توسيع نطاق الحواسيب الكمومية باستخدام كيوبتات ذرة واحدة

كيوبتات الذرة الواحدة: عصر جديد للحوسبة الكمومية

الحواسيب الكمومية هي آلات معقدة للغاية، تستغل التغييرات الدقيقة في سلوك الذرات الفردية لإجراء الحسابات. وبالتالي، فهي تستخدم وتكشف عن رؤى جديدة حول طبيعة الكون على مستوى الذرات والجسيمات الفردية.

من المحتمل أن تكون هذه الرؤى ضرورية لبناء حواسيب كمومية على نطاق واسع، فكلما كان النظام أكثر تعقيدًا، كلما كان من الأصعب بناء حجم كافٍ للاستخدامات العملية.

أجرى باحثون في جامعة سيدني بأستراليا مؤخرًا تشفير بيانات حسابية كمية متعددة داخل ذرة واحدة، مما قد يثوّر حجم الكيوبتات الفيزيائي (المكافئ الكمومي للبتات في الحواسيب “العادية”).

نشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Nature Physics¹، تحت عنوان “مجموعة بوابات كمومية شاملة للكيوبتات المنطقية من نوع Gottesman–Kitaev–Preskill”.

جعل الكيوبت موثوقًا

حاليًا، يتم إنتاج الكيوبتات إما عبر طريقة تُسمى “الأيون المحبوس”، أو باستخدام مواد فائقة التوصيل ذات درجات حرارة منخفضة للغاية.

المصدر: Forbes

• الأيونات المحبوسة تحتوي على عدد قليل فقط من الكيوبتات، لكنها أكثر موثوقية وتنتج أخطاءً أقل.
• المواد الفائقة التوصيل تحتوي على عدد أكبر من الكيوبتات ومن المتوقع أن تكون أسهل في التوسيع، لكنها أكثر عرضة للأخطاء.

في كلتا الحالتين، يؤثر معدل الخطأ على نسبة الكيوبتات الفيزيائية إلى المنطقية، أو عدد الكيوبتات الفيزيائية المطلوبة لإنشاء كيوبت وظيفي من منظور الحوسبة.

مع زيادة عدد الكيوبتات المفيدة (أو المنطقية)، يزداد عدد الكيوبتات الفيزيائية المطلوبة بشكل أكبر. ومع توسّع هذا العدد، يصبح عدد الكيوبتات اللازمة لإنشاء آلة كمومية مفيدة كابوسًا هندسيًا.

لذا، فإن جعل الحواسيب الكمومية أكثر مقاومة للأخطاء قد يكون أهم مهمة للباحثين في المجال حاليًا، لأنه سيزيل العائق الرئيسي أمام بناء حواسيب كمومية واسعة النطاق ذات فائدة.

اسحب للتمرير →

تصغير حجم الكيوبتات

استخدم الباحثون الأستراليون نظام حوسبة كمومية يعتمد على أيون محبوس (ذرة يتربيوم مشحونة) وشكلًا من تشفير البيانات يُسمى رمز Gottesman‑Kitaev‑Preskill (GKP).

يُعد GKP نوعًا من الرموز المتوقع أن يساعد في تصحيح الأخطاء في الحواسيب الكمومية. لكن إنشاءه عمليًا كان صعبًا حتى الآن.

المفتاح هو إنشاء “بوابة منطقية”، وهي مفتاح معلومات يتيح للكمبيوترات – الكمومية والكلاسيكية – أن تكون قابلة للبرمجة.

باستخدام برنامج تحكم كمومي طورته شركة Q‑CTRL، وهي شركة ناشئة من مختبر التحكم الكمومي، قام الباحثون بتشفير البيانات داخل ذرة واحدة، في ثلاثة أبعاد.

في الجوهر، يتم تخزين مجموعتين من البيانات على اهتزاز ذرة واحدة، مجموعة كاهتزاز من “اليسار إلى اليمين”، والأخرى كاهتزاز من “أعلى إلى أسفل”.

