رقائق الكم قريبة من الواقع مع تصميم سيليكون قابل للتوسع

Diraq researchers unveiled a commercially viable high-fidelity quantum bit at scale fabrication method that could revolutionize the computing sector. This proof of principle utilizes traditional manufacturing processes that have been utilized for decades to provide reliable, large-scale, fault-tolerant quantum computer chips that retain maximum fidelity. Here’s what you need to know.

الطلب المتزايد على الحواسيب الكمومية الميسورة التكلفة يتصاعد

هناك طلب متزايد على خدمات الحوسبة الكمومية والمتخصصين فيها. وفقًا لتقارير تقارير، أنفقت الشركات بالفعل 2.35 مليار دولار على خدمات الكم العام الماضي. بالإضافة إلى ذلك، شهد القطاع زيادة ملحوظة في التوظيف، حيث تشير إحصاءات LinkedIn إلى ارتفاع بنسبة 180٪ في عدد الشركات التي تبحث عن محترفي الكم بين عامي 2020 و2024.

هناك العديد من الأسباب وراء ارتفاع الطلب على الحوسبة الكمومية. أحد هذه الأسباب هو التطبيقات العسكرية. في جميع أنحاء العالم، استثمرت الجيوش تمويلاً كبيراً على أمل الحصول على ميزة تنافسية على منافسيها.

مبادرة قياس الأداء الكمومي

تستضيف وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة للدفاع الأمريكية (DARPA) حاليًا مبادرة قياس الأداء الكمومي. هدف هذا المشروع هو تحديد ما إذا كان يمكن توسيع رقائق الحوسبة الكمومية وجعلها أكثر متانة من تصميمها الحالي، الذي يتميز بحالة كمومية هشة.

لتحقيق هذه المهمة، تم اختيار 18 شركة للتنافس فيما بينها للوصول إلى مستوى الاستخدام العملي داخل قطاع الحوسبة الكمومية. يشير مصطلح الاستخدام العملي إلى قدرة الحوسبة الكمومية على حل مشاكل تتجاوز قدرات الحواسيب الفائقة الحالية بكثير.

ستتطلب هذه المهمة تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي لتلبية متطلبات الدقة العالية. تشير الدقة إلى مدى صحة الرقاقة. سيحتاج المهندسون إلى إنشاء رقاقة كمومية يمكنها تخزين والوصول إلى كميات هائلة من المعلومات مع الحفاظ على أكثر من 100 كيوبيت بشكل موثوق عبر الحالة الكمومية الهشة.

رقائق كمومية قائمة على السيليكون

كان هناك العديد من تصاميم الرقائق الكمومية المختلفة التي استخدمت لإنشاء الأجهزة الكمومية. ومع ذلك، فإن تقديم الرقائق الكمومية القائمة على السيليكون يحمل مزايا هامة.
أولاً، يمكنها الاستفادة من مليارات الدولارات في البنية التحتية واستراتيجيات التصنيع الموجودة بالفعل للرقائق التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للرقائق استيعاب ملايين الكيوبيت على رقاقة واحدة. يتم وضع هذه الكيوبيت بدقة لتوفير حوسبة كمومية فعّالة.

الخطوات التالية

مع الاعتراف بالإمكانات التي توفرها تقنية السبين-كيوبيت السيليكونية، سعى المهندسون إلى إيجاد طرق لتعزيز تصاميم هذه الرقائق. شمل بحثهم اختبارات مخبرية واسعة. أثبتت نتائج المختبر دقتها. ومع ذلك، حتى الآن، لم تُجرَ أي محاولة للتحقق مما إذا كان يمكن تحقيق نفس مستوى الدقة باستخدام طرق التصنيع التقليدية على نطاق صناعي.

المصدر – Nature

من أجل إنجاز هذه المهمة، يحتاج المهندسون إلى التغلب على عدة تحديات مادية. سيتعين على تصميمهم مراعاة التداخل الناجم عن ضوضاء الشحنة والاضطراب الساكن. تحدث هذه المشكلات بسبب العيوب والفخاخ في الواجهات والأكسيدات الموجودة في تصاميم رقاقة السيليكون.

دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع

توفر الدراسة الحديثة بعنوان Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity¹ التي نُشرت في 24 سبتمبر في مجلة Nature، رؤى قيمة حول المقاييس الحاسمة المسؤولة عن تحقيق رقائق كمومية قابلة للتوسع.

إنه يربط بين قدرات المراقبة في الوقت الفعلي والقدرة على تصحيح الأخطاء الكمومية. على وجه الخصوص، يوضح الارتباطات بين الضوضاء الكهربائية ونقل شريط هول. كجزء من العمل، صممت Diraq برنامجًا جديدًا لنمذجة تصاميم الرقائق.

