مايكروسوفت تخترع حالة مادة جديدة لشريحة الحوسبة الكمومية ماجورانا-1

حالة مادة جديدة لتوسيع الحوسبة الكمومية

لقد كانت الأشهر القليلة الماضية مليئة بالأحداث لتقدم الحوسبة الكمومية والشركات التي غطيناها في “أفضل 5 شركات حوسبة كمومية في عام 2025”.

بدأ ذلك مع Willow من جوجل في ديسمبر 2024، ربما أول شريحة كمومية قابلة للتوسع على الإطلاق. ثم تلا ذلك خبر أول حوسبة كمومية موزعة عبر رابط شبكة بصرية، مما يفتح الطريق لربط الحواسيب الكمومية مثل الحواسيب العادية في خوادم مخصصة.

الآن جاء دور مايكروسوفت لإحداث ضجة كبيرة من خلال تقديم شريحة ماجورانا 1، وهي شريحة تستخدم حالة مادة جديدة تمامًا لأداء الحوسبة الكمومية: الموصلات الطوبولوجية.

تدعي مايكروسوفت أن الموصلات الطوبولوجية يمكنها إنتاج كيوبتات أكثر موثوقية وقابلية للتوسع، وهي اللبنات الأساسية للحواسيب الكمومية.

هذا المسار الجديد تمامًا للحوسبة الكمومية يغيّر جذريًا طريقة مايكروسوفت في بناء حواسيبها الكمومية المستقبلية، مع “مسار واضح لتجميع مليون كيوبت على شريحة واحدة يمكن أن توضع في راحة اليد”.

ما هي الموصلات الطوبولوجية؟

يبدو أن أصل الاختراق ينبع من نهج جديد، يركز على إنشاء ترانزستور مخصص للحوسبة الكمومية، متجاوزًا ما تم إنجازه حتى الآن.

“خطونا خطوة إلى الوراء وقالنا ‘حسنًا، دعونا نختَرع الترانزستور لعصر الكم. ما الخصائص التي يجب أن يمتلكها؟

وهذا هو ما أوصلنا إلى هنا – إن الجمع الخاص، الجودة، والتفاصيل المهمة في مجموعة المواد الجديدة لدينا هي التي مكنت من كيوبت جديد وفي النهاية بنية كاملة لنا.”

Chetan Nayak, Microsoft technical fellow (MSFT )

الموصلات الفائقة الطوبولوجية، التي وُصفت في الورقة المقابلة المنشورة في Nature¹ تحت عنوان “القياس التماثلي أحادي اللقطة في أجهزة هجينة InAs–Al“، هي حالة مادة تختلف عن الحالات الأكثر شيوعًا كالصلبة، السائلة أو الغازية، أو حتى الحالات الأكثر غرابة مثل بلازما تكاثف بوز-آينشتاين.

كانت الحالة الطوبولوجية مجرد نظرية حتى الآن، أولاً من قبل إيتوري ماجورانا (1906-1938)، لكن يبدو الآن أنها ليست فقط قابلة للملاحظة بل حتى قابلة للتحكم. هذا جسيم ماجورانا (المعروف أيضًا باسم فيرميون ماجورانا)، وهو جسيم هو نفسه جسيم مضاد له، رصده باحثو مايكروسوفت للمرة الأولى في عام 2024.

جسيمات ماجورانا تشبه الإلكترونات إلى حد ما ويمكن استخدامها للحفاظ على البيانات الكمومية المفيدة للحوسبة الكمومية.

لم يكن هذا نجاحًا فوريًا على الإطلاق، ويبدو أنه نتيجة لأكثر من 17 عامًا من البحث، وهو أطول مشروع بحثي لمايكروسوفت، وحتى الآن كان سرًا محفوظًا جيدًا.

لتبسيط الأمور (بشكل كبير)، الموصل الطوبولوجي هو شبه موصل يشارك بعض سلوكه على المستوى الذري وتحت الذري مع مواد الموصل الفائق.

المصدر: Microsoft

تم تحقيق ذلك عن طريق دمج إنديوم أرسينيد (شبه موصل) والألمنيوم (موصل فائق) في سلك واحد.

