كيوبتات الملي ثانية تُمثل اختراقًا في تكنولوجيا الكم

إنجازٌ في مجال كيوبتات فائقة التوصيل بمقياس الملي ثانية

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تُحدث ثورة في كيفية أدائنا للتشفير، وحساب عمليات المحاكاة المعقدة مثل تكوين البروتينات ثلاثي الأبعاد، وربما يكون لها العديد من التطبيقات الأخرى التي بالكاد نستطيع تخمينها اليوم.

لكي تعمل هذه الحواسيب، تحتاج إلى "كيوبتات" مستقرة قدر الإمكان، وهي العنصر الأساسي للحوسبة الكمومية. حتى الآن، لم تتمكن سوى حواسيب "الأيونات المحاصرة" الكمومية من توليد كيوبتات عالية الاستقرار. لكن هذه التقنية، بطبيعتها، أصعب في التوسع من الكيوبتات فائقة التوصيل.

ورغم أن البتات الكمومية الفائقة التوصيل قد تكون مستقبل هذه التكنولوجيا، إلا أن الأمر يتطلب تحسين استقرار زمن تماسكها.

هذا ما حققه فريق كبير من الباحثين في جامعة برينستون مؤخرًا. فقد ابتكروا نوعًا من الكيوبتات فائقة التوصيل، قادرة على الحفاظ على تماسكها لأكثر من ميلي ثانية، أي ثلاثة أضعاف أفضل ما سُجِّل على الإطلاق.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature¹، تحت عنوان "أعمار الملي ثانية وأوقات التماسك في كيوبتات الإرسال ثنائية الأبعاد".

حد تماسك الكيوبت

لإجراء الحوسبة الكمومية، يحتاج الحاسوب الكمومي إلى الحفاظ على "التماسك"، وهي حالة كمومية خاصة شديدة التأثر بالتداخل من البيئة. عمومًا، تميل الضوضاء الحرارية وحركة الجسيمات إلى تدمير التماسك في نانوثانية.

في ظروف خاصة، كالظروف شديدة البرودة، يمكن أن يدوم عمر الكيوبت لفترة أطول. ومع ذلك، يُمثل التماسك طويل الأمد قيدًا رئيسيًا لمعظم الحواسيب الكمومية اليوم، مما يؤدي إلى أخطاء حسابية لا تُقلل فقط من إجمالي القدرة الحاسوبية، بل يصعب تعويضها بسهولة من خلال ترقيات البرامج.

لذا فإن تحديد المادة القادرة على الحفاظ على التماسك لفترة أطول يعد خطوة أساسية إلى الأمام يجب اتخاذها قبل الوصول إلى المرحلة التجارية لصناعة الحوسبة الكمومية.

"التحدي الحقيقي، الشيء الذي يمنعنا من الحصول على أجهزة كمبيوتر كمية مفيدة اليوم، هو أنك عندما تبني كيوبت، فإن المعلومات لا تدوم طويلاً.

"هذه هي القفزة الكبيرة القادمة إلى الأمام."

أندرو هوك، عميد كلية الهندسة في جامعة برينستون

كيف قام الباحثون بتوسيع نطاق تماسك كيوبت ترانسمون

استخدم الباحثون نفس نوع البتات الكمومية الفائقة الموصلية التي تستخدمها شركات مثل جوجل أو آي بي إم في حاسوبها الكمي الخاص، tكيوبتات الفدية.

تتمتع كيوبتات ترانسمون بميزة كونها عالية الدقة (دقة بوابة كيوبت واحدة تتجاوز 99.9٪)، ومن الممكن إنتاجها على نطاق واسع، وبأوقات تماسك عالية تبلغ 0.1 مللي ثانية.

وهذا أمر واعد، ولكن الوقت اللازم لتحقيق التماسك لا يزال منخفضا للغاية.

لذا، عندما أعلن باحثو برينستون أنهم تمكنوا من إنشاء كيوبت يستمر لمدة 1.68 مللي ثانية في المتوسط، فهذا يعد تحسناً هائلاً.

