سطح ميتا جديد يخلق مصدر ضوء كمومي قابل للتوسع

حل الضوء الكمومي

تحمل الحوسبة الكمومية العديد من الوعود، من حل الحسابات التي لا يمكن حسابها بطرق تقليدية، وربما كسر جميع أشكال التشفير الحالية على الطريق، إلى إنشاء حواسيب فائقة الكفاءة من حيث استهلاك الطاقة.

إذا أصبحت الحواسيب الكمومية قوية بما فيه الكفاية، يمكنها أن تحدث ثورة كاملة في الطب من خلال حساب تكوين البروتين ثلاثي الأبعاد بشكل فوري، وعلوم المواد، ونمذجة المناخ، أو حتى تدريب الذكاءات الاصطناعية.

على الأرجح، سيتم التواصل بين الشرائح الكمومية والحواسيب الكمومية باستخدام الجسيم الأساسي للضوء: الفوتونات.

وبشكل أكثر دقة، الفوتونات المتشابكة، حيث تتفاعل مع بعضها عبر التأثيرات الكمومية، حتى عندما تكون منفصلة. خاصةً بعد إثبات أنه يمكننا استخدام الألياف البصرية العادية لنقل البيانات الكمومية على مسافة لا تقل عن عدة عشرات من الكيلومترات.

مع ذلك، كان إنتاج الفوتونات المتشابكة تحديًا كبيرًا، ويعيق إمكانية توسيع الحواسيب الكمومية إلى حجم وموثوقية وتكلفة تجعلها مفيدة.

يتم تطوير حلول بديلة، على سبيل المثال، إنتاج فوتونات فردية من مصدر فوتون غير مثالي، عبر البصريات غير الخطية وتلغيم الفوتون الفردي. تعزيز كفاءة مصادر الضوء باستخدام الإربيوم هو خيار محتمل آخر.

لكن في النهاية، قد تكون الكثير من هذه الحلول معقدة جدًا لحل المشكلة، وهذا هو السبب في أن مادة ميتا مطورة حديثًا قد تغير مستقبل الحواسيب الكمومية. هذا المكوّن النانوي، القادر على نقل المعلومات الكمومية القابلة للتوسع إلى الضوء مع انخفاض التشوش، تم تطويره بواسطة باحثين في جامعة Harvard ونُشر في المراجعة المرموقة Science¹ تحت العنوان “Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference”.

مصادر الضوء الكمومي

من أجل نقل البيانات بين مكونات الحاسوب الكمومي الفرعية وبين حواسيب كمومية مختلفة، يجب الحفاظ على البيانات الكمومية. عادةً ما يتم ذلك من خلال إنشاء جسيمات متشابكة، خاصةً الفوتونات.

ستقوم هذه الجسيمات المتشابكة بتكرار حالة بعضها البعض، حتى عندما تكون مفصولة بمسافات كبيرة.

حتى الآن، كان الباحثون في الحوسبة الكمومية يستخدمون بشكل أساسي طرقًا “تقليدية” لتوليد الفوتونات المتشابكة. يتم ذلك إما بتمرير الفوتونات عبر مسارات موجية على شرائح دقيقة ممتدة أو عبر أجهزة ضخمة مكوّنة من عدسات، مرايا، ومقسمات الحزم.

المشكلة هي أن هذه الأنظمة كبيرة جدًا، معقدة، وصعب إنتاجها بكميات كافية لتوسيع الطريقة إلى الأعداد المطلوبة لشبكة كمومية.

مشكلة أخرى هي “فقدان التماسك”. تزداد التعقيدات الرياضية كلما ارتفع عدد الفوتونات وبالتالي عدد الكيوبتات.

كل فوتون إضافي يضيف العديد من مسارات التداخل الجديدة، والتي في إعداد تقليدي ستتطلب عددًا متزايدًا بسرعة من مقسمات الحزم ومخارج الإخراج.

السطح الميتا الكمومي

المواد الميتا

المواد الميتا تقوم بتغيير بنية مادة معينة، مما يمنحها خصائص مختلفة عن خصائص المواد الأساسية التي تتكون منها.

