الحوسبة الكمومية خطوة أقرب إلى الواقع من خلال الاستفادة من المذبذبات التوافقية

سباق الحواسيب الكمومية كان ساخنًا منذ عدة سنوات، مع اكتشاف الأدوية، علم المواد، التحسين، التعلم الآلي، والتشفير كأمثلة قليلة على المجالات التي ستُحدث ثورة بفضل تقدماتها.

لكن على الرغم من كل التقدم، فإن بناء حواسيب كمومية تحل مشاكل العالم الحقيقي تم إبطاؤه بثلاث تحديات كبيرة: 

• الحالات الكمومية الهشة
• التوسع مع الحفاظ على التحكم
• الحفاظ على التماسك

الآن، فريق في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد قد خطى خطوة مهمة في معالجة هذه التحديات وتسريع تطوير الحواسيب الكمومية العملية. لقد نشَروا مؤخرًا طريقة جديدة في مجلة Nature للتلاعب بالمعلومات الكمومية باستخدام اللاتخطية القابلة للتعديل في الدوائر الفائقة التوصيل. هذا يسمح بإجراء عمليات معقدة على حالات كمومية متعددة الأبعاد بسرعة ودقة أكبر من أي وقت مضى.

بناء حواسيب كمومية عملية

في صميم الحوسبة الكمومية تكمن البت الكمومي، أو الكيوبت، الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية. على عكس البتات الكلاسيكية التي تكون إما 0 أو 1، يمكن للكيوبت أن تكون 0 و1 في آن واحد وكل القيم بينهما. يمكن للكيوبت أيضًا أن تتشابك مع بعضها البعض، مما يسمح للحواسيب الكمومية بأداء بعض الحسابات بسرعة أكبر بكثير من الحواسيب الكلاسيكية.

مع ذلك، تحقيق هذه القدرة كان تحديًا كبيرًا. إحدى المشكلات الرئيسية هي هشاشة الحالات الكمومية. الكيوبت حسّاسة لبيئتها وتفقد خصائصها الكمومية بسرعة عبر فقدان التماسك، مما يضيف أخطاء إلى الحساب الكمومي ويقيد عمق العمليات.

مشكلة رئيسية أخرى هي التوسع. كلما أضيفت المزيد من الكيوبتات إلى المعالج الكمومي، يصبح التحكم في التفاعلات بينها وتنفيذ البوابات الكمومية أصعب. ذلك لأن أنظمة التحكم والتداخل بين الكيوبتات تصبح أكثر تعقيدًا.

وهناك مقايضة بين التماسك والتحكم. التقنيات التي تجعل الكيوبت أكثر تماسكًا، مثل رموز تصحيح الأخطاء، تتطلب موارد أكثر وتحد من بعض العمليات. الأنظمة التي توفر تحكمًا أكبر في الكيوبتات الفردية، مثل الأيونات المحاصرة أو الدوائر الفائقة التوصيل، تكون أكثر ضوضاء وأكثر عرضة لفقدان التماسك.

“تخيل الكيوبت كلمبة زرقاء يمكن، ميكانيكياً كمياً، أن تكون مضاءة ومطفأة في آن واحد. بالمقابل، نظام الكم المتغير المستمر يشبه قوس قزح لا نهائي، يقدم تدرجًا سلسًا من الألوان. هذا يوضح قدرته على الوصول إلى عدد هائل من الحالات، مما يوفر إمكانيات أغنى بكثير من حالتي الكيوبت.”

– أكسل إريكسون، باحث في تكنولوجيا الكم بجامعة تشالمرز للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة

انقر هنا لتتعرف على الحالة الحالية للحوسبة الكمومية. 