المصدر الطبيعة

هذه مدة كيوبت أطول بثلاث مرات من أفضل كيوبت تم إنشاؤه في مختبر على الإطلاق، وأقوى بـ 15 مرة من الكيوبت المستخدم من قبل الشركات الخاصة التي تعمل على تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

لماذا يُحسّن التنتالوم والسيليكون التماسك الكمي؟

تعزيز التماسك باستخدام التنتالوم

ولتحقيق هذه النتيجة، استخدم الباحثون تحسينين مختلفين في المادة المستخدمة.

أولاً، استخدموا معدنًا يُسمى التنتالوم كطبقة أساسية لمساعدة الدوائر الهشة على الحفاظ على الطاقة. ويرجع ذلك إلى أن العيوب السطحية الصغيرة الخفية في المعدن يمكنها حبس الطاقة وامتصاصها أثناء حركتها.

يُعد هذا الأمر مشكلة بشكل خاص عندما يتم إضافة المزيد من البتات الكمومية إلى شريحة واحدة، حيث يتضاعف هذا النوع من الخطأ إلى الحد الذي يجعلها عديمة الفائدة بعد رقم معين.

تم استخدام المجهر الإلكتروني الناقل الماسح (STEM) لتأكيد البنية المنتظمة للغاية للبلورات المكعبة من التنتالوم.

المصدر الطبيعة

وبالمقارنة بالمعادن مثل الألومنيوم، فإن التنتالوم يحتوي على عيوب أقل بكثير، وهو مقاوم للغاية لعمليات التنظيف القاسية المستخدمة لإزالة الشوائب.

"يمكنك وضع التنتالوم في الحمض، ومع ذلك فإن خصائصه لا تتغير."

فارناك بهرامي – بحث في جامعة برينستون

كان زراعة التنتالوم مباشرة على السيليكون تحديًا يتطلب جهودًا كبيرة للتغلب عليه.
مرر للتمرير →

السيليكون يحل محل الياقوت

هناك مصدر آخر لفقدان الطاقة مما يؤدي إلى فقدان التماسك وهو ركيزة الياقوت المستخدمة في الرقائق الكمومية.

وبدلاً من ذلك، استخدم الباحثون السيليكون عالي الجودة (عالي المقاومة)، وهو مادة قياسية شائعة في صناعة الحوسبة التقليدية.

وبشكل عام، أدت هذه التحسينات في المواد المستخدمة في منصة التنتالوم على السيليكون إلى تحقيق بوابات كيوبت مفردة بنسبة دقة تبلغ 99.994%.

من الاختراقات المعملية إلى الرقائق الكمومية القابلة للتطوير

وواصل الباحثون استخدام طريقتهم لبناء شريحة كمية تعمل بكامل طاقتها وتتفوق على جميع التصميمات السابقة.

لأن معدل الخطأ مضاعف، فإن هذا النوع من التحسين يتناسب طرديًا مع حجم النظام. ونتيجةً لذلك، فإن التحسن بمقدار 10-15 ضعفًا في معدل الخطأ لكل كيوبت فردي له تأثير أكبر بكثير على حاسوب متعدد الكيوبت.

ومن المهم أن نلاحظ أن مثل هذا الكيوبت ليس مفهوماً جديداً غريباً، بل هو ببساطة كيوبت فائق التوصيل "تقليدي" يستخدم مادة مختلفة، بحيث يمكن دمجه بسهولة في أجهزة الكمبيوتر الكمومية الحالية واستخدامه بواسطة برامج الحوسبة الكمومية الحالية.

"إن تبديل مكونات جامعة برينستون بمعالج الكم الأفضل من جوجل، والذي يسمى Willow، من شأنه أن يمكّنه من العمل بشكل أفضل بـ 1,000 مرة.

"تتزايد فوائد كيوبت برينستون بشكل كبير مع نمو حجم النظام، لذا فإن إضافة المزيد من كيوبتات من شأنها أن تحقق فائدة أكبر."

أندرو هوك، عميد كلية الهندسة في جامعة برينستون

وهذا يعني أن تصميم برينستون قد يمكّن حاسوبًا افتراضيًا يحتوي على 1,000 كيوبت من العمل بشكل أفضل بنحو مليار مرة.