يتم ذلك غالبًا بإنشاء أنماط متكررة ذات شكل دقيق، هندسة، حجم، توجيه، إلخ، كلها على المستوى النانوي.

إنشاء هياكل دقيقة منتظمة بطريقة مُتحكم فيها يمكن أن يؤدي إلى تحسين أداء المادة مقارنةً بمكونها الأساسي. يمكن أن يتأثر ذلك بالعديد من الخصائص المختلفة، مثل الكهرومغناطيسية، الصوتية، قوة الهيكل، الحرارية، إلخ.

المصدر: Science

هذا ما أنشأه الباحثون في Harvard، باستخدام نوع جديد من الأسطح الميتا، أجهزة مسطحة محفورة بنقوش نانوية تتحكم في الضوء.

“نحن نقدم ميزة تكنولوجية كبيرة عندما يتعلق الأمر بحل مشكلة القابلية للتوسع.

الآن يمكننا تصغير إعداد بصري كامل إلى سطح ميتا واحد يكون مستقرًا ومتينًا للغاية.

Kerolos M.A. Yousef – طالب دراسات عليا في Harvard

كيف يتيح السطح الميتا الضوء الكمومي القابل للتوسع

يمكن التعامل مع التعقيد الرياضي لعدد كبير من الفوتونات المطلوبة للحسابات الكمومية المعقدة باستخدام فرع من الرياضيات يُسمى نظرية الرسوم البيانية. تُشرح ببساطة بأنها تستخدم النقاط والخطوط لتمثيل الاتصالات والعلاقات.

المصدر: Science

بينما تُستخدم نظرية الرسوم البيانية في بعض أنواع الحوسبة الكمومية وتصحيح الأخطاء الكمومية، لم تُستَخدم بعد في سياق الأسطح الميتا، خاصةً في تصميمها وتشغيلها.

مكّنت نظرية الرسوم البيانية الباحثين من تحديد بصريًا كيفية تداخل الفوتونات مع بعضها وتوقع تأثيراتها في التجارب.

جهاز تشابك الفوتونات الجديد

باستخدام نظرية الرسوم البيانية وتقنيات تصنيع أشباه الموصلات التجارية، أنشأ الباحثون “مقاطع تداخل متعددة المنافذ مدمجة”.

استخدموا نظرية الرسوم البيانية لتشفير كل من التصميم الفيزيائي والارتباطات الكمومية التي ينتجها داخل البنية النانوية لمقاطع التداخل.

“كما يوفر رؤية جديدة في فهم وتصميم وتطبيق الأسطح الميتا، خاصةً لتوليد والتحكم في الضوء الكمومي. باستخدام نهج الرسوم البيانية، يصبح تصميم السطح الميتا وحالة الكم الضوئية جانبين من نفس العملة.”

Neal Sinclair – باحث في Harvard University

ثم اختبروا أدائه باستخدام كواشف أسلاك نانوية فائقة التوصيل لقياس سلوك الفوتونات.

ثبت أن هذا النهج يوفر العديد من المزايا:

• التصميم لا يتطلب محاذاة معقدة، مما يجعل التصنيع والإعداد أسهل بكثير.
• إنه مقاوم جدًا للاضطرابات، مع خسائر بصرية منخفضة.
• إنه سهل التصنيع، مما يجعله أكثر قابلية للتوسع وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

تركز هذا العمل في المقام الأول على التطبيقات المحتملة في الحوسبة الكمومية.

قد يكون مفيدًا أيضًا في الاستشعار الكمومي، أو يقدم قدرات “مختبر على رقاقة” للبحث العلمي الأساسي.

“أنا متحمس لهذا النهج، لأنه يمكن أن يوسع بشكل فعال الحواسيب الكمومية البصرية والشبكات — والتي كانت طيلة الوقت أكبر تحدٍ لها مقارنةً بالمنصات الأخرى مثل الموصلات الفائقة أو الذرات،”

Neal Sinclair – باحث في Harvard University

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

هوني ويل / كوانتينوم

كوانتينوم هو نتيجة دمج Honeywell Quantum Solutions و Cambridge Quantum.