اللاتخطيات القابلة للتعديل في الدوائر الفائقة التوصيل

فريق جامعة تشالمرز، بقيادة الدكتور أكسل م. إريكسون والدكتورة سيمون غاسبارينيتي، حلّ هذه المشكلات باستخدام الدوائر الفائقة التوصيل. لقد طوروا مكوّنًا خاصًا يُدعى رنان غير خطي غير متماثل حثي فائق التوصيل (SNAIL).
الـ SNAILs هي عناصر دوائر فائقة التوصيل ذات لاتخطية قوية وقابلة للتعديل. إنها حلقة فائقة التوصيل تحتوي على وصلات جوزيفسون، وهي حواجز عازلة رقيقة تسمح لأزواج كوبر (أزواج الإلكترونات المرتبطة) بالعبور عبرها. من خلال ترتيب الوصلات بشكل غير متماثل، أنشأوا عنصرًا دوائريًا بملف غير خطي.

“لقد أنشأنا نظامًا يقوم بعمليات معقدة على نظام كمومي متعدد الحالات أسرع من أي وقت مضى.”

– المؤلفة الأولى الدكتورة سيمون غاسبارينيتي، قائدة مختبر 202Q في جامعة تشالمرز

الخطوة الأساسية التي قام بها فريق تشالمرز كانت وضع رنان SNAIL داخل تجويف ميكروويف فائق التوصيل، وهو وضع بوزوني لتشفير المعلومات الكمومية. قاموا بتطبيق نبضات ميكروويف على هذا النظام الهجين وتفعيل وإلغاء اللاتخطية في الـ SNAIL لتنفيذ جميع أنواع العمليات الكمومية بسرعة ودقة.

الحوسبة الكمومية المتغيرة المستمرة

أحد الجوانب الفريدة في نهج فريق تشالمرز هو أنه يتجاوز نموذج الكيوبت ويستخدم حالات كمومية متغيرة مستمرة (CV).


في نظام كمومي متغير مستمر، يتم تشفير المعلومات في سعات وطور رباعيات المذبذب التوافقي، مثل حقل تجويف الميكروويف. يمكن لتلك الرباعيات أن تتخذ نطاقًا مستمرًا من القيم، وليس فقط 0 و1 كما في الكيوبتات.

وفقًا للمؤلفة الأولى الدكتورة سيمون غاسبارينيتي، قائدة مختبر 202Q في جامعة تشالمرز:

“لقد أنشأنا نظامًا يتيح عمليات معقدة للغاية على نظام كمومي متعدد الحالات، بسرعة غير مسبوقة.”

نهج المتغير المستمر له مزايا على الحوسبة الكمومية المتغيرة المتقطعة. (i) أولاً، يمكن لوضع CV واحد أن يشفر معلومات تعادل عدة كيوبتات، مما يعني حاجة أقل إلى الأجهزة من أجل الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء. (ii) ثانيًا، طبيعة حالات CV تسمح بوجود رموز تصحيح أخطاء أفضل، وهي ضرورية للحوسبة الكمومية في وجود الضوضاء وفقدان التماسك.

مع ذلك، مشكلة كبيرة في الحوسبة الكمومية المتغيرة المستمرة هي العمليات غير الغاوسية، التي تُحتاج للحوسبة الكمومية الشاملة. يمكن تنفيذ عمليات غاوسية مثل الإزاحة والضغط لحالة المذبذب باستخدام عناصر بصرية خطية أو دوائر ميكروويف، لكن ذلك غير كافٍ لتحقيق تسريع كمومي لأنه يمكن محاكاته كلاسيكيًا.

العمليات غير الغاوسية تتطلب تفاعلات غير خطية، وهي أصعب بكثير في الصنع والتحكم. المحاولات السابقة لدمج أوضاع CV مع عناصر غير خطية عُرقلت بسبب تأثير كير، الذي يفسد المعلومات الكمومية ويقلل من دقة العملية.