فعليًا، نقوم بتخزين كيوبتين منطقيين قابلين لتصحيح الأخطاء داخل أيون محبوس واحد ونظهر التشابك بينهما.

فاسلي ماتسوس – طالب دكتوراه في كلية الفيزياء ومعهد سيدني نانو

بناء بوابة منطقية لذرة واحدة

لتحقيق هذا الإنجاز في الفيزياء الكمومية، استخدموا مجموعة معقدة من الليزر في درجة حرارة الغرفة لتثبيت الذرة الواحدة في الفخ، مما يسمح بالتحكم في اهتزازاتها الطبيعية واستخدامها لإنتاج رموز GKP المعقدة.

المصدر: Nature Physics

جزء “درجة حرارة الغرفة” مهم جدًا، لأنه يجعل العملية أسهل وأرخص بطبيعتها مقارنةً بالحواسيب الكمومية الفائقة التي تتطلب درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق والهيليوم السائل.

أظهرت تجاربنا أول تحقيق لمجموعة بوابات منطقية شاملة للكيوبتات من نوع GKP.

قمنا بذلك من خلال التحكم الدقيق في الاهتزازات الطبيعية، أو الذبذبات التوافقية، لأيون محبوس بطريقة تمكننا من تعديل كيوبتات GKP الفردية أو تشابكها كزوج.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

نحو حواسيب كمومية قابلة للتوسيع

إن الجمع بين التحكم في درجة حرارة الغرفة، وبوابة منطقية لذرة واحدة، ورمز تقليل الأخطاء هو ما يجعل هذا الاكتشاف مهمًا للغاية.

معًا، يفتح هذا الطريق لنوع جديد من الحواسيب الكمومية القائمة على الأيونات المحبوسة التي قد تكون أبسط كثيرًا في البناء وأسهل بكثير في التوسيع.

حققت تجاربنا علامة فارقة رئيسية، حيث أظهرنا أن هذه الضوابط الكمومية عالية الجودة توفر أداة رئيسية للتلاعب بأكثر من كيوبت منطقي واحد.

من خلال إظهار بوابات كمومية شاملة باستخدام هذه الكيوبتات، نمتلك أساسًا للعمل نحو معالجة معلومات كمومية على نطاق واسع بطريقة فعّالة من حيث الأجهزة.

Dr Tingrei Tan – University of Sydney Nano Institute

في الوقت نفسه، تم إحداث عدة اكتشافات جديدة مؤخرًا تُظهر إمكانات ربط الحواسيب الكمومية معًا. لذا إذا أصبح كل منها أقوى، وتقترب الشبكات الكمومية من الواقع، فقد يساعد ذلك في إحداث انفجار في سعة الكيوبتات القابلة للاستخدام.

الحواسيب الكمومية تفتح آفاقًا جديدة في الفيزياء

من المرجح أن تُحدث الحواسيب الكمومية الموسعة ثورة في مجال التشفير والبحث العلمي، بفضل قدرتها الهائلة على حل المشكلات المعقدة التي يصعب حسابها باستخدام الحواسيب الثنائية.

لكنها قد تفتح أيضًا بطريقة غير مباشرة طريقة جديدة تمامًا للفيزيائيين لدراسة المجال الكمومي.

هذا ما يظهر من التحليلات التي أجراها باحثون في جامعة برينستون، جامعة كورنيل، جامعة بوردو، جامعة نوتنغام (المملكة المتحدة)، الجامعة التقنية في ميونخ (ألمانيا)، وبحث جوجل، وفقًا لنشر جديد في مجلة Nature²، بعنوان “تصوير ديناميكيات الشحنات والسلاسل في نظريات المجال الشبكي (2 + 1)D”.

قياس نظرية المقياس

يسمح الحاسوب الكمومي من جوجل للباحثين بتجربة واختبار ما يُسمى “نظرية المجال الشبكي” (LGT)، وهو نوع من نظريات الحقل الكمومي يطرح وجود حقول مقياس (الحقول التي تنقل القوى، مثل المجال الكهرومغناطيسي) وبوزونات مقياس (الجسيمات الأولية التي تحمل هذه القوى).

