الحوسبة الكمومية: مضخم ذكي جديد يوفر الطاقة

قامت مجموعة من الباحثين من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد بتقديم نظام مضخم ذكي يتيح لأجهزة الحوسبة الكمومية تعظيم بيانات الكيوبت الخاصة بها. سيساعد هذا التحديث الأجهزة المستقبلية على التوسع لتلبية الطلب المتزايد على الأنظمة الحاسوبية المتمحورة حول الذكاء الاصطناعي. إليكم كيف استخدم المهندسون مضخمات الكيوبت لتعزيز أداء الحواسيب الكمومية.

الحواسيب الكمومية

هناك الكثير من الحديث عن الحواسيب الكمومية مؤخرًا. هذه الأجهزة، التي تم اختراعها فقط في عام 1998، تستخدم الكيوبت بدلاً من البتات التقليدية في الحواسيب. كان أول حاسوب كمومي حاسوبًا يعتمد على 2 كيوبت باستخدام الرنين المغناطيسي النووي (NMR).

كان تصميمه ثوريًا لأنه دمج ظواهر ميكانيكية كمية مثل التراكب والتشابك لأداء مهامه. ومن الجدير بالذكر أن الحواسيب الكمومية يمكنها التفوق على الحواسيب الفائقة وتستطيع معالجة أكثر العمليات تعقيدًا التي يعرفها الإنسان اليوم.

البتات مقابل الكيوبتات

تأتي قوتها من استخدام الكيوبتات بدلاً من البتات. تعتمد الحواسيب اليوم على البتات لتعمل. تُرسل البتات كأصفار وآحاد باستخدام الشيفرة الثنائية. يمكن لأي تركيبة من هذه الأرقام أن تمثل معلومات محددة للحواسيب. لقد كان الشيفرة الثنائية أساسًا ثابتًا للحوسبة لعقود.

إن إدخال استخدام البتات الكمومية أو الكيوبتات يغيّر كل شيء. باستخدام التراكب، تستطيع الكيوبتات حمل جميع القيم في آن واحد، مما يوفر قدرة حسابية هائلة. ومن الجدير بالذكر أن جميع الحواسيب الكمومية تعتمد على أجهزة خاصة تستخدم لتفسير البيانات الكمومية، تُسمى المضخمات.

المضخمات

تعزز المضخمات الموجات الدقيقة الحساسة لتقوية إشارات الكيوبت. إنها مكوّن حاسم في تصميم الحاسوب الكمومي، حيث تساعد على ضمان تسجيل بيانات الكيوبت بسرعة قبل أن يزول الحالة الكمومية.

قيود الحواسيب الكمومية

هناك بعض القيود التي أعاقت تبني الحواسيب الكمومية. أولاً، هي مكلفة للغاية في البناء والتشغيل. يجب الحفاظ على هذه الأجهزة في درجات حرارة منخفضة جدًا لتثبيت الكيوبتات ومنع أي تلاشي للكيوبت.

يمكن أن يحدث التلاشي لأسباب متعددة، بما في ذلك التداخل المغناطيسي أو الكهربائي أو الحراري. الأخير يمثل قلقًا كبيرًا حيث إن كل مضخم يُضاف إلى نظام الحاسوب الكمومي يضيف حرارة ومتطلبات طاقة إضافية. يمكن لأدنى تغيير في درجة الحرارة أن يؤدي إلى فقدان الكيوبتات لنزاهتها ويجعلها غير صالحة للعمليات الحسابية.

داخل دراسة المضخم الذكي

الدراسة Pulsed HEMT LNA Operation for Qubit Readout¹، التي قدمها مهندسون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد، تقدم طريقة جديدة لتوسيع أداء الحواسيب الكمومية. يعتمد النهج الجديد على كيوبتات عالية الأداء مدعومة بمضخم مخصص وخوارزمية.

يستخدم نظام الحاسوب الكمومي جهازًا هجينًا تبريديًا تجاريًا معدل للعمل مع مضخم ذكي. تم بناء المضخم الذكي ليعمل فقط عندما تنبض الكيوبتات. واجه هذا النهج العديد من التحديات التي كان على الباحثين تجاوزها لتحقيق النجاح.

المصدر – جامعة تشالمرز للتكنولوجيا

على سبيل المثال، كان على الفريق ضبط الجهاز للعمل بسرعة كافية لتشغيله وإيقافه بين نبضات الكيوبت. لتحقيق ذلك، أنشأ المهندسون خوارزمية خاصة. سمحت خوارزمية شكل موجة جهد البوابة المحسّنة للمضخم بالعمل بدقة أكبر. كما كانت الخوارزمية حاسمة في تقليل استهلاك الطاقة والحرارة التي ينتجها الجهاز.

