الكيوبتات بالمللي ثانية تمثل اختراقًا في تقنية الكم

اختراق في الكيوبتات الفائقة التوصيل على مقياس المللي ثانية

تستطيع الحواسيب الكمومية أن تُحدث ثورة في طريقة تنفيذ التشفير، وحساب محاكاة معقدة مثل التكوين ثلاثي الأبعاد للبروتينات، وربما لديها تطبيقات عديدة أخرى لا نزال نتخيلها اليوم.

لكي تعمل، تحتاج إلى “كيوبتات” مستقرة قدر الإمكان، وهي العنصر الأساسي في الحوسبة الكمومية. حتى الآن، تمكنت حواسيب “الأيونات المحاصرة” فقط من إنتاج كيوبتات عالية الاستقرار. لكن هذه التقنية أصعب في التوسع مقارنةً بالكيوبتات الفائقة التوصيل.

لذلك، بينما قد تكون الكيوبتات الفائقة التوصيل مستقبل هذه التقنية، يلزم تحسين استقرار زمن تماسك الكيوبتات.

هذا ما حققه فريق كبير من الباحثين في جامعة برينستون مؤخرًا. فقد أنشأوا نوعًا من الكيوبتات الفائقة التوصيل يمكنه الحفاظ على التماسك لأكثر من مللي ثانية، أي ثلاثة أضعاف أطول من أفضل زمن مسجل سابقًا.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature¹ تحت العنوان “عمر المللي ثانية وأزمنة التماسك في الكيوبتات الترنسمن ثنائية الأبعاد”.

حدود تماسك الكيوبت

لإجراء الحوسبة الكمومية، يحتاج الحاسوب الكمومي إلى الحفاظ على “التماسك”، وهو حالة كمومية خاصة تكون شديدة الحساسية للتداخل من البيئة. بشكل عام، الضوضاء الحرارية وحركة الجسيمات تميل إلى تدمير التماسك في نطاق النانوثانية.

في ظروف خاصة، مثل الظروف الفائقة البرودة، يمكن أن يدوم عمر الكيوبت لفترة أطول. لكن لا يزال زمن التماسك الكافي يمثل قيدًا رئيسيًا لمعظم الحواسيب الكمومية اليوم، مما يؤدي إلى أخطاء حسابية لا تقلل فقط من القدرة الحاسوبية الكلية، بل لا يمكن تعويضها بسهولة عبر تحديثات البرمجيات.

“التحدي الحقيقي، الشيء الذي يمنعنا من الحصول على حواسيب كمومية مفيدة اليوم، هو أنك تبني كيوبت والمعلومات لا تدوم طويلاً.

هذا هو القفزة الكبيرة التالية.”

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

كيف مدد الباحثون تماسك كيوبت الترنسمن

استخدم الباحثون نفس نوع الكيوبتات الفائقة التوصيل التي تستخدمها شركات مثل Google أو IBM في حواسيبها الكمومية، transmon qubits.

تتمتع كيوبتات الترنسمن بميزة عالية الدقة (دقة بوابات الكيوبت الفردية تتجاوز 99.9٪)، وإمكانية الإنتاج على نطاق واسع، وزمن تماسك يصل إلى 0.1 مللي ثانية.

هذا واعد، لكن زمن التماسك لا يزال منخفضًا جدًا.

لذا عندما أعلن باحثو برينستون عن تمكنهم من إنشاء كيوبت يدوم في المتوسط 1.68 مللي ثانية، كان ذلك تحسينًا هائلًا.

المصدر: Nature

هذا زمن كيوبت أطول بثلاثة أضعاف من أفضل ما تم إنشاؤه في المختبر، وخمس عشرة مرة أقوى من تلك المستخدمة من قبل الشركات الخاصة التي تطور حواسيب كمومية.

لماذا يحسن التنتالوم والسيليكون تماسك الكم

التنتالوم يعزز التماسك

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

أولًا، استخدموا معدنًا يُدعى التنتالوم كطبقة أساسية لمساعدة الدوائر الهشة على الحفاظ على الطاقة. ذلك لأن العيوب السطحية الصغيرة المخفية في المعدن يمكن أن تحجز وتمتص الطاقة أثناء حركتها.

يصبح هذا مشكلة خاصة عندما تُضاف المزيد من الكيوبتات إلى الشريحة، حيث يتضاعف هذا النوع من الأخطاء إلى حد يجعله غير مفيد بعد عدد معين.

اُستخدمت المجهر الإلكتروني النافذ للانتقال (STEM) لتأكيد البنية المنتظمة للغاية للبلورات المكعبة للتنتالوم.

المصدر: Nature

مقارنةً بالمعادن مثل الألمنيوم، يحتوي التنتالوم على عيوب أقل بكثير، وهو مقاوم بشدة لعمليات التنظيف القاسية المستخدمة لإزالة الشوائب.

“يمكنك وضع التنتالوم في الحمض، ولا تتغير خصائصه.”

Faranak Bahrami – Research at Princeton University

كان نمو التنتالوم مباشرةً على السيليكون تحديًا استغرق جهدًا كبيرًا لتجاوزه.
اسحب للتمرير →

السيليكون يحل محل الياقوت

مصدر آخر لفقدان الطاقة يؤدي إلى فقدان التماسك هو ركيزة الياقوت المستخدمة في الشرائح الكمومية.