المصدر: Nature

أظهر الفريق كيف تتصرف الجسيمات و”السلاسل” غير المرئية التي تربطها، وكيف تتقلب، وحتى تنكسر.

المصدر: Nature

أكد الباحثون في تلك الدراسة أن هذه “السلاسل” يمكن قياسها وملاحظتها في الحواسيب الكمومية.

باستخدام قوة المعالج الكمومي، درسنا ديناميكيات نوع معين من نظرية المقياس ولاحظنا كيف تتطور الجسيمات والسلاسل غير المرئية التي تربطها مع مرور الوقت.

Pedram Roushan – Google Quantum AI

من خلال إنشاء مواقف مراقبة للغاية لملاحظة التأثيرات الكمومية، دون الحاجة إلى مستويات الطاقة العالية لمسرعات الجسيمات، يتضح أن الحواسيب الكمومية قد تصبح أدوات رئيسية في أبحاث الفيزياء الأساسية.

تُظهر أعمالنا كيف يمكن للحواسيب الكمومية أن تساعدنا في استكشاف القواعد الأساسية التي تحكم كوننا.

من خلال محاكاة هذه التفاعلات في المختبر، يمكننا اختبار النظريات بطرق جديدة.

Michael Knap, Professor of Collective Quantum Dynamics at the TUM School of Natural Sciences

مستقبل الحواسيب الكمومية القابلة للتوسيع

ما زال إمكانات الحواسيب الكمومية غير مفهومة بالكامل، حيث يتم إعادة اختراعها باستمرار من مبادئها الأساسية، ليس بعيدًا عن كيفية انتقال أولى الحواسيب من بطاقات الثقب إلى الأنابيب المفرغة ثم إلى الترانزستورات السيليكونية. إلا أن وتيرة التغيير أسرع بكثير.

هذا يعني أنه قريبًا جدًا قد نشهد تقدمًا كبيرًا في تصنيع حواسيب كمومية أكبر وأكثر قوة، والتي قد تُشبك معًا للحصول على سعات أكبر.

قد يفتح هذا الطريق ليس فقط إلى قدرات حوسبة أعلى بكثير، بل إلى فهم جديد كليًا للمادة والفيزياء الكمومية، مع، على سبيل المثال، حالة مادة جديدة تمامًا مثل الحالة الطوبولوجية التي أظهرتها فرق مايكروسوفت للحوسبة الكمومية (شريحة Majorana-1).

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

Honeywell / Quantinuum

في حين قد يكشف حاسوب جوجل الكمومي عن رؤى جديدة حول نظرية الفيزياء الكمومية، يبدو أن اكتشاف كيوبت محتمل من ذرة واحدة باستخدام تقنية الأيون المحبوس يجعل هذه الطريقة أقرب بكثير إلى الجدوى التجارية مقارنةً بالحواسيب الكمومية الفائقة.

Quantinuum هي نتيجة دمج Honeywell Quantum Solutions و Cambridge Quantum.

تظل Honeywell المساهم الرئيسي في الشركة (من المحتمل 52% من الملكية) بعد جولة تمويل قيمتها 5 مليارات دولار. يُقال إن المؤسس Ilyas Khan يمتلك حوالي 20% من الشركة. تشمل المساهمين الآخرين JSR Corporation، Mitsui، Amgen (AMGN ) ، IBM، و JP Morgan.

من المحتمل أن تُطرح Quantinuum للاكتتاب العام في المستقبل، ربما كجزء من إعادة هيكلة شركة أكبر، ومن المتوقع أن تصل قيمتها إلى 20 مليار دولار وقد يحدث ذلك بين عامي 2026 و2027.

الحوسبة الكمومية ليست الجزء المركزي في أعمال Honeywell، التي تركز أكثر على المنتجات في مجال الطيران، الأتمتة، والمواد الكيميائية المتخصصة والمواد.

قد تستفيد كل من هذه المجالات، مع ذلك، من الحوسبة الكمومية، خاصةً الكيمياء الحاسوبية والأمن السيبراني الكمومي، مما قد يمنح Honeywell ميزة على منافسيها.