على عكس المضخمات التقليدية التي تعمل باستمرار، يتطلب نهج النبض تشغيل الجهاز خلال مليثانية. قام المهندسون بضبط الخوارزمية لتحقيق ذلك، مما يضمن تنشيط المضخم الذكي بسرعة كافية لمواكبة قراءة الكيوبت.

كيف تم اختبار المضخم الذكي

ضع المهندسون مضخمهم الكمومي الذكي الجديد تحت عدة اختبارات لضمان قدراته ومقاييس الأداء. بدأ الفريق بتحليل قيود استعادة المضخمات. شمل هذا الاختبار تسجيل الضوضاء العابرة للجهاز وقياس الأداء.

كان على المهندسين التأكد من أن التلاشي في الحد الأدنى أثناء هذه الحسابات. لذلك، جعلوا الجهاز يجري عدة حسابات عالية المستوى، مسجلين أي ضوضاء تنتج أثناء تشغيل النظام عن كثب.

على وجه التحديد، استخدم الفريق إعداد قياس ضوضاء نطاق زمني تبريدي بدقة زمنية 5 نانوثانية. من هناك، حسّن العلماء الدقة بالحفاظ على الانحراف المعياري للضوضاء المقاسة (SD) أقل من 0.3 كلفن.

قاس الاختبار التالي الضوضاء في النطاق الزمني وأداء الكسب استجابةً لموجة جهد بوابة مربعة. كان هذا أحد أصعب أجزاء عملهم لأن الكيوبتات تنبض في نطاق النانوثانية، مما يجعل توقيت وتسجيل ظهورها مهمة صعبة.

أخيرًا، وثق الفريق تغيرات التيار التصريف، مما مكنهم من حساب متوسط استهلاك الطاقة للمضخم الذكي العامل بنظام النبض. أخذ النظام في الاعتبار جميع متطلبات الطاقة، بما في ذلك فقدان الطاقة أثناء عمليات النبض.

نتائج المضخم الذكي: أسرع، أبرد، أفضل

تُظهر نتائج اختبار المضخم الذكي أداءً مميزًا مقارنةً بالسابقين. ومن المثير للاهتمام، تمثل الدراسة أول عرض ناجح لمضخمات شبه موصل منخفضة الضوضاء لقراءة الكم في عملية نبضية، مما يفتح الباب أمام ابتكارات مستقبلية.

لاحظ المهندسون أن المضخم استجاب بسرعة لقياس الكيوبتات. تم توقيت الجهاز عند 35 نانوثانية عند قياس الكيوبتات. كما أشاروا إلى أن المضخم أنتج حرارة وتداخلًا أقل بكثير خلال دورة عمله، مما أدى إلى استقبال إشارة أنظف.

ثبت الفريق أن نهج النبض خفض استهلاك الطاقة دون تقليل الأداء. في الماضي، أدى إضافة مضخمات إلى زيادة استهلاك الطاقة في النظام. لم يحدث ذلك إلا بعد أن قضى الباحثون وقتًا في دراسة وإنشاء خوارزمية نبض موثوقة تمكن من فصل أداء المضخم عن استهلاك الطاقة.

الفوائد الرئيسية للمضخم الذكي

هناك قائمة طويلة من الفوائد التي يجلبها المضخم الذكي إلى سوق الحواسيب الكمومية. على سبيل المثال، قد يكون محوريًا في تطوير حواسيب كمومية عالية الأداء ومنخفضة الطاقة. ستوفر هذه الأنظمة بنية موثوقة وفعّالة لتطبيقات واسعة النطاق.

زيادة الحساسية

يقدم المضخم الذكي قراءات أكثر دقة وحساسية لبيانات الكيوبت بفضل تصميمه النبضي. تضمن الخوارزمية أن الجهاز يعمل فقط عندما تكون الكيوبتات نشطة. وهو يمثل أكثر مضخم حسّاس تم بناؤه باستخدام الترانزستورات، مما يشكل علامة فارقة في قطاع الحوسبة الكمومية.

أداء عالي الكفاءة

يضيف التصميم أيضًا ميزة كفاءة الطاقة. يقلل هذا التصميم النبضي استهلاك الطاقة المتوسط بنحو ~85–90٪ مقارنةً بالتشغيل المستمر. تُعد هذه الكفاءة حاسمة لتصميمه لأن بروتوكولات الذكاء الاصطناعي، التي ستُستخدم على الحواسيب الكمومية، تتطلب أيضًا طاقة كبيرة.

إنتاج حرارة منخفض

هناك ميزة أخرى للمضخم الذكي النبضي وهو أنه يولد حرارة أقل بكثير من سابقيه. سيسمح الجهاز الجديد لحجرات التبريد التي تحتاجها الحواسيب الكمومية بالعمل بجهد أقل. بالإضافة إلى ذلك، يفتح ذلك الباب أمام تصغير هذه الأجهزة ودمجها في مزيد من الأنظمة في المستقبل.