تعاونوا مع شركة تصنيع الرقائق imec، التي كانت مسؤولة عن التصنيع النهائي للجهاز. من هناك، أنشأ الفريق عدة تصاميم باستخدام رقاقة سيليكون وهندسة CMOS التقليدية.

الأدوات القياسية

استقر المهندسون على عدة أجهزة ذات كيوبيتين استخدمت تقنية شبه الموصل المعدني-أكسيد-السطحي مع بوابات بوليسيليكون. صُنعت الأجهزة باستخدام أدوات أشباه الموصلات القياسية في بيئة مصنع 300 مم. على وجه الخصوص، شملت الهندسة المستخدمة نقطة كمومية مزدوجة وترانزستور إلكترون واحد (SET)، مما وفر قراءة للسبين في الوقت الفعلي.

ومن الجدير بالذكر أن الأربعة إلكترونات في النقطة المزدوجة التي تشكلت تحت أقطاب بوابة الضاغط للجهاز تجعل من الممكن التحكم في ربط الأنفاق بين النقطتين وتوفير تحليل الضوضاء. بعد ذلك، وُضع الوحدة بالكامل في ثلاجة تخفيف 3He/4He تم ضبطها على درجة حرارة أساسية قدرها 10 ملي كيلفن في وضعية معزولة.

اختبار تصميم الرقاقة الكمومية الجديدة

لاختبار بنائهم، عرض الفريق الجهاز لعدة ظروف تجريبية تم إنشاؤها داخل مختبر أبحاث UNSW. كانت الخطوة الأولى تقييم وظيفة الكيوبيت الأساسية للرقاقة. شمل هذا الاختبار اختبار كل من البوابات ذات الكيوبيت الواحد والثنائي وتسجيل معدلات الأخطاء.

ومن الجدير بالذكر أن الفريق استخدم أداة تصوير مجموعة البوابات المتقدمة (GST) للحصول على رؤى قيمة حول الحالة الكمومية في الوقت الفعلي. سمح لهم هذا النهج بتحديد عوامل التداخل مثل التداخل المتبادل والتحليل بين الأخطاء العشوائية والمتماسكة.

بعد توثيق أربعة تصاميم، أجروا قياسات استكشاف بالتبريد على 16 خيارًا آخر. كان لكل رقاقة شكلًا وهندسةً مختلفة قليلاً، مما مكن الفريق من الحصول على رؤى حول كيفية توفير تصميمهم تحكمًا كهروستاتيكيًا موحدًا على أقطاب بوابة الجهاز.

نتائج اختبار دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع

أظهرت نتائج الاختبار أن المفهوم كان ناجحًا. أظهر الفريق أداءً عاليًا للكيوبيتات على رقاقة 300 مم باستخدام مصانع أشباه الموصلات التقليدية. تشير بياناتهم إلى أن الرقاقة أدت تمامًا كما كان متوقعًا. في كل من مرافق التحكم ذات الكيوبيت الواحد والثنائي، تجاوزت الدقة 99٪ عبر جميع الأجهزة الأربعة.

تشير نتائج هذا الاختبار إلى أن رقاقة Diraq الكمومية القائمة على السيليكون يمكن إنتاجها بنجاح على نطاق واسع باستخدام استراتيجيات CMOS التقليدية. يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام إنتاج واسع النطاق لأجهزة الحوسبة الكمومية من الجيل التالي.

فوائد دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع

اسحب للتمرير →

هناك العديد من الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة للصناعة. أولاً، وفرت معرفة علمية قيمة حول التغلب على القيود التقنية لاستراتيجيات تصنيع الحوسبة الكمومية على نطاق واسع. كما أظهرت طريقة لدمج الرقائق الكمومية في التصنيع الضخم في المستقبل.

الدقة

أحد أكبر الاكتشافات هو أن عملية المصنع لم تقلل من دقة أو وفاء الرقائق الكمومية. بل أظهرت أن الرقائق الكمومية القائمة على السيليكون يمكنها الحفاظ على دقة من الطراز العالمي عند إنشائها باستخدام استراتيجيات السبين-كيوبيت المتقدمة مع تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي.

التصنيع الضخم

كان الهدف الرئيسي من الدراسة هو إثبات أن الحواسيب الكمومية القائمة على السيليكون يمكنها الاستفادة من صناعة أشباه الموصلات الناضجة. نجح المهندسون في تحقيق هذا الهدف، مما يفتح الباب أمام اعتماد هذه الرقائق على نطاق واسع.

التطبيقات الواقعية والجدول الزمني

هناك عدة تطبيقات لهذه الدراسة. أولاً، ستساعد في توفير مسار قابل للتنفيذ للإنتاج الضخم للرقائق الكمومية السيليكونية الموثوقة. ستلعب هذه الأجهزة دورًا حيويًا في العديد من الصناعات التقنية المتقدمة، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي، والفضاء، والطب، ونمذجة المناخ، وغيرها الكثير.

