكامل والتبني.

فريق البحث والتمويل

استضافت جامعة كولورادو في بولدر دراسة الرقائق الفوتونية بمشاركة مختبر سانديا الوطني. شارك بالتحديد نيلس ت. أوترستروم، مات إيتشنفيلد، جاكوب م. فريدمان، ماثيو ج. ستوري، دانييل دومينغيز، أندرو لينهير، وسيباستيان ماغري في هذا العمل.

تلقت الدراسة دعمًا ماليًا وماديًا من وزارة الطاقة الأمريكية عبر برنامج مسرّع الأنظمة الكمومية، الذي تستضيفه المركز الوطني لأبحاث مبادرة العلوم الكمومية.

أهداف البحث المستقبلية

سيتوجه الفريق الآن إلى إنشاء دوائر فوتونية متكاملة قادرة على تجاوز مقاييس الأداء السابقة. يسعى الفريق إلى تحسين قدرات توليد وتصفية التردد للرقاقة، إلى جانب نهج تشكيل النبضات، لتعزيز الأداء أكثر.

كما سيبحث المهندسون عن شركاء استراتيجيين للمساعدة في تشغيل طريقة التصنيع الخاصة بهم. يعني ذلك التواصل مع مواقع تصنيع CMOS الرائدة وتأمين جزء من مصنعهم لهذا التصميم الجديد.

أفضل أسهم الحوسبة الكمومية للمراقبة

يستمر قطاع الحوسبة الكمومية في التوسع، مع زيادة المنافسة شهريًا. يواصل مصممو الحواسيب الكمومية الرائدون، ومصنّعو الرقائق، والمبرمجون دفع هذه التقنية إلى آفاق جديدة، فاتحين الباب للابتكارات في القدرة الحاسوبية. إليك شركة واحدة لا تزال في طليعة هذه الثورة.

IonQ (IONQ): رائد في أنظمة الأيونات المحاصرة

IonQ (IONQ ) أُطلقت في عام 2015 لدفع التقنية الكمومية قدمًا. تأسست الشركة على يد خبيرين في الحوسبة الكمومية، كريستوفر مونرو ود. جونغسانغ كيم. من الجدير بالذكر أن مونرو كان محوريًا في الدراسات الكمومية ويُعتبر رائدًا في الصناعة.

ساهمت IonQ في ابتكار التقنية، بما في ذلك إنشاء أول رقاقة أيون يتربيوم 5 تعمل بخوارزمية ديشتش-جوزا. كما أطلقت أول خدمة كمومية تجارية (QCaaS) مع أيونات محاصرة. ساعدت هذه التطورات الشركة على تأمين تمويل بقيمة 636 مليون دولار.

حاليًا، تقدم الشركة عدة منتجات كمومية عالية المستوى، بما في ذلك نظام Aria بقدرة 32 كيوبت قابل للتركيب في رفوف. بالإضافة إلى ذلك، أمنت الشركة شراكات استراتيجية مع AWS/Azure/Google Cloud، ومزودي سحابة رائدين آخرين.

أولئك الذين يبحثون عن مزود موثوق للحوسبة الكمومية يمتلك سنوات من الخبرة يجب أن يفكروا في إجراء مزيد من البحث حول IonQ. تمتلك الشركة حاليًا قيمة سوقية تبلغ 16.3 مليار دولار. ومن الجدير بالذكر أن سهمها شهد تقلبًا مؤخرًا، حيث وصل إلى أعلى مستوى 84.64 دولار وأدنى مستوى 17.88 دولار.

آخر أخبار أداء سهم IonQ (IONQ)

الخلاصة

لا يمكن التقليل من أهمية تطوير طريقة لإنتاج الرقائق الفوتونية على نطاق واسع بنجاح. هذه التقنية هي جوهر توسع الحوسبة الكمومية وستحتاج إلى إتقان قبل أن تصبح متاحة للجمهور. من المؤكد أن هذا التطور الأخير سيقلل من تكاليف إنشاء الأجهزة الكمومية، مما سيوفر إمدادًا مستقرًا من الرقائق للسوق في المستقبل.

تعرف على ابتكارات تقنية الحوسبة الرائعة الأخرى هنا.

المراجع

^{1. Freedman, J. M., Storey, M. J., Dominguez, D., Leenheer, A., Magri, S., Otterstrom, N. T., & Eichenfield, M. (2025). Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit. Nature Communications, 16(1), 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}