الحوسبة الكمومية: مكبر صوت ذكي جديد يوفر الطاقة

قدّم فريق من الباحثين من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد نظامًا ذكيًا لمضخمات البيانات يُمكّن الحواسيب الكمومية من تعظيم بيانات الكيوبت. سيساعد هذا التحديث الأجهزة المستقبلية على التوسع لتلبية الطلب المتزايد على أنظمة الحاسوب القائمة على الذكاء الاصطناعي. إليكم كيف استخدم المهندسون مضخمات الكيوبت لتعزيز أداء الحواسيب الكمومية.

الكم للكمبيوتر

كثر الحديث مؤخرًا عن الحواسيب الكمومية. هذه الأجهزة، التي لم تُخترع إلا عام ١٩٩٨، تستخدم البتات الكمومية بدلًا من البتات الحاسوبية التقليدية. كان أول حاسوب كمومي حاسوبًا كموميًا بتقنية الرنين النووي المغناطيسي (NMR) ثنائي البتات الكمومية.

كان تصميمه ثوريًا إذ دمج ظواهر ميكانيكا الكم، مثل التراكب والتشابك، لأداء مهامه. والجدير بالذكر أن الحواسيب الكمومية تتفوق في أدائها على الحواسيب العملاقة، وهي قادرة على معالجة أعقد العمليات الحسابية التي عرفها الإنسان اليوم.

البتات مقابل الكيوبتات

تنبع قوتها من استخدام الكيوبتات بدلًا من البتات. تعتمد أجهزة الكمبيوتر اليوم على بتات البيانات للعمل. تُرسل البتات كـ 1 و0 باستخدام نظام الترميز الثنائي. أي تركيبة من هذه الأرقام تُعطي معلومات محددة لأجهزة الكمبيوتر. لطالما كان الترميز الثنائي أساسًا متينًا للحوسبة لعقود.

يُغيّر استخدام البتات الكمومية (أو الكيوبتات) كل شيء. فباستخدام التراكب، تستطيع الكيوبتات حمل جميع القيم في آنٍ واحد، مما يُوفر قدرات حسابية هائلة. والجدير بالذكر أن جميع الحواسيب الكمومية تعتمد على أجهزة خاصة تُستخدم لتفسير البيانات الكمومية، تُسمى المُضخِّمات.

مكبرات الصوت

تُعزز المُضخِّمات الموجات الدقيقة الحساسة لتعزيز إشارات الكيوبت. وهي عنصرٌ أساسي في تصميم الحاسوب الكمومي، إذ تُساعد على ضمان تسجيل بيانات الكيوبت بسرعة قبل زوال الحالة الكمومية.

حدود أجهزة الكمبيوتر الكمومية

هناك بعض القيود التي تُعيق استخدام الحواسيب الكمومية، مما أبطأ من اعتمادها. أولًا، تكلفتها العالية في التصنيع والتشغيل. يجب حفظ هذه الأجهزة في درجات حرارة مُبَرِّدة للغاية لتثبيت البتات الكمومية ومنع أي فقدان للتماسك فيها.

يمكن أن يحدث فقدان التماسك لأسباب عديدة، منها التداخل المغناطيسي أو الكهربائي أو الحراري. ويُعدّ هذا الأخير مصدر قلق بالغ، إذ يتطلب كل مُضخّم يُضاف إلى نظام حاسوب كمي احتياجات إضافية من الحرارة والطاقة. فأدنى تغيير في درجة الحرارة قد يُفقد البتات الكمومية سلامتها ويصبح غير صالح للاستخدام في العمليات الحسابية.

داخل دراسة مكبر الصوت الذكي

استخدم تشغيل LNA HEMT النبضي لقراءة Qubit دراسة¹يقدم مشروعٌ طوّره مهندسون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد، طريقةً جديدةً لرفع أداء الحواسيب الكمومية. يعتمد النهج الجديد على كيوبتات عالية الأداء، مدعومة بمضخّم وخوارزمية مُصمّمين خصيصًا لهذا الغرض.

يستخدم نظام الحاسوب الكمومي جهازًا هجينًا مُبرَّدًا مُعَدَّلًا ومتوفرًا تجاريًا للعمل مع مُضخِّم ذكي. صُمِّم المُضخِّم الذكي ليعمل فقط عند نبضات البتات الكمومية. واجهت هذه الطريقة العديد من التحديات التي كان على الباحثين التغلب عليها لتحقيق النجاح.