النموذج الرئيسي للشركة حاليًا هو H2، رقاقة أيون محبوس بـ 56 كيوبت، مع دقة بوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 99.895٪.

سعت الشركة إلى حوسبة عالية الجودة مع أخطاء قليلة جدًا، بدلاً من إضافة أكبر عدد ممكن من الكيوبتات، مما يخلق ما يُسمى “حوسبة كمومية مقاومة للأخطاء”.

تُصنّف الشركة هذا النهج باسم “كيوبتات أفضل، نتائج أفضل”، حيث تحقق عدد مماثل من الكيوبتات نتائج أكثر موثوقية بمعدل 100 إلى 1,000 مرة.

المصدر: Quantinuum

قد يُحدث هذا فرقًا ملحوظًا في مجال التشفير المقاوم للكمبيوترات الكمومية الذي يحتاج إلى حلول عاجلة، حيث تتعاون شركة الدفاع Thales (HO.PA -0.96%) بالفعل مع Quantinuum بالإضافة إلى البنوك الدولية HSBC و JP Morgan.

كما تقدم Quantinuum كيمياءها الحاسوبية الكمومية المملوكة InQuanto، القابلة للاستخدام في الصناعات الدوائية، علوم المواد، الكيميائيات، الطاقة، وتطبيقات الطيران.

مثل العديد من شركات الحوسبة الكمومية الأخرى، تقدم Quantinuum Helios، وهو “أجهزة كخدمة”، يتيح للمستخدمين الاستفادة من الحوسبة الكمومية دون الحاجة إلى التعامل مع تعقيدات تشغيل النظام بأنفسهم.

وقعت Quantinuum في نوفمبر 2024 شراكة مع شركة Infineon الألمانية، أكبر شركة تصنيع أشباه الموصلات في أوروبا. ستجلب Infineon تقنيتها في الفوتونيات المتكاملة والإلكترونيات التحكمية للمساعدة في إنشاء الجيل التالي من الحواسيب الكمومية القائمة على الأيونات المحبوسة.

مع اقتراب الفوتونيات المتكاملة من حالات الاستخدام العملية، يتضح الآن مدى أهمية هذه الشراكة لمستقبل Quantinuum. في هذه المرحلة، يبدو أن الخطوة التالية للشركة ستكون إطلاق أول رقاقة فوتونية-كمومية موجهة للذكاء الاصطناعي في العالم.

في الأشهر القادمة، ستشارك Quantinuum نتائج التعاونات الجارية، مظهرة الإمكانات الرائدة للتطورات المدفوعة بالكمبيوترات الكمومية في الذكاء الاصطناعي التوليدي.

ستعزز القدرة المبتكرة Gen QAI وتسرّع استخدام الأطر العضوية المعدنية لتوصيل الأدوية، ممهدة الطريق إلى خيارات علاجية أكثر كفاءة وتخصيصًا، مع تفاصيل ستُكشف عند إطلاق Helios.

Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential

يمكن أن تعزز حالات الاستخدام المستمرة المزيد من القيمة المستقبلية للشركة، وبالتالي حصة Honeywell فيها، وربما الأرباح المحتملة التي يمكن للمستثمرين تحقيقها.

(يمكنك قراءة المزيد عن بقية الأنشطة الصناعية لشركة Honeywell في الأتمتة والطيران والمواد المتقدمة في التقرير المخصص للشركة).

آخر أخبار وتطورات سهم Honeywell (HON)

الدراسات المشار إليها

<sup>1. Matsos, V.G., Valahu, C.H., Millican, M.J. وآخرون. مجموعة بوابات كمومية شاملة للكيوبتات المنطقية من نوع Gottesman–Kitaev–Preskill. Nature Physics. (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. Cochran, T.A., Jobst, B., Rosenberg, E. وآخرون. تصوير ديناميكيات الشحنات والسلاسل في نظريات المجال الشبكي (2 + 1)D. Nature 642, 315–320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>