الحوسبة
القفزة في الحوسبة الكمومية بفضل تقنية الموصلية الفائقة المتقدمة
تقنية ناشئة، الحوسبة الكمومية تستخدم قوانين الآليات الكمومية لحل المشكلات المعقدة التي تتجاوز قدرة الحواسيب التقليدية.
تخزن هذه الحواسيب الكمومية المعلومات في الكيوبتات (أو البتات الكمومية). على عكس البتات الكلاسيكية، يمكن للكيوبتات أن توجد خارج الحالة الثنائية 0 و 1، وبالتالي يمكنها إجراء الحسابات بسرعة أكبر.
علاوة على ذلك، هذه الكيوبتات تأتي بأشكال مختلفة، بما في ذلك كيوبتات الأيونات المحاصرة التي تستخدم أيونات أو ذرات مشحونة؛ والكيوبتات الضوئية التي تستخدم جسيمات الضوء؛ والكيوبتات الفائقة التوصيل التي هي حلقة دائرة يمر فيها التيار الكهربائي.
كجزء من الحوسبة الكمومية “الحالة الصلبة”، تم عرض الكيوبتات الفائقة التوصيل لأول مرة في عام 1999. ومنذ ذلك الحين، تطورت لتصبح إحدى الأشكال الرئيسية لتقنية الكيوبت، مقدمةً فوائد مثل تقليل فقدان الطاقة، مقاومة منخفضة، انخفاض التشوش، دوائر كمومية قابلة للتوسع، تشغيل كيوبت عالي السرعة، حالات كيوبت مستقرة، تحكم عالي الدقة في الكيوبت، وتصحيح الأخطاء.
على مدى العقد الماضي، أصبحت الحوسبة الكمومية الفائقة التوصيل خيارًا شائعًا لبناء حواسيب كمومية وظيفية، والبحوث المستمرة تقربنا من تحقيقها على أرض الواقع.
الاختراقات الحديثة في مواد الموصل الفائق
هذا الأسبوع فقط، نشر فريق من الباحثين دراسة في مجلة Science Advances حول تطوير مادة موصل فائق جديدة للحوسبة الكمومية.
المادة الفائقة الجديدة مرشحة لتكون “موصلًا فائقًا طوبولوجيًا”، وهو نوع يستخدم حالة ثقب أو إلكترون غير محلية لنقل المعلومات الكمومية ومعالجة البيانات.
العالم بينغ وي من جامعة كاليفورنيا قاد فريقًا من الباحثين الذين دمجوا التيلوريوم الثلاثي، مادة غير مغناطيسية لا يمكن أن تُطبع فوق صورتها المرآة، مع موصل فائق الحالة السطحية المتولد على سطح فيلم رقيق من الذهب.
هذا الجمع أنشأ موصلًا فائقًا بواجهة ثنائية الأبعاد مع استقطاب دوران محسّن، مما يسمح باستخدام الإثارات ربما لإنشاء كيوبت دوران مستقر. هذه المادة الفائقة الثورية لديها القدرة على إحداث ثورة في قابلية التوسع والموثوقية لمكونات الحوسبة الكمومية.
“من خلال إنشاء واجهة نظيفة جدًا بين المادة الحلزونية والذهب، طورنا موصلًا فائقًا بواجهة ثنائية الأبعاد. يتميز موصل الواجهة بأنه يعيش في بيئة حيث طاقة الدوران مضاعفة ست مرات مقارنةً بالموصلات الفائقة التقليدية.”
– وي، أستاذ مشارك في الفيزياء وعلم الفلك
تحت مجال مغناطيسي، لوحظ أن المادة تجري انتقالًا إضافيًا، مما يشير إلى إمكانية استخدامها كموصل فائق ثلاثي، ما قد يؤدي إلى مكونات حوسبة كمومية أكثر صلابة. أصبحت المادة أكثر صلابة في مجال مغناطيسي عالي مقارنةً بالمجال المنخفض.
علاوة على ذلك، باستخدام مواد غير مغناطيسية للحصول على واجهات أنظف، تُقمع هذه التقنية الجديدة طبيعيًا مصادر التشوش، وهو تحدٍ في الحوسبة الكمومية.
كما أظهر الباحثون قدرة الموصل الفائق على تحويله إلى رنانات ميكروويف منخفضة الفقد عالية الجودة، وهي مكونات حاسمة في الحوسبة الكمومية. وبالتالي، يمكن أن يؤدي ذلك إلى كيوبتات فائقة التوصيل منخفضة الفقد.