تظل Honeywell المساهم الرئيسي في الشركة (من المحتمل 52% من الملكية) بعد جولة تمويل قيمتها 5 مليارات دولار. يُذكر أن المؤسس Ilyas Khan يمتلك حوالي 20% من الشركة. تشمل المساهمين الآخرين JSR Corporation، Mitsui، Amgen، IBM، و JP Morgan.

من المحتمل أن يتم طرح كوانتينوم للاكتتاب العام في المستقبل، ربما كجزء من إعادة هيكلة مؤسسية أكبر، من المتوقع أن تصل قيمتها إلى 20 مليار دولار وقد يحدث بين 2026 و2027.

الحوسبة الكمومية ليست الجزء المركزي في أعمال Honeywell؛ فهي تركز أكثر على منتجات في مجال الطيران، الأتمتة، والكيماويات المتخصصة والمواد.

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

النموذج الرئيسي للشركة حاليًا هو H2، شريحة أيونات محاصرة بـ56 كيوبت، مع دقة بوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 99.895٪.

الأجيال الثلاثة القادمة، التي ستصل إلى أكثر من 1000 كيوبت، مخطط لها بالفعل، مع الإصدارات القادمة المقررة في 2025، 2027، و2029.

المصدر: Quantinuum

الإصدار الأحدث، المسمى Apollo، سيكون الاختراق الذي سيمكن تنفيذ عدد لا يحصى من التطبيقات التجارية باستخدام الحوسبة الكمومية.

في الختام، من خلال الجمع بين التقدم في جاهزية الأجهزة وتصحيح الأخطاء الكمومية (QEC)، لدينا رؤية واضحة للوصول إلى Apollo بحلول نهاية العقد، وهو نظام كمومي كامل مقاوم للأخطاء. سيكون هذا نقطة تحول تجارية؛ سيفتح عصرًا من الاكتشاف العلمي في الفيزياء والمواد والكيمياء والمزيد.

سعت الشركة إلى حوسبة عالية الجودة مع عدد قليل جدًا من الأخطاء، بدلاً من إضافة أكبر عدد ممكن من الكيوبتات المعرضة للفشل، مما يخلق ما يُسمى “الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء”.

تُصنّف هذه المقاربة من قبل الشركة بـ “كيوبتات أفضل، نتائج أفضل”، حيث يحقق عدد مماثل من الكيوبتات نتائج أكثر موثوقية بمعدل 100 إلى 1,000 مرة.

المصدر: Quantinuum

قد يُحدث هذا فرقًا ملحوظًا في مجال التشفير المقاوم للكم، الذي يُحتاج إليه بشدة، مع شركة الدفاع Thales (HO.PA -0.96%) تتعاون بالفعل مع Quantinuum وكذلك البنوك الدولية HSBC وJP Morgan.

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

مثل العديد من شركات الحوسبة الكمومية الأخرى، Quantinuum تقدم Helios، وهو “الأجهزة كخدمة” (hardware-as-a-service)، 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 في أوروبا. ستجلب Infineon تقنيتها في الفوتونيات المتكاملة والإلكترونيات التحكمية للمساعدة في إنشاء الجيل التالي من الحواسيب الكمومية بأيونات محاصرة.

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

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

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

Quantinuum يعلن عن اختراق في الذكاء الاصطناعي الكمومي التوليدي مع إمكانات تجارية هائلة

الإعلان في هذه النشرة هو جزء من سلسلة من الأخبار المتعلقة بالتقدم السريع للاتصال بين الذكاء الاصطناعي والحوسبة الكمومية التي أُجريت في Quantinuum.

يمكن أن تعزز المزيد من حالات الاستخدام المستمرة بشكل كبير القيمة المستقبلية للشركة، وبالتالي حصة Honeywell فيها، وربحية المستثمرين المحتملة منها.

(يمكنك أيضًا قراءة تقريرنا الكامل حول الأعمال الأساسية لشركة Honeywell في المستشعرات، قطع الغيار الجوية، والمواد المتقدمة، بالإضافة إلى مشاركتها في Quantinuum

آخر أخبار وتطورات سهم هوني ويل (HON)

الدراسة المشار إليها

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}