حلّ فريق تشالمرز هذه المشكلة من خلال هندسة اللاتخطية داخل رنان الـ SNAIL. يقومون بتشغيل الـ SNAIL عند نقطة تُسمى “خالٍ من كير”، حيث يتم قمع اللاتخطية غير المرغوب فيها للكير، وتُحافظ على اللاتخطية من الدرجة الثالثة المطلوبة للعمليات غير الغاوسية.

“غالبًا ما حاولت مجتمعنا إبقاء العناصر الفائقة التوصيل بعيدًا عن المذبذبات الكمومية، لتجنب تشويش الحالات الكمومية الهشة. في هذا العمل، تحدينا هذا النموذج. من خلال دمج جهاز تحكم في قلب المذبذب، تمكنا من تجنب تشويش العديد من الحالات الكمومية وفي الوقت نفسه التحكم فيها وتعديلها. ونتيجة لذلك، أظهرنا مجموعة جديدة من عمليات البوابة التي تم تنفيذها بسرعة عالية جدًا.”

– سيمون غاسبارينيتي

مجموعة بوابات شاملة

لإظهار ما يمكنهم القيام به، أنشأوا مجموعة بوابات شاملة على منصة رنان الـ SNAIL الخاصة بهم. تشمل ذلك بوابات غاوسية مثل الإزاحة والضغط وبوابة الطور المكعب، التي هي غير غاوسية.

تم إنشاء البوابات الغاوسية عن طريق تطبيق نبضات ميكروويف بترددات محددة على دائرة الـ SNAIL. التحفيز عند التردد الأساسي ينتج إزاحة، والتحفيز عند ضعف التردد الأساسي ينتج ضغطًا. تُستخدم هذه لإنشاء وتعديل الحالات المتماسكة والمضغوطة، وهي اللبنات الأساسية لمعالجة المعلومات الكمومية المتغيرة المستمرة.

تم إنشاء بوابة الطور المكعب من خلال دمج تفاعل “ثلاثي الضغط” (التحفيز بثلاثة أضعاف التردد الأساسي) مع تحفيزات بترددات أقل. يطبق ذلك إزاحة طور غير خطية على حالة المذبذب تتناسب مع مكعب السعة، ومن هنا سُميت “الطور المكعب”.

تُحتاج بوابة الطور المكعب للحوسبة الكمومية المتغيرة المستمرة الشاملة لأنها تُنتج حالات غير كلاسيكية عالية مثل حالات غوتسمان-كيتاف-بريسكي (GKP)، المستخدمة في تصحيح الأخطاء الكمومية المتسامحة مع الأخطاء. بوابة الطور المكعب مع البوابات الغاوسية تُنتج حالة غير غاوسية حتمية تُسمى “حالة الطور المكعب”.

تم إنشاء البوابات التي صنعها فريق تشالمرز باستخدام نبضات قصيرة تصل إلى عشرات النانوثانية. وهذا أسرع بـ 10-100 مرة مقارنةً بالتطبيقات السابقة التي استخدمت ربطًا تشتتًا بين الكيوبت والمذبذب. السبب هو اللاتخطية القوية في رنان الـ SNAIL.

تحضير حالة الطور المكعب الحتمية

مثال آخر هو استخدام فريق تشالمرز لمجموعة البوابات الشاملة لإنشاء حالة كمومية غير كلاسيكية للغاية تُسمى حالة الطور المكعب. تحتاج حالات الطور المكعب إلى تصحيح الأخطاء الكمومية، والقياس الكمومي، والحوسبة الكمومية القائمة على القياس المتغير المستمر.

تم تحضير حالة الطور المكعب عن طريق تطبيق البوابات على الحالة الأرضية (الفراغ) لرنان الـ SNAIL. أولاً، تم تطبيق بوابة ضغط لمدة 20 نانوثانية لإنشاء حالة فراغ مضغوطة. ثم، تم تطبيق بوابة الطور المكعب لمدة 40 نانوثانية على تلك الحالة المضغوطة، وهكذا، تم الحصول على حالة طور مكعب ذات مكعبية 0.11.