المصدر: Physical Review

عند تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق وضبطها بالحقول المغناطيسية، تُكوّن هذه الأجهزة أسلاكًا نانوية فائقة طوبولوجية، تحتوي على ما يُسمى أوضاع ماجورانا الصفرية (MZMs) في نهايات الأسلاك.

المصدر: Microsoft

حالة كمومية فائقة الاستقرار

في الموصل الفائق “العادي”، يمكن اكتشاف أي إلكترون غير مزدوج لأنه يتطلب طاقة إضافية لوجوده. هذا يجعل قياسه بسيطًا، لكنه أيضًا يجعله حساسًا جدًا للضوضاء والاضطرابات من البيئة، مما يصعّب أي حساب كمومي.

تختلف أوضاع ماجورانا الصفرية (MZMs) جذريًا، حيث يُشارك إلكترون غير مزدوج بين زوج من MZMs، مما يجعله غير مرئي للبيئة. هذه الخاصية الفريدة لجسيمات ماجورانا تحمي المعلومات الكمومية، مما يجعلها فائقة الاستقرار والموثوقية.

الإلكترونات غير المرئية

بالطبع، بينما هذا مثالي للحفاظ على الحالة الكمومية في حالة مستقرة ومفيدة، فإنه يجعل أي قياس فعلي لها صعبًا للغاية، ولذلك كانت جسيمات ماجورانا نظرية فقط لمئة عام حتى وقت قريب جدًا.

بينما يجعل هذا موصلاتنا الطوبولوجية مرشحين مثاليين للكيوبتات، فإنه يقدم أيضًا تحديًا: كيف نقرأ المعلومات الكمومية المخفية بهذه الدرجة؟ كيف يمكننا التمييز بين، على سبيل المثال، 1,000,000,000 و 1,000,000,001 إلكترون؟

حل مايكروسوفت لهذه المشكلة استند إلى النقاط الكمومية، مادة فريدة ناقشناها على نطاق واسع في “الاستثمار في إنجازات جائزة نوبل – النقاط الكمومية والألوان النانوية“. يمكن وصفها بأنها جهاز شبه موصل صغير يمكنه تخزين الشحنة الكهربائية.

يُوضع النقطة الكمومية في نهاية السلك النانوي الطوبولوجي. هذه الوصلة تزيد من قدرة النقطة على احتفاظ الشحنة. والأهم، الزيادة الدقيقة تعتمد على تماثل السلك النانوي.

المصدر: Microsoft

وبالتالي، من خلال قياس حالة النقاط الكمومية، وهي عملية مفهومة جيدًا باستخدام الموجات الدقيقة، يمكن للنظام أيضًا قياس الحالة الكمومية غير المرئية لجسيم ماجورانا.

المصدر: Nature

ليس فقط أن القياس ممكن، بل هو أيضًا موثوق للغاية، حتى مع النموذج الأولي الأول، قبل أي تحسين إضافي.

صممنا أجهزتنا بحيث تكون هذه التغييرات كبيرة بما يكفي للقياس بشكل موثوق في لقطة واحدة. كانت احتمالية الخطأ في قياساتنا الأولية 1٪، وقد حددنا مسارات واضحة لتقليل ذلك بشكل كبير.

كيوبتات فائقة الاعتمادية

إنه يغيّر تمامًا النهج المتبع لقياس الحالة الكمومية المستخدم في الحوسبة الكمومية.

حتى الآن، كان ذلك يتطلب تدوير الحالات الكمومية عبر زوايا دقيقة، مما يستلزم إشارات تحكم تماثلية معقدة مخصصة لكل كيوبت. جعل ذلك تصحيح الأخطاء، الذي يعتمد على نفس الطريقة، معقدًا للغاية ومكلفًا وأقل موثوقية بشكل عام.

بدلاً من ذلك، يمكن للطريقة التي اكتشفتها مايكروسوفت تصحيح الأخطاء ببساطة عن طريق ربط وإلغاء ربط النقاط الكمومية من الأسلاك النانوية، باستخدام نبضة رقمية.