نظرًا لأن تقليل التشوش أو فقدان المعلومات الكمومية في نظام الكيوبت هو أكبر تحدٍ في الحوسبة الكمومية، يمكن لهذا البحث أن يساعد في تطوير مكونات حوسبة كمومية أكثر قابلية للتوسع وموثوقية. وفقًا لوي:
“حققنا ذلك باستخدام مواد أرق بواحد من المرات من تلك المستخدمة عادةً في صناعة الحوسبة الكمومية.”
هذه الرنانات الميكروية لها عامل جودة يصل إلى مليون.
قبل ذلك بأسبوع، نشر فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا لوس أنجلوس دراسة تقدم مادة جديدة تظهر وعدًا للحوسبة الكمومية.
احتفظت المادة بخصائصها الفائقة تحت حقول مغناطيسية أعلى بكثير من المعتاد وأظهرت تأثير صمام الموصل الفائق. هذا التأثير، الذي يسمح بمرور تيار أكبر في اتجاه واحد، يُرى عادةً في الموصلات الفائقة الحلزونية ونادراً ما يُرى في الموصلات التقليدية.
لإحداث السلوك الحلزوني في موصل فائق تقليدي، أنشأ الباحثون طبقة جزيئية حلزونية وبنية طبقية باستخدام مادة ثنائية الأبعاد تانتالوم سلفيد (TaS2).
أظهرت هذه الدراسة إمكانية تحسين كفاءة واستقرار الحوسبة الكمومية وجعل الإلكترونيات التقليدية أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة.
الابتكارات في التحكم بالكيوبت وقابليتها للتوسع
مع قدرة الحواسيب الكمومية على “تغيير العالم جذريًا”، شهدت سباقًا عالميًا لبناء حاسوب كمومي عملي.
مع ذلك، أحد أكبر التحديات التي تعيق نمو الحواسيب الكمومية هو القابلية للتوسع، أي القدرة على بناء حواسيب كبيرة بما يكفي لمعالجة المشكلات الواقعية. للحصول على حاسوب كمومي قادر على معالجة مشكلات مفيدة، نحتاج إما إلى مزيد من الكيوبتات أو إلى طريقة موثوقة لتقليل الأخطاء التي تُدخل أثناء الحسابات.
لذلك، سعى الباحثون في اليابان إلى معالجة المشكلة بزيادة عدد الكيوبتات القابلة للإدارة وتقليل العدد المطلوب من الكيوبتات.
قبل بضعة أشهر، نجح الباحثون في إظهار دائرة فائقة التوصيل يمكنها التحكم في العديد من الكيوبتات عند درجات حرارة منخفضة.
في هذه التجربة، أُظهر أن دائرة فائقة التوصيل يمكنها التحكم في عدة كيوبتات عبر كابل واحد فقط باستخدام تعدد الإرسال الميكروويفي. تمتلك الدائرة القدرة على تحسين كثافة إشارات الميكروويف لكل كابل بحوالي 1,000 مرة. يمكن لهذا الإنجاز أن يزيد بشكل كبير عدد الكيوبتات القابلة للتحكم ويساهم في تطوير حواسيب كمومية على نطاق واسع.
لتقليل الأجهزة المطلوبة للانتقال بين الكيوبتات والإلكترونيات ذات درجة حرارة الغرفة، تم تطوير “الإلكترونيات الباردة” المبتكرة. “الإلكترونيات الباردة” هي إلكترونيات للتحكم في الكيوبت وقراءة نتائجه تعمل عند درجات حرارة منخفضة بالقرب من الكيوبتات.
كما تم إثبات أن الإلكترونيات الباردة تعمل بترددات ساعة عالية عند أربعة درجات فوق الصفر المطلق. الآن، يتركز الجهد على تقليل استهلاك الطاقة لتقليل الحرارة المتولدة بجانب الكيوبتات.
تركيز آخر للباحثين اليابانيين هو إيجاد طرق لتصحيح أخطاء المعالجة. وفي هذا السياق، طور باحثون من جامعة برينستون تقنية تصنيع للحوسبة الكمومية الخالية من الأخطاء.
في هذا البحث، أنشأ العلماء طبقة فائقة التوصيل فوق عازل طوبولوجي، التنجستن ديتيتورايت (WTe2). استخدمت التقنية “بذرة” من معدن مُرَسَّ (البلاديوم) على سطح العازل لتكوين بنية بلورية جديدة، Pd7WTe2، التي أظهرت مقاومة صفرية.