المصدر - جامعة تشالمرز للتكنولوجيا

أولاً، كان على الفريق تهيئة الجهاز ليعمل بسرعة كافية للتشغيل والإيقاف بين نبضات الكيوبت. ولإنجاز هذه المهمة، ابتكر المهندسون خوارزمية خاصة. أتاحت خوارزمية شكل موجة جهد البوابة المُحسّنة للمُضخّم العمل بدقة أكبر. كما لعبت هذه الخوارزمية دورًا حاسمًا في تقليل استهلاك الطاقة والحرارة الناتجة عن الجهاز.

بخلاف المُضخِّمات التقليدية التي تعمل باستمرار، يتطلب أسلوب النبضة تشغيل الجهاز في غضون ميلي ثانية. وقد حسّن المهندسون الخوارزمية لإنجاز هذه المهمة، مما يضمن تفعيل المُضخِّم الذكي بسرعة كافية لمواكبة قراءة الكيوبت.

كيف تم اختبار مكبر الصوت الذكي

أجرى المهندسون عدة اختبارات على مُضخّمهم الكمّي الذكي الجديد للتأكد من قدراته ومقاييس أدائه. بدأ الفريق بتحليل قيود استعادة الطاقة للمُضخّمات. تضمن هذا الاختبار تسجيل الضوضاء العابرة للجهاز وقياس أدائه.

كان على المهندسين ضمان الحد الأدنى من فقدان التماسك أثناء هذه العمليات الحسابية. ولذلك، طلبوا من الجهاز إجراء عدة عمليات حسابية عالية المستوى، وتسجيل أي ضوضاء ناتجة أثناء تشغيل النظام عن كثب.

على وجه التحديد، استخدم الفريق نظام قياس ضوضاء المجال الزمني بالتبريد العميق بدقة زمنية تبلغ 5 نانوثانية. ومن ثم، حسّن العلماء الدقة بالحفاظ على الانحراف المعياري للضوضاء المقاسة (SD) أقل من 0.3 كلفن.

قام الاختبار التالي بقياس أداء الضوضاء والكسب في المجال الزمني استجابةً لموجة جهد البوابة المربعة. كان هذا من أصعب أجزاء عملهم، إذ تنبض البتات الكمومية في نانوثانية، مما يجعل توقيت ظهورها وتسجيله مهمةً صعبة.

وأخيرًا، وثّق الفريق تقلبات تيارات الاستنزاف، مما مكّنهم من حساب متوسط ​​استهلاك الطاقة للمضخم الذكي الذي يعمل بالنبضات. وقد راعى النظام جميع متطلبات الطاقة، بما في ذلك فقدان الطاقة أثناء التشغيل بالنبضات.

نتائج مكبر الصوت الذكي: أسرع، أبرد، أفضل

تُعدّ نتائج اختبار المُضخّم الذكي مبهرة مقارنةً بالدراسات السابقة. ومن المثير للاهتمام أن هذه الدراسة تُمثّل أول عرض ناجح لمُضخّمات أشباه الموصلات منخفضة الضوضاء للقراءة الكمّية في التشغيل النبضي، مما يفتح الباب أمام ابتكارات مستقبلية.

تجدر الإشارة إلى أن المهندسين قاموا بتوقيت المُضخِّم لمعرفة مدى سرعة استجابته للبتات الكمومية. يُوقَّت الجهاز عند 35 نانوثانية عند قياس البتات الكمومية. كما لاحظوا أن المُضخِّم يُنتج حرارةً وتداخلاً أقل بكثير خلال دورة عمله، مما يُؤدي إلى استقبال إشارة أنظف.

أثبت الفريق أن أسلوبهم النبضي يُخفّض استهلاك الطاقة دون التأثير على الأداء. في الماضي، كانت إضافة مُضخّمات الصوت تُؤدي إلى زيادة استهلاك النظام للطاقة. لم يُفلح الفصل بين أداء المُضخّم واستهلاك الطاقة بنجاح إلا بعد أن كرّس الباحثون وقتهم لدراسة وتطوير خوارزمية نبضية موثوقة.

الفوائد الرئيسية للمضخم الذكي

هناك قائمة طويلة من المزايا التي يُضيفها المُضخّم الذكي لسوق الحواسيب الكمومية. أولًا، قد يُثبت أنه محوري في تطوير حواسيب كمومية عالية الأداء ومنخفضة الطاقة. ستوفر هذه الأنظمة بنيةً موثوقةً وفعّالةً للتطبيقات واسعة النطاق.