المصدر: Microsoft

إذا كنت مهتمًا، يمكنك معرفة المزيد عن تفاصيل تطوير الموصلات الطوبولوجية في هذه المقابلة الطويلة مع الدكتور شيتان نايك، القائد وراء مشروع مايكروسوفت هذا.

معمارية قابلة للتوسع بطبيعتها

نظرًا لأن النظام أبسط بكثير من حيث الهندسة، إن لم يكن من حيث فيزياء الجسيمات، وهو أيضًا أكثر موثوقية واستقرارًا، فإنه من الطبيعي أن يكون أسهل في التوسع.

المكوّن الأساسي سيكون “تيترون”، مكوّن من سلكين نانويين، 4 أوضاع ماجورانا صفرية (MZM)، و4 نقاط كمومية، مما يُنشئ جهازًا بكيوبتين.

عند إقرانه بآخر، يمكنه تشكيل جهاز أساسي بكيوبتين يدعم طريقة تُستخدم في الحوسبة الكمومية تُسمى “تحويلات الضفيرة القائمة على القياس“.

يمكن لمصفوفة 4×2 من التيترونات أن تُجري اكتشاف الأخطاء على كيوبتين منطقيتين.

المصدر: Microsoft

يمكن بعد ذلك تكرار هذه الكتلة عشرات أو مئات أو في النهاية آلاف أو ملايين المرات لبناء حاسوب كمومي ضخم، أكبر بكثير من أي شيء تم تصوره حتى الآن.

ربما ليس من المفاجئ أن الحوسبة الكمومية تتطلب منا هندسة حالة مادة جديدة مصممة خصيصًا لتمكينها.

ما هو المدهش هو مدى دقة تقنية القراءة لدينا بالفعل، مما يُظهر أننا نستغل هذه الحالة المادية الغريبة للحوسبة الكمومية.

يمكنك رؤية مظهر شريحة ماجورانا من هذا العرض، بدءًا من جسيم ماجورانا وحتى الشريحة الكاملة التي تُحمل في يد شخص.

أخيرًا، الجزء الأساسي الذي يجعل هذه التقنية قابلة للتوسع بشكل خاص هو صغر حجم المكوّنات الفيزيائية. نتيجة لذلك، يمكن إدراج أكثر من مليون كيوبت فيزيائي في شريحة صغيرة يمكن حملها في اليد.

المصدر: Microsoft

تحسين إضافي

كما هو موضح، حتى احتمال الخطأ بنسبة 1٪ في قياس النقاط الكمومية وMZM يمكن تقليله أكثر. يرى باحثو مايكروسوفت بالفعل طريقة للقيام بذلك.

نظرًا لأن الأخطاء في الحوسبة تتراكم على بعضها البعض، فإن تقليل معدل الخطأ بمقدار 10 أضعاف قد يزيد بشكل كبير من القدرة الحوسبية المفيدة النهائية.

شيء آخر يمكن تحسينه هو استقرار الحالة الكمومية العامة لجسيمات ماجورانا.

“يمكن للطاقة الخارجية—مثل الإشعاع الكهرومغناطيسي—أن تكسر أزواج كوبر، محدثة إلكترونات غير مزدوجة يمكنها قلب حالة الكيوبت من تماثل زوجي إلى تماثل فردي. ومع ذلك، تُظهر نتائجنا أن هذا نادر، يحدث مرة واحدة فقط في كل مللي ثانية في المتوسط.”

نظرًا لأن النظام الذي طورته مايكروسوفت أظهر استقرارًا مثيرًا للإعجاب، فهذا يدل على أن الحماية تقوم بعملها جيدًا بالفعل. ومع ذلك، من المحتمل وجود طرق أخرى لتقليل التداخل أكثر، وهي أيضًا قيد التحقيق حاليًا.

تسريع ثورة الحوسبة الكمومية

الخطوة التالية لمايكروسوفت هي بناء مصفوفة التيترون 4×2 بما يتجاوز النموذج الأولي الأول واختبارها على نطاق واسع.