تعمل تقنية انتشار الذرات بنجاح مع مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك التنجستن ديتيتورايت (MoTe2).
بينما لا يزال هناك حاجة إلى اختبارات إضافية لتحديد ما إذا كان موصلًا فائقًا طوبولوجيًا، يعتقد الباحثون أن الموصلات الفائقة الجديدة يمكن إنشاؤها من خلال طريقتهم العامة.
معالجة التشوش وتحسين الأداء
اختراق آخر في الحوسبة الكمومية ظهر في وقت سابق من هذا العام عندما قدم الباحثون نهجًا جديدًا للدوائر الفائقة التوصيل. لهذا النهج القدرة على إطالة زمن تشغيل الحاسوب الكمومي بشكل كبير.
كما أشرنا، يتوقف تشغيل الحاسوب المستمر بسبب سهولة اضطراب الحالة الكمومية للكيوبت، وهو ما يُسمى التشوش ويؤدي إلى أخطاء في الحسابات. يحدث ذلك نتيجة التفاعلات مع كيوبتات أخرى وبيئتها.
وبما أن الكيوبتات الفائقة التوصيل تمكن من الانتقال بين الحالات المختلفة في أقصر وقت ممكن، فإنها تحظى باهتمام متزايد. لكن على الرغم من تحسينها لوقت التبديل، فإنها تكون أكثر عرضة للتشوش في غضون ملليثانية.
لذا، اقترح مجموعة دولية من الباحثين تصميم وصلة جوزيفسون يُطلق عليه “فلوورمون”. يستخدم هذا التصميم شريحتين رفيعتين من مادة الكوبريت القائمة على النحاس.
“يُحدث فلوورمون تجديدًا للفكرة القديمة لاستخدام الموصلات غير التقليدية للدوائر الكمومية المحمية ويجمعها مع تقنيات تصنيع جديدة وفهم جديد لتماسك دوائر الموصل الفائق.”
– يوري فول، فيزيائي في معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في ألمانيا
وفقًا لحسابات الفريق، يمكن لتصميمهم تقليل الضوضاء وبالتالي زيادة زمن تماسك الكيوبتات بأوامر من الحجم. ومع ذلك، كان التصميم نظريًا بحتًا، ويخطط الفريق لاستخدام نتائجه لتحسين الكيوبتات الفائقة التوصيل لاحقًا.
لمواجهة أداء الحواسيب الكمومية، طوّر فريق من جامعة مينيسوتا توين سيتيز العام الماضي صمامًا فائقًا قابلًا للتعديل لا يساعد فقط في توسيع نطاق الحواسيب الكمومية بل يحسن أيضًا أنظمة الذكاء الاصطناعي.
الصمام هو جهاز يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد. بينما يُصنع عادةً من أشباه الموصلات، يستكشف الباحثون صمامات باستخدام الموصلات الفائقة التي تسمح بنقل الطاقة دون فقدان أي طاقة على طول الطريق.
ذكر الباحث الرئيسي فلاف بريبياغ، أستاذ مشارك في كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة مينيسوتا، أن:
“نريد جعل الحواسيب أقوى، لكن هناك حدود صعبة سنواجهها قريبًا مع المواد وأساليب التصنيع الحالية.”
أكبر تحدٍ لتقوية قدرة الحوسبة هو تبديد الطاقة، لذا اختار الفريق استخدام تقنيات الموصل الفائق.
تم بناء جهاز الصمام الفائق باستخدام ثلاث وصلات جوزيفسون. بينما تم صنعه عن طريق وضع قطع من مادة غير فائقة التوصيل بين الموصلات الفائقة، ربط الباحثون الموصلات بطبقات من أشباه الموصلات.
سمح هذا التصميم الفريد للباحثين بالتحكم في سلوك الجهاز باستخدام الجهد. يمكنه أيضًا معالجة إشارات كهربائية متعددة في آنٍ واحد، على عكس الصمامات التقليدية التي لا يمكنها التعامل مع سوى إدخال وإخراج واحد كلٍ. يمكن لهذه الميزات أن تجعل الصمام الفائق يُستخدم في الحوسبة العصبية المستوحاة من الدماغ.
في الحوسبة العصبية، تُصمم الدوائر الكهربائية لتقليد طريقة عمل الخلايا العصبية في الدماغ البشري لتعزيز الأداء.