بدلاً من ذلك، استخدم الباحثون سيليكونًا عالي الجودة (عالي المقاومة)، وهو مادة معيارية شائعة في صناعة الحوسبة التقليدية.

معًا، أدت هذه التحسينات في المواد المستخدمة في منصة التنتالوم على السيليكون إلى أن تحقق البوابات الفردية للكيوبت دقة 99.994٪.

من الاختراق المختبري إلى شرائح كمومية قابلة للتوسع

استخدم الباحثون طريقتهم لبناء شريحة كمومية تعمل بالكامل وتتفوق على جميع التصاميم السابقة.

نظرًا لأن معدل الخطأ يتضاعف، فإن هذا النوع من التحسين يتوسع أسيًا مع حجم النظام. وبالتالي، فإن تحسين معدل الخطأ بمقدار 10-15 مرة للكيوبتات الفردية له تأثير أكبر بكثير على حاسوب متعدد الكيوبتات.

من المهم أن نلاحظ أن هذا الكيوبت ليس مفهومًا غريبًا جديدًا، بل هو مجرد “كيوبت فائق التوصيل تقليدي” يستخدم مادة مختلفة، لذا يمكن دمجه بسهولة في الحواسيب الكمومية الحالية واستخدامه مع البرمجيات الكمومية القائمة.

“استبدال مكونات برينستون في أفضل معالج كمومي لجوجل، المسمى Willow، سيمكنه من العمل بألف مرة أفضل.

تزداد فوائد كيوبت برينستون أسيًا مع زيادة حجم النظام، لذا فإن إضافة المزيد من الكيوبتات ستجلب فائدة أكبر.

Andrew Houck, Princeton’s dean of engineering

هذا يعني أن تصميم برينستون قد يمكّن حاسوبًا افتراضيًا مكوّنًا من 1,000 كيوبت من العمل تقريبًا بمليار مرة أفضل.

والأفضل من ذلك، أن استخدام التنتالوم والسيليكون يعني أن طريقة التصنيع تتوافق مع ما تستخدمه صناعة أشباه الموصلات حاليًا، مما يجعل الوصول إلى الإنتاج الضخم هدفًا أسهل بكثير من تبني تقنية جديدة تمامًا.

يبدو أن هذا البحث يشير إلى أن شرائح السيليكون الكمومية، التي ناقشناها سابقًا، هي الاتجاه الصحيح لصناعة الحوسبة الكمومية.

مع مصادر ضوء كمومية أفضل، شرائح كمومية-فوتونية هجينة، وإمكانية نقل المعلومات الكمومية جنبًا إلى جنب مع تدفق بيانات الاتصالات العادية، تُظهر هذه الخطوات نحو حواسيب كمومية أكبر حجمًا أن التقنية تقترب بسرعة من النضج التجاري.

الاستثمار في ابتكار الحوسبة الكمومية

1. Alphabet Inc.

تُعد Google نشطة جدًا في مجال الحوسبة الكمومية، خاصةً من خلال مختبر Google Quantum AI وحرم Quantum AI في سانتا باربارا.

سجّل حاسوب Google الكمومي تاريخًا في عام 2019 عندما ادعى أنه حقق “تفوقًا كموميًا” باستخدام آلة Sycamore. أجرى الجهاز حسابًا في 200 ثانية كان سيستغرق حاسوبًا فائقًا تقليديًا 10,000 سنة.

هذا الآن يُقارن بأداء أحدث شريحة لها، المسماة Willow. إنها أول شريحة حوسبة كمومية ذات معدل خطأ منخفض بما يكفي بحيث كلما أضفت المزيد من الكيوبتات، يقل الخطأ. وهذا يجعلها أول تصميم شريحة كمومية قابل للتوسع.

لكن ربما يكون أكبر إسهام لـ Google في البرمجيات، وهو مجال لديها سجل حافل فيه، أفضل فعليًا من الأجهزة (البحث، G Suite، Android، إلخ).

حاليًا، توفر Quantum AI من Google مجموعة من البرمجيات المصممة لمساعدة العلماء في تطوير الخوارزميات الكمومية.

كما تدعو علنًا “الباحثين والمهندسين والمطورين للانضمام إلينا في هذه الرحلة من خلال الاطلاع على البرمجيات مفتوحة المصدر والموارد التعليمية، بما في ذلك دورتنا الجديدة على Coursera, حيث يمكن للمطورين تعلم أساسيات تصحيح الأخطاء الكمومية ومساعدتنا في إنشاء خوارزميات تحل مشاكل المستقبل.”

بفضل هذا النهج المفتوح، تتصدر Google الآن في الأجهزة وكذلك حلول السحابة. قد تكون Google واحدة من الشركات التي تحدد معايير برمجيات الحوسبة الكمومية والبرمجة الكمومية، مما يمنحها موقعًا مميزًا لتوجيه تطور المجال في المستقبل.

في الوقت نفسه، قد تصبح حلول الذكاء الاصطناعي، بما في ذلك سيارة Waymo ذاتية القيادة، محركًا جديدًا للإيرادات لشركة Alphabet، التي لا تزال تحتفظ بموقع مهيمن بشكل كبير في صناعات البحث والإعلانات.

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

آخر أخبار وتطورات سهم Alphabet (GOOGL)

الدراسة المشار إليها:

^{1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4}