ثم استخدام مصفوفة الكيوبت الثمانية بالكامل لتنفيذ اكتشاف الأخطاء الكمومية (QEC) على كيوبتين منطقيتين.

نظرًا لأن الكيوبت الطوبولوجية لديها حماية مدمجة من الأخطاء، فإن ذلك يبسط QEC بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، تدعي مايكروسوفت أن رموز QEC المخصصة تقلل العبء بحوالي 10 أضعاف مقارنةً بالنهج السابق المتقدم.

لذا، ليس فقط أن الكيوبت المستندة إلى ماجورانا أكثر موثوقية، بل يمكنها أيضًا العمل بسرعة أكبر وتحتاج إلى عدد أقل من الكيوبت الفيزيائية لإنتاج كيوبت منطقي واحد.

(الكيوبت المنطقية هي وحدات القياس المفيدة للتطبيقات العملية، كما يُقاس المعالج بالعمليات في الثانية وليس فقط بعدد الترانزستورات التي يحتويها)

“نعتقد أن هذا الاختراق سيمكننا من إنشاء حاسوب كمومي ذو معنى حقيقي ليس خلال عقود، كما توقع البعض، بل خلال سنوات.”

Satya Nadella – الرئيس التنفيذي لمايكروسوفت

التطبيقات

العلوم

تركّز اتصالات مايكروسوفت حول ماجورانا 1 في الغالب على النتائج العلمية التي يمكن أن تُنتجها، خاصة في مجال الأحياء وعلوم المواد.

هذه مجالات مهمة جدًا للحوسبة الكمومية، حيث إن حساب كيفية تصرف البروتينات إلى المواد المعقدة للبطاريات على المستوى الذري يتطلب حسابًا هائلًا، مما يدفع الحواسيب الفائقة الحالية إلى حدودها.

ستتمكن الحواسيب الكمومية القابلة للتوسع من محاكاة هذه المشكلات بملايين أو حتى تريليونات المرات بشكل أكثر كفاءة، مما قد يتيح تدفقًا هائلًا من الاكتشافات الجديدة.

سيتم ذلك ليس فقط من خلال إجراء حسابات كانت مستحيلة سابقًا، بل أيضًا من خلال تجنب مليارات الدولارات في البحث التجريبي المكثف والتجارب المخبرية.

• مواد ذاتية الشفاء تُصلح تشققات الجسور.
• زراعة مستدامة.
• اكتشاف كيميائي أكثر أمانًا.

في مقابلة استمرت ساعة واحدة، أوضح الرئيس التنفيذي لمايكروسوفت أن من وجهة نظره، الطريقة لتقييم ما إذا كانت الحوسبة الكمومية والذكاء الاصطناعي تعمل بشكل كافٍ هي النمو الاقتصادي العالمي.

“المعيار الحقيقي هو إذا كان العالم ينمو بنسبة 10٪\” أكثر من أي مقاييس أخرى.”

Satya Nadella – الرئيس التنفيذي لمايكروسوفت

التشفير والدفاع

للحواسيب الكمومية القدرة على اختراق تقريبًا جميع طرق التشفير المستخدمة حاليًا، بما في ذلك للاتصالات العسكرية، رموز النووية، التحويلات المصرفية، وغيرها.

لذلك، هو بالطبع سؤال حاسم للغاية بالنسبة للحكومة الأمريكية (وجميع القوى الكبرى الأخرى) لتجنب الوقوع في فخ التقدم المفاجئ في الحوسبة الكمومية.

وكالة أبحاث الدفاع المتقدمة (DARPA) اختارت مايكروسوفت كواحدة من شركتين للتقدم إلى المرحلة النهائية من برنامجهم الصارم لتقييم الأداء المعروف باسم أنظمة غير مستكشفة للحوسبة الكمومية على نطاق المرافق (US2QC)، (الشركة الأخرى هي الحوسبة الكمومية الضوئية PsiQuantum).