وفقًا لموهت جوبتا، المؤلف الأول للورقة، فإن هذا الصمام الفائق الجديد أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة مقارنةً بالصمامات الفائقة الأخرى. وبشكل أكثر تحديدًا، لأول مرة، يأتي مع سلسلة من البوابات للتحكم في تدفق الطاقة. لم تُدمج هذه الميزة من قبل في صمام فائق، لكن الدراسة أظهرت “أنه يمكنك إضافة بوابات وتطبيق حقول كهربائية لضبط هذا التأثير.”
علاوة على ذلك، كانت المادة المستخدمة في هذا البحث أكثر ملاءمة للصناعة وقادرة على تقديم وظائف جديدة.
يمكن الاستفادة من التقنية المستخدمة في هذه الدراسة مع أي موصل فائق، مما يجعلها مرنة للغاية ومتوافقة مع تطبيقات الصناعة. هذه الخصائص يمكن أن تساعد في توسيع تطوير الحواسيب الكمومية للاستخدام الأوسع.
“في الوقت الحالي، جميع آلات الحوسبة الكمومية المتاحة بسيطة جدًا مقارنةً باحتياجات التطبيقات الواقعية. التوسع ضروري للحصول على حاسوب قوي بما يكفي لمعالجة مشكلات معقدة ومفيدة.”
– بريبياغ
هذا يحمل أهمية خاصة اليوم مع تزايد استخدام الذكاء الاصطناعي بشكل كبير. أدى ذلك إلى بحث الخوارزميات للحواسيب أو آلات الذكاء الاصطناعي التي يمكنها تجاوز أداء الحواسيب الكلاسيكية. وأشار بريبياغ إلى أن هذه الدراسة تطور الأجهزة لتمكين الحواسيب الكمومية من تنفيذ هذه الخوارزميات.
تم تمويل البحث أساسًا من قبل وزارة الطاقة الأمريكية مع دعم جزئي من المؤسسة الوطنية للعلوم وشركة مايكروسوفت للبحوث.
تصغير الكيوبتات باستخدام مواد ثنائية الأبعاد دون التأثير على الأداء
أدت الأبحاث والتطوير المستمر إلى بناء كيوبتات فائقة التوصيل أصغر بكثير من الكيوبتات التقليدية. تم بناء هذه الكيوبتات باستخدام مواد ثنائية الأبعاد.
لتجاوز سرعة وسعة الحواسيب الكلاسيكية، تحتاج كيوبتات الحواسيب الكمومية إلى أن تكون على نفس الطول الموجي. لتحقيق ذلك، عادةً ما يضطر الباحثون إلى التضحية بحجم هذه الكيوبتات، التي لا تزال اليوم تُقاس بالمليمترات على عكس نظيراتها الكلاسيكية التي صغر حجم الترانزستورات إلى النانومتر.
لتقليل حجم الكيوبتات بحيث لا تشغل مساحة مادية كبيرة مع الحفاظ على أدائها، عرض جيمس هون، أستاذ ميكانيكا الهندسة في جامعة كولومبيا، مكثف كيوبت فائق التوصيل صغيرًا جدًا.
سابقًا، استخدم المهندسون مكثفات مسطحة لبناء شرائح الكيوبت. هنا، تُوضع الألواح المشحونة جنبًا إلى جنب، وعلى الرغم من إمكانية تكديسها لتوفير مساحة، فإن ذلك سيتداخل مع تخزين معلومات الكيوبت.
لذا، وضع طلاب الدكتوراه لدى هون، أنجالي راجيندرا وأبهناندان أنطوني، طبقة عازلة من بورون نيتريد بين لوحين مشحونين من نيوبوم سيلينيد الفائق التوصيل. بطبقة بسمك ذرة واحدة فقط، تُربط هذه الطبقات بقوى فان دير فالس، وهي تفاعل ضعيف بين القوى الكهروستاتيكية.
ثم تم دمج المكثفات مع دوائر ألمنيوم لإنشاء شريحة. احتوت هذه الشريحة على كيوبتين وكان سمكها 35 نانومترًا فقط، أي أصغر بألف مرة من تلك التي تُنتج باستخدام الأساليب التقليدية.