تم توصيف الحالة باستخدام تصوير ويغنر، الذي ينتج توزيعًا في فضاء الطور للحالة الكمومية. كانت دالة ويغنر سلبية بشدة، وهو ما يُظهر سلوكًا غير كلاسيكي ولا يمكن ملاحظته في أي حالة مذبذب كلاسيكي.

بلغت دقة حالة الطور المكعب مقارنةً بالحالة المستهدفة 92٪. أظهروا أن مكعبية الحالة يمكن زيادتها ببساطة عن طريق إطالة مدة بوابة الطور المكعب. وهذا أفضل بكثير من طرق تحضير الحالة السابقة، التي كانت تتطلب إعادة تحسين كاملة لتسلسل التحكم لكل قيمة مكعبية.

مجال للتحسين والعمل المستقبلي

على الرغم من أن ما أنجزه فريق تشالمرز جدير بالثناء، لا يزال هناك ما يلزم القيام به:

رنان SNAIL

أحد قيود العمليات الكمومية هو زمن التماسك لرنان الـ SNAIL. لديهم أزمنة تماسك تصل إلى بضع ميكروثوانٍ، وهو كافٍ حاليًا، لكن أزمنة تماسك أطول ستمكن من بناء دوائر كمومية أكثر تعقيدًا وعمقًا. تحسين معلمات دائرة الـ SNAIL لتقليل ضوضاء الفيض وتوفير الحماية وتصفية بيئة الميكروويف هي طرق لتحسين التماسك.

هذا يشمل:

• زمن التماسك لرنان الـ SNAIL (بضع ميكروثوانٍ كافية الآن، لكن أطول سيتيح دوائر أكثر تعقيدًا)
• تحسين معلمات دائرة الـ SNAIL لتقليل ضوضاء الفيض
• حماية وتصفية بيئة الميكروويف

انقر هنا لتتعرف على كيفية مساعدة الانبعاثات الكمومية والليزر تحت الأحمر في بناء الجيل القادم من الحواسيب الكمومية.

قابلية التوسع

مجال آخر للتحسين هو القابلية للتوسع. تم إجراء التجربة باستخدام SNAIL واحد، لكن الحاسوب الكمومي واسع النطاق يحتاج إلى عدة SNAILs. للتوسع، يمكن استخدام عدة SNAILs، كل منها متصل بتجويف ميكروويف خاص به. يتيح هذا الإعداد إنشاء بوابات متعددة الكيوبتات وحالات متشابكة من خلال تصميم الربط بين التجاويف. ومع ذلك، يتطلب ذلك التحكم في تصنيع وضبط الـ SNAILs لتكون متجانسة وقابلة للتكرار.

• قابلية التوسع (SNAIL واحد الآن، لكن الحاسوب الكمومي واسع النطاق يحتاج إلى عدة)
• مصفوفة من الـ SNAILs، كل منها مع تجويف ميكروويف خاص به
• بوابات متعددة الكيوبتات وحالات متشابكة عبر المصفوفة عبر ربط التجاويف
• التحكم في تصنيع وضبط الـ SNAILs لتكون متجانسة وقابلة للتكرار

إلى جانب زيادة عدد أوضاع CV، نحتاج أيضًا إلى زيادة عدد الفوتونات في كل وضع. تت deviates اللاتخطية في رنان الـ SNAIL عن سلوكها المثالي عند أعداد فوتونات أعلى، مما يحد من حجم فضاء هيلبرت الحسابي.

إحدى الطرق لحل ذلك هي استخدام تصميم متعدد الـ SNAIL حيث يتم هندسة لاتخطية كل SNAIL لتلغي نفسها في الرتب العليا مع الحفاظ على التفاعلات ذات الرتبة الأدنى.