جمعت US2QC خبراءً من DARPA، ومختبر أبحاث القوات الجوية، ومختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز، ومختبر لوس ألاموس الوطني، ومختبر أوك ريدج الوطني، ومركز أبحاث ناسا إيمز.

الحوسبة الكمومية وشركة جسيم ماجورانا

مايكروسوفت

بينما تُعرف مايكروسوفت بشكل أساسي بحضورها القوي في أنظمة التشغيل مع ويندوز، فهي أيضًا عملاق في العديد من المجالات التقنية الأخرى.

على سبيل المثال، هي الرائدة في حلول الأعمال، بما في ذلك Office (Outlook، Word، Excel، وPowerPoint)، وكذلك المكالمات المؤسسية (Teams)، وتخزين السحابة المشترك (OneDrive)، وVisio (الرسوم البيانية، المخططات)، وLoop (مساحة عمل تعاونية)، وAccess (قواعد البيانات).

بينما ليست الرائدة في خدمات السحابة (التي يهيمن عليها AWS من أمازون)، تُشكل مايكروسوفت 20٪ من بنية السحابة العالمية من خلال منصة Azure، وهو ما يعادل حصة Google + Alibaba + Oracle معًا.

المصدر: Statista

مايكروسوفت هي أيضًا مالكة LinkedIn وGitHub وXbox والعديد من أكبر استوديوهات ألعاب الفيديو في العالم.

المصدر: Microsoft

عندما يتعلق الأمر بالذكاء الاصطناعي، ركّزت مايكروسوفت أكثر على حالات الاستخدام التقنية وتطبيقات الأعمال بدلاً من التطبيقات الاستهلاكية، لا سيما مع برنامج AI4Science، المتعلق بالذكاءات الاصطناعية المفيدة للبحث العلمي.

يشمل ذلك، على سبيل المثال، تسريع عمل علماء المواد لتصميم جزيئات جديدة أو أقطاب بطاريات من خلال ذكاء اصطناعي يختصر 32 مليون مادة محتملة إلى 500,000 مرشح، ثم إلى 800 في أقل من 80 ساعة.

المصدر: Microsoft

شركات مثل Unilever تستخدم بالفعل هذه “الكيمياء التوليدية” لتسريع اكتشافاتها العلمية.

حتى الآن، عندما يتعلق الأمر بالحوسبة الكمومية، بدت مايكروسوفت متأخرة مقارنةً بجوجل أو IBM؛ كانت تقدم خدمات الحوسبة الكمومية السحابية عبر Azure Quantum. يمكن للخدمة أيضًا تقديم “الحوسبة الهجينة”، مزيجًا بين الحوسبة الكمومية وخدمة الحواسيب الفائقة التقليدية القائمة على السحابة.

المصدر: Microsoft

الآن بعد الكشف عن الأجهزة الثورية التي تستفيد من جسيمات ماجورانا، فإن ذلك يغيّر تمامًا موقف الشركة الفعلي.

بعيدًا عن التأخر، كانت ببساطة تُصقل إعلانها العظيم، وتُبني البرمجيات وحالات الاستخدام التي سيستخدمها عملاؤها الصناعيون مع حواسيبها الكمومية القابلة للتوسع.

هذا تحول جذري عن شركة تركز في الغالب على البرمجيات أكثر من الأجهزة، باستثناء جهاز Xbox.

وقد يكون ذلك مربحًا للغاية إذا تبين أن جسيم ماجورانا هو المفتاح لحواسيب كمومية قابلة للتوسع، وقوية بملايين الكيوبت، مما يوفر نموًا إضافيًا لشركة ضخمة بالفعل.

(يمكنك أيضًا قراءة مقالتنا التي تسلط الضوء على مايكروسوفت ككل بمزيد من التفصيل، بخلاف الحوسبة الكمومية، لفهم الشركة بشكل أفضل.)

مرجع الدراسة:

^{1. Microsoft Azure Quantum., Aghaee, M., Alcaraz Ramirez, A. وآخرون (2025) القياس التماثلي أحادي اللقطة في الأجهزة الهجينة InAs–Al. Nature 638, 651–655. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08445-2}