عند تبريدها، حصلت الكيوبتات على نفس الطول الموجي. ولوحظ أيضًا أنها أصبحت متشابكة وتعمل كوحدة واحدة. هذا التماسك الكمومي، رغم أنه قصير الأمد (قليلًا فوق الميكروثانية)، يعني أن حالة الكيوبت الكمومية يمكن تعديلها وقراءتها عبر نبضات كهربائية. وفقًا لهون:
“نعلم الآن أن المواد الثنائية الأبعاد قد تحمل المفتاح لجعل الحواسيب الكمومية ممكنة. لا يزال الأمر في مراحله الأولى، لكن مثل هذه الاكتشافات ستدفع الباحثين حول العالم للنظر في تطبيقات جديدة للمواد الثنائية الأبعاد. نأمل أن نرى المزيد من الأعمال في هذا الاتجاه في المستقبل.”
بفضل هيكلها الفريد، حققت المواد الكمومية ثنائية الأبعاد (2D) اختراقًا كبيرًا في علم المواد. على عكس المواد ثلاثية الأبعاد، تكون المواد الكمومية ثنائية الأبعاد بسمك ذرة أو بضع ذرات فقط، ويمكن للإلكترونات التحرك في جميع الاتجاهات الثلاثة.
بعض المواد الثنائية الأبعاد الشهيرة تشمل السليسين، الجرافين، الجرمانيـن، الستانين، الفوسفورين، ثنائيات الفلز الانتقالي (TMDCs)، وبورون نيتريد السداسي (h‑BN).
بينما توفر هذه المواد خصائص متنوعة وإمكانات لتطبيقات تقنية تحويلية، تواجه تحديات في التوليف، التكامل، والقابلية للتوسع التي يجب تُقَهر قبل أن يُستَغل كامل إمكاناتها.
الشركات الرائدة في ثورة الحوسبة الكمومية
الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات البارزة التي تشارك في مجال الموصلات الفائقة والحوسبة الكمومية:
#1. Alphabet (Google)
Alphabet مستثمر بشكل كبير في أبحاث الحوسبة الكمومية عبر شركة Google Quantum AI التابعة لها. أنشأت الوحدة معالجًا كموميًا فائق التوصيل يُدعى Sycamore، والذي، في عام 2019، تمكن من إكمال حسابًا خلال 200 ثانية كان سيستغرق 10,000 سنة على أقوى حاسوب فائق. منذ ذلك الحين، نما معالج Sycamore الكمومي بشكل كبير والآن يحمل 70 كيوبت، مما يجعله أقوى بـ 241 مليون مرة من النموذج السابق.
(GOOGL )
لدى عملاق التكنولوجيا قيمة سوقية تبلغ 2.06 تريليون دولار، وأسهمه (GOOGL:NASDAQ) تتداول عند 165.68 دولار، بارتفاع 18.56% منذ بداية العام. في الربع الثاني من 2024، أبلغت Alphabet عن زيادة صافية بنسبة 28.6% لتصل إلى 23.6 مليار دولار، بينما ارتفع إجمالي الإيرادات بنسبة 14% إلى 84.74 مليار دولار. كما أعلن الشركة الأم لـ Google عن توزيع نقدي قدره 0.20 دولار للسهم.
#2. NVIDIA Corporation
تستكشف NVIDIA الحوسبة الكمومية والموصلات الفائقة من خلال شراكات وتعاونات. في مارس من هذا العام، أعلنت الشركة عن تسريع جهودها في الحوسبة الكمومية في مواقع الحوسبة الفائقة الوطنية بألمانيا واليابان وبولندا باستخدام منصة NVIDIA CUDA‑Q™ المفتوحة المصدر.
(NVDA )
محبة السوق للذكاء الاصطناعي، شهدت أسهم NVIDIA أداءً ممتازًا هذا العام، حيث ارتفعت بنسبة 161.24% في 2024 حتى الآن. هذا الصعود جعل أسهم NVDA تتداول عند 129.45 دولار، مما وضع القيمة السوقية للشركة عند 3.188 تريليون دولار. سجل صانع الرقائق رقمًا قياسيًا في الربع الأول من 2024، حيث بلغت إيراداته 22.1 مليار دولار.
الخلاصة
إذن، يعمل الباحثون والمؤسسات والشركات حول العالم على دفع الحوسبة الكمومية قدمًا، وهي تتفوق في حل المشكلات المعقدة. يساهم التركيز على تقنية الموصل الفائق، على وجه الخصوص، في دفع تقدم كبير ويقربنا من تحقيق الإمكانات الكاملة لهذه التقنية التحويلية.