الجدول الزمني لدراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع

سيستغرق الأمر 7-10 سنوات قبل أن تتمكن من زيارة متجر الحواسيب المحلي ورؤية أجهزة تعمل بالكموم بأسعار معقولة. ومع ذلك، يمهد هذا العمل الطريق لأجهزة حوسبة تعمل بالكموم بأسعار معقولة في العقد القادم.

باحثو دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع

لإنجاح دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع، تعاونت Diraq، وهي شركة ناشئة في مجال النانو-تقنية في جامعة UNSW سيدني، مع معهد النانوإلكترونيات الأوروبي مركز الميكروإلكترونيات الجامعي (imec). ومن الجدير بالذكر أن Diraq قد كشفت سابقًا عن تصميم رقاقة سيليكون تصنع الكيوبيتات باستخدام عمليات CMOS في مختبرها.

ألهمت هذه الخطوة الفريق لدفع التقنية إلى الأمام، مما مكن من تطبيق طرق التصنيع على نطاق واسع. يفتح هذا الإنجاز الأساسي الباب أمام الإنتاج الضخم للرقائق الكمومية القائمة على السيليكون لاستخدامها في كل شيء من النقل إلى الأجهزة الطبية.

اتجاهات البحث المستقبلية

علقًا على خططهم، يعتزم المهندسون إجراء مزيد من التحقيق في التكوينات الكبيرة والاحتلالات الإلكترونية الأعلى. هدفهم هو الحصول على فهم أفضل للأصل الفيزيائي للآليات الخطأ التي لوحظت وإنشاء نماذج يمكنها التنبؤ بدقة ومنع هذه الظواهر. إذا نجحوا، سيوفر هذا العمل مسارًا واضحًا لأداء أعلى في القطاع.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

هناك عدة مطورين لأجهزة الحوسبة الكمومية يعملون على مستوى عالمي. تواصل هذه الشركات دفع حدود الحوسبة من خلال الاستثمار المستمر في البحث والتطوير لتقليل تكاليف التصنيع. إليك شركة واحدة لا تزال روحًا رائدة في السوق وتُعَتَبَر رائدة في الصناعة.

Rigetti Computing

دخلت Rigetti Computing (RGTI ) السوق في عام 2013. تتخذ من كاليفورنيا مقرًا لها وأسستها فيزيائي يُدعى تشاد ريجتي. كان تركيز Rigetti Computing الأصلي على إنشاء وصيانة الكيوبيتات الفائقة التوصيل. شمل هذا النهج إنشاء أنظمة كمومية فائقة التوصيل شاملة ومعدات حيوية أخرى.

ومن الجدير بالذكر أن Rigetti Computing كانت دائمًا روحًا رائدة في السوق. على سبيل المثال، قدمت أول معالج كمومي في عام 2016. يفتح هذا الرقاقة ذات الثلاث كيوبيتات الباب أمام الابتكارات المستقبلية، بما في ذلك إصدار بيئة البرمجة الكمومية Forest التي ساعدت في دفع تطوير الخوارزميات.

في عام 2017، أطلقت Rigetti Quantum Cloud Services (QCS) مما مكن الوصول على مستوى المؤسسات إلى رقاقة كمومية قوية. تلا ذلك بسرعة افتتاح مصنع جديد في فريمونت، كاليفورنيا، في نفس العام. ساعدت هذه الخطوات في تعزيز موقع الشركة وقدراتها التصنيعية.

في عام 2024، أظهرت Rigetti Computing معالجاتها ذات 32 كيوبيت. تلا ذلك شراكة استراتيجية مع AWS. جميع هذه الخطوات عززت موقع Rigetti Computing في السوق وثقة المستهلكين. وبالتالي، تُعَد اليوم وسيلة ممتازة للحصول على تعرض لقطاع الحوسبة الكمومية.

أحدث أخبار وأسعار سهم BDX (RGTI)

دراسة تصنيع الرقائق الكمومية على نطاق واسع | الخلاصة

هناك العديد من الأسباب التي تجعل من إنشاء رقاقة كمومية سيليكونية تستفيد من صناعة أشباه الموصلات الناضجة فوزًا للجميع. أولاً، سيؤدي ذلك إلى خفض التكاليف وتعزيز البحث المستقبلي. كما سيلهم المزيد من الابتكار التكنولوجي في المستقبل.

تعرف على إنجازات أخرى رائعة في الحوسبة الكمومية هنا.

المراجع

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). وحدات خلايا السبين-كيوبيت السيليكونية المتوافقة مع الصناعة وتجاوزت 99% دقة. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}