زيادة الحساسية

يُقدّم المُضخّم الذكي قراءات أكثر دقة وحساسية لبيانات الكيوبت بفضل تصميمه النبضي. تضمن الخوارزمية تشغيل الجهاز فقط عندما تكون الكيوبتات نشطة. ويُمثّل هذا المُضخّم الأكثر حساسية على الإطلاق باستخدام الترانزستورات، مُسجّلاً إنجازاً بارزاً في قطاع الحواسيب الكمومية.

أداء عالي الكفاءة

يتميز التصميم أيضًا بكفاءة الطاقة. يُقلل هذا التصميم النبضي متوسط ​​استهلاك الطاقة بنسبة تصل إلى 85-90% مقارنةً بالتشغيل المستمر. تُعد هذه الكفاءة أساسيةً لتصميمه، حيث تتطلب بروتوكولات الذكاء الاصطناعي، التي ستُستخدم الحواسيب الكمومية لتشغيلها، طاقةً كبيرةً لتشغيلها.

إنتاج حرارة منخفضة

هناك ميزة أخرى لمضخم النبضات الذكي، وهي أنه يُنتج حرارة أقل بكثير من سابقاته. سيُمكّن الجهاز الجديد غرف التبريد التي تحتاجها الحواسيب الكمومية من العمل بجهد أقل. بالإضافة إلى ذلك، يُتيح هذا الجهاز إمكانية تصغير حجم هذه الأجهزة ودمجها في المزيد من الأجهزة مستقبلًا.

الاستخدامات في العالم الحقيقي والجدول الزمني للطرح

هناك قائمة طويلة من التطبيقات العملية للمضخمات عالية الكفاءة. الاستخدام البديهي هو ترقية الحواسيب الكمومية وجعلها في متناول الجمهور. قريبًا، ستوفر مراكز بيانات الحواسيب الكمومية قدرات حوسبية متطورة للجمهور عبر الخدمات السحابية. ومن ثم، ستصبح هذه التقنية في نهاية المطاف في متناول الشخص العادي.

قد يستغرق الأمر أكثر من عشر سنوات قبل أن تتمكن من استخدام حاسوب كمي ذكي يعمل بمضخم طاقة. لا تزال هناك قيود كثيرة على تكلفة هذه الأجهزة، مثل ضرورة تشغيلها باستخدام غرف التبريد. مع ذلك، خلال السنوات الخمس المقبلة، ستبدأ خدمات الحاسوب الكمي السحابي في اكتساب زخم.

التنمية المخدرات

ستُحدث الحواسيب الكمومية، التي تُشغّل خوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة، ثورةً في المجال الطبي. وتلعب أنظمة الذكاء الاصطناعي بالفعل دورًا حيويًا في تطوير الأدوية والعلاجات. وفي السنوات القادمة، ستُساعد الحواسيب الكمومية عالية الأداء على تحسين اختبار وإنتاج أدوية جديدة دون الحاجة إلى أشخاص مُختبرين.

التشفير

سيشهد قطاع التشفير تغييرات كبيرة مع دخول الحواسيب الكمومية الخدمة. ستتمتع هذه الأجهزة بقوة كافية لتدمير أي بروتوكولات أمان حاسوبية تقليدية بسرعة. وبالتالي، ستثبت هذه الأجهزة دورها المحوري في تأمين أنظمة الحاسوب المستقبلية ومنع خروقات البيانات أو عمليات الاختراق واسعة النطاق.

تعزيز الذكاء الاصطناعي في المستقبل

أفضل استخدام للمضخمات الذكية هو إنشاء حواسيب كمومية لتشغيل أنظمة الذكاء الاصطناعي المستقبلية. تعتمد جودة بروتوكولات الذكاء الاصطناعي على جودة تدريبها ومجموعات بياناتها. تستطيع الحواسيب الكمومية استخدام مجموعات بيانات ضخمة والوصول إلى المعلومات المؤرشفة منها في وقت قياسي. سيسمح هذا النهج لهذه الأنظمة بإجراء عمليات حسابية ضخمة ومعقدة في ثوانٍ.

لخدمات اللوجستية

يُعد قطاع اللوجستيات مجالاً آخر يمكن أن تتألق فيه الحواسيب الكمومية. يُمثل سوق اللوجستيات تريليونات البضائع المنقولة حول العالم يوميًا. وقد ساهم إدخال أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) والذكاء الاصطناعي في تحسين إمكانية التتبع.

مع ذلك، لا تمتلك هذه الأنظمة القدرة على مواكبة العدد المتزايد من أجهزة الاستشعار والمدخلات الأخرى المُنشأة خلال رحلة المنتج. يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية دعم أنظمة اللوجستيات المستقبلية، مما يُتيح ترقيات فورية للكفاءة عبر الشبكات الضخمة.