تطورات محتملة أخرى تشمل:

• مزيد من أوضاع CV
• مزيد من الفوتونات في كل وضع
• اللاتخطية في رنان الـ SNAIL تجعلها تنحرف عن السلوك المثالي عند أعداد فوتونات أعلى
• يحد من حجم فضاء هيلبرت الحسابي
• تصميم متعدد الـ SNAIL: لاتخطية كل SNAIL تُلغي نفسها في الرتب العليا مع الحفاظ على التفاعلات ذات الرتبة الأدنى

نظرة مستقبلية، يرغب فريق تشالمرز في دمج منصة رنان الـ SNAIL مع بنى حوسبة كمومية أخرى لإنشاء أنظمة هجينة. على سبيل المثال، يمكن استخدام التفاعلات التي يتوسطها الـ SNAIL لتشابك الكيوبتات الفائقة التوصيل وأوضاع CV لإنشاء حالات متعددة الكيوبتات معقدة. يمكن استخدام البوابات السريعة والفعّالة للـ CV في هذا العمل لتصحيح الأخطاء الكمومية على الكيوبتات المشفرة، مما سيجعل المعالجات الكمومية أكثر صلابة وقابلية للتوسع.
إحدى الآفاق المثيرة للمستقبل هي دمج منصة رنان الـ SNAIL مع الأنظمة الكمومية البصرية. الدوائر الفائقة التوصيل مناسبة للحوسبة الكمومية، حيث تعمل بترددات ميكروويف ودرجات حرارة منخفضة، بينما الأنظمة الكمومية البصرية، التي تعمل في درجة حرارة الغرفة، مثالية للاتصالات الكمومية على مسافات طويلة. من خلال تطوير محول تردد كمومي، يمكننا الجمع بين أفضل ما في العالمين لإنشاء حاسوب كمومي قابل للتوسع ومتشبك.

الخلاصة

ما حققه فريق تشالمرز هو تقدم كبير للحواسيب الكمومية العملية. لقد استخدموا لاتخطية قابلة للتعديل في الدوائر الفائقة التوصيل لتطوير حاسوب كمومي فعال من حيث العتاد وقابل للتحكم، قادر على تنفيذ عمليات معقدة على حالات كمومية متعددة الأبعاد بسرعة ودقة.

هذا يمثل نموذجًا جديدًا في حوسبة CV-NISQ. يمكن لرنات الـ SNAIL حل مشكلات صعبة في الكيمياء الكمومية، والتحسين، والتعلم الآلي. مع نضوج هذه التقنية وتوسعها، سيفتح ذلك تطبيقات لا يمكن تحقيقها باستخدام الحواسيب الكلاسيكية.

مع ذلك، لا يزال بناء حواسيب كمومية واسعة النطاق ومتسامحة مع الأخطاء يواجه تحديات كبيرة، بما في ذلك زمن التماسك للدوائر الفائقة التوصيل، عدد الكيوبتات وأوضاع CV، والواجهات بين منصات الحوسبة الكمومية.

على الرغم من هذه التحديات، فقد قطعت الحوسبة الكمومية كعلم تطبيقي شوطًا طويلًا، ولعب فريق تشالمرز دورًا أساسيًا في دفع حدودها. لقد أضافوا إلى صندوق أدوات الحوسبة الكمومية وأظهروا لنا طرقًا جديدة لاستخدام الميكانيكا الكمومية. الآن، نحن خطوة أقرب إلى الحوسبة الكمومية المتاحة.

مع تسارع النظرية والتجارب، لم يبدو مستقبل الحوسبة الكمومية أفضل من أي وقت مضى. ستحقق الحواسيب الكمومية تسارعات أسية لمجموعة واسعة من المهام الحسابية في مجالات مثل اكتشاف الأدوية، وتصميم المواد، والتشفير، والذكاء الاصطناعي. ومع التقدم في تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي، تضمننا هذه التطورات بأن العالم على أعتاب تغييرات تحويلية يصعب تصورها بالكامل.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس شركات حوسبة كمومية.