والأفضل من ذلك، أن استخدام التنتالوم والسيليكون يعني أن طريقة التصنيع تتناسب مع الطرق المستخدمة بالفعل في صناعة أشباه الموصلات، مما يجعل الإنتاج الضخم معلماً أسهل بكثير من الوصول إلى تقنية جديدة تماماً.

يبدو أن هذا البحث يشير إلى أن رقائق السيليكون الكمومية، والتي ناقشناها سابقًا، من المرجح أن يكون هذا هو الاتجاه الصحيح لصناعة الحوسبة الكمومية.

معا مع مصادر الضوء الكمومي الأفضل، رقائق فوتونية كمية هجينةو إمكانية نقل المعلومات الكمية مع تدفق بيانات الاتصالات العاديوتُظهِر هذه الخطوات نحو إنتاج أجهزة كمبيوتر كمية أكبر بكثير أن التكنولوجيا تصل بسرعة إلى مرحلة النضج التجاري.

الاستثمار في ابتكارات الحوسبة الكمومية

1. شركة Alphabet Inc.

تتمتع شركة جوجل بنشاط كبير في مجال الحوسبة الكمومية، وذلك بشكل رئيسي من خلال مختبر جوجل للذكاء الاصطناعي الكمي وحرم الذكاء الاصطناعي الكمي في سانتا باربرا.

حقق حاسوب جوجل الكمي إنجازًا تاريخيًا عام ٢٠١٩ عندما زعم تحقيق "التفوق الكمي" بجهازه "سيكامور". أجرى الجهاز عملية حسابية في ٢٠٠ ثانية، بينما كان يستغرق حاسوب عملاق تقليدي ١٠ آلاف عام لإتمامها.

لقد أصبح هذا الآن قزمًا أداء الشريحة الأحدث، والتي تسمى Willowهذه أول شريحة حاسوبية كمية تتميز بمعدل خطأ منخفض، فكلما زادت وحدات البت الكمومية المضافة، قلّ الخطأ. وهذا يجعلها أول تصميم لشريحة كمية قابلة للتطوير.

ولكن ربما تكون المساهمة الأعظم لجوجل في مجال البرمجيات، وهو النشاط الذي تتمتع فيه بسجل حافل من الإنجازات، أفضل بالفعل من سجلها في مجال الأجهزة (البحث، وG Suite، ونظام أندرويد، وما إلى ذلك).

بالفعل، يوفر Quantum AI التابع لشركة Google مجموعة من البرامج المصممة لمساعدة العلماء في تطوير خوارزميات الكم.

كما أنها تدعو علانية إلى "الباحثون والمهندسون والمطورون للانضمام إلينا في هذه الرحلة من خلال الاطلاع على برنامج مفتوح المصدر والموارد التعليمية، بما في ذلك دورة جديدة على كورسيراحيث يمكن للمطورين تعلم أساسيات تصحيح الأخطاء الكمية ومساعدتنا في إنشاء خوارزميات يمكنها حل مشاكل المستقبل."

بفضل هذا النهج المنفتح، أصبحت جوجل الآن رائدة في مجال الأجهزة وحلول الحوسبة السحابية. قد تكون جوجل من الشركات التي تضع معايير برمجيات الحوسبة الكمومية والبرمجة الكمومية، مما يمنحها مكانة متميزة لتوجيه التطور المستقبلي لهذا المجال.

وفي الوقت نفسه، قد تصبح حلول الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك سيارة Waymo ذاتية القيادة، محرك الإيرادات الجديد لشركة Alphabet، التي لا تزال تتمتع بمكانة مهيمن للغاية في صناعات البحث والإعلانات.

يمكنك معرفة المزيد عن أنشطة Google غير المتعلقة بالكم، وخاصة الإعلانات والذكاء الاصطناعي، في تقريرنا المخصص لشهر ديسمبر 2024.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Alphabet (GOOGL)

الدراسة المشار إليها:

^{١. بلاند، م. ب.، بهرامي، ف.، مارتينيز، جيه. جي. سي. وآخرون. أعمار الملي ثانية وأوقات التماسك في كيوبتات ترانسمون ثنائية الأبعاد. مجلة نيتشر ٦٤٧، ٣٤٣-٣٤٨ (٢٠٢٥). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}