باحثون في دراسة مكبر الصوت الذكي

أُجريت دراسة المُضخِّم الذكي من قِبَل فريق من الباحثين في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا، ومقرها السويد. وتُشير الدراسة إلى أن يين زينج وماوريتسيو توسيلي هما المؤلفان الرئيسيان للعمل. كما تُظهر الدراسة دعمًا من يورغن ستينارسون، وبيتر سوبيس، ويان غران، أستاذ إلكترونيات الموجات الدقيقة في جامعة تشالمرز.

تم تمويل المشروع من خلال برنامج Vinnova للأنظمة الإلكترونية الذكية ومركز تشالمرز لتكنولوجيا البنية التحتية اللاسلكية (WiTECH).

دراسة مستقبل مكبر الصوت الذكي

يرى الباحثون أن عملهم يُشكل أساسًا للتطورات المستقبلية. ويأملون في مواصلة دراساتهم في مجال مُضخِّمات البتات الكمومية عالية الأداء، ويسعون إلى تسهيل دمج الجهاز في شرائح الحاسوب الكمومي المستقبلية.

الاستثمار في أجهزة الكمبيوتر الكمومية

يتنافس في صناعة الحواسيب الكمومية عدد من الشركات الرائدة على هذا اللقب. وقد أنفقت هذه الشركات ملايين الدولارات لتطوير أجهزة عالية الأداء قادرة على إنجاز عمليات حسابية بمستوى لا تستطيع حتى الحواسيب العملاقة تحقيقه. إليكم شركة تواصل تقديم حلول فعّالة للسوق.

NVIDIA

عندما تفكر في Nvidia (NVDA + 1.38٪)ربما لديك رؤى حول وحدات معالجة رسومية عالية الطلب. وقد اكتسبت الشركة سمعة طيبة كمزود رائد لهذه الأجهزة، التي تُعد أساسية في عمليات معالجة الرسومات عالية الأداء وتعدين العملات المشفرة.

ما لا يعرفه معظم الناس هو أن شركة إنفيديا تلعب أيضًا دورًا محوريًا في سوق الحواسيب الكمومية، حيث تُقدم الأجهزة والخدمات للمُصنِّعين. ومن أحدث منتجات الشركة: NVIDIA DGX Quantum.

صُمم هذا النظام عالي الأداء وبنيته المرجعية خصيصًا لدعم الحوسبة الكمومية الكلاسيكية. وقد طُوّر المنتج بالتعاون مع شركة رائدة أخرى في هذا القطاع، وهي شركة Quantum Machines.

تجدر الإشارة إلى أن إنفيديا تُواصل البحث والتطوير في وحدات المعالجة الكمومية (QPUs)، سعيًا منها لأن تُصبح الحل الأمثل للأجهزة في أنظمة المستقبل. إذا استطاعت الشركة الاستفادة من مكانتها الرائدة، فقد يُؤدي ذلك إلى هيمنة الشركة على السوق، على غرار ما فعلته في قطاع بطاقات الرسومات.

على كل من يرغب في التعمق في قطاعات التكنولوجيا المتقدمة، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي، والرسوميات، والألعاب، والحوسبة الكمومية، أن يُجري بحثًا أعمق حول شركة إنفيديا. فقد اكتسبت الشركة سمعة طيبة كمزود أجهزة عالية الجودة. وتأمل الشركة مستقبلًا في إرساء البنية التحتية اللازمة لتشغيل أنظمة الحوسبة عالية الأداء في المستقبل.

أحدث أخبار وتطورات أسهم Nvidia (NVDA)

الأفكار النهائية: خطوة أقرب إلى الكم القابل للتطوير

قدمت دراسة المُضخِّم الذكي طريقةً موثوقةً لتسريع أقوى أجهزة الكمبيوتر في العالم. بالإضافة إلى ذلك، يُقلِّل الجهاز من استهلاك الطاقة، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في الأنظمة المستدامة. كل هذه العوامل تجعل من المُضخِّم الذكي نقلةً نوعيةً قد تُسهم في تدشين عصر جديد من أجهزة الكمبيوتر فائقة القوة.

تعرف على التطورات الأخرى في مجال الحاسوب الكمومي اضغط هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. تسنغ، ي.، ستينارسون، ج.، سوبيس، ب.، وغران، ج. (2025). تشغيل LNA HEMT النبضي لقراءة كيوبت. معاملات معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات حول نظرية وتقنيات الموجات الدقيقة. النشر المسبق على الانترنت. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}