الاستخدامات الواقعية وجدول الإطلاق

هناك قائمة طويلة من التطبيقات الواقعية للمضخمات عالية الكفاءة. الاستخدام الواضح هو ترقية الحواسيب الكمومية وجعلها أكثر إتاحة للجمهور. قريبًا، ستقدم مراكز بيانات الحوسبة الكمومية قدرات حسابية عالية المستوى للجماهير عبر خدمات السحابة. من هناك، من المتوقع أن يصبح هذا التكنولوجيا في النهاية ميسورة التكلفة للشخص العادي.

قد يستغرق الأمر أكثر من 10 سنوات قبل أن تتمكن من استخدام حاسوب كمومي يعمل بمضخم ذكي. لا تزال هناك العديد من القيود التكلفة لهذه الأجهزة، مثل الحاجة إلى تشغيلها في حجرات تبريد. ومع ذلك، خلال السنوات الخمس المقبلة، ستبدأ خدمات الحوسبة الكمومية السحابية في اكتساب الزخم.

تطوير الأدوية

ستُحدث الحواسيب الكمومية التي تشغّل خوارزميات الذكاء الاصطناعي المتقدمة ثورة في المجال الطبي. بالفعل، تلعب أنظمة الذكاء الاصطناعي دورًا حيويًا في تطوير الأدوية والعلاجات. في السنوات القادمة، ستساعد الحواسيب الكمومية عالية الأداء على تحسين اختبار وإنشاء أدوية جديدة دون الحاجة إلى تجارب على الكائنات الحية.

التشفير

سيتعرض قطاع التشفير لتغييرات كبيرة مع دخول الحواسيب الكمومية الخدمة. ستمتلك هذه الأجهزة القدرة على تحطيم أي بروتوكولات أمان تعتمد على الحواسيب التقليدية بسرعة. وبالتالي، ستثبت هذه الأجهزة أنها محورية في تأمين أنظمة الحواسيب المستقبلية ومنع خروقات البيانات أو الاختراقات على نطاق واسع.

تشغيل الذكاء الاصطناعي المستقبلي

أفضل حالة استخدام للمضخمات الذكية هي إنشاء حواسيب كمومية لتشغيل أنظمة الذكاء الاصطناعي المستقبلية. لا تكون بروتوكولات الذكاء الاصطناعي جيدة إلا ببيانات التدريب ومجموعات البيانات الضخمة. يمكن للحواسيب الكمومية الاستفادة من مجموعات بيانات هائلة والوصول إلى المعلومات المؤرشفة منها في وقت قياسي. سيسمح هذا النهج لهذه الأنظمة بإجراء عمليات حسابية ضخمة ومعقدة في ثوانٍ.

اللوجستيات

يُعد قطاع اللوجستيات موقعًا آخر يمكن أن تتألق فيه الحواسيب الكمومية. يمثل سوق اللوجستيات تريليونات السلع التي تنتقل عبر العالم يوميًا. ساهمت أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) والذكاء الاصطناعي في تحسين إمكانية التتبع.

ومع ذلك، لا تملك هذه الأنظمة القدرة على مواكبة العدد المتزايد من المستشعرات والمدخلات التي تُنشأ على طول رحلة المنتج. يمكن للحواسيب الكمومية دعم أنظمة اللوجستيات المستقبلية، مما يتيح تحسينات كفاءة في الوقت الحقيقي عبر شبكات ضخمة.

باحثو دراسة المضخم الذكي

قُدمت دراسة المضخم الذكي من قبل فريق من الباحثين في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا، السويد. تُدرج الدراسة يين زينغ وموريتسيو توسيللي كالمؤلفين الرئيسيين للعمل. كما تُظهر الدعم من يورغن ستنارسون، بيتر سوبس، وجان غراهن، أستاذ الإلكترونيات الميكروية في تشالمرز.

جاء تمويل المشروع من برنامج فينوفا للأنظمة الإلكترونية الذكية ومركز تشالمرز لتقنية البنية التحتية اللاسلكية (WiTECH).

مستقبل دراسة المضخم الذكي

يعتبر الباحثون عملهم أساسًا للتطورات المستقبلية. يأملون في مواصلة دراستهم لمضخمات الكيوبت عالية الأداء والسعي لجعل الجهاز أسهل في دمجه مع شرائح الحواسيب الكمومية المستقبلية.

الاستثمار في الحواسيب الكمومية

صناعة الحواسيب الكمومية تضم عدة لاعبين رائدين يتنافسون على اللقب. استثمرت هذه الشركات ملايين في إنشاء أجهزة عالية الأداء يمكنها إنجاز عمليات حسابية بمستوى لا تستطيع الحواسيب الفائقة تحقيقه. إليكم شركة واحدة تستمر في تقديم حلول قابلة للتطبيق للسوق.

Nvidia

عند التفكير في Nvidia (NVDA )، ربما تتخيل وحدات معالجة رسومية عالية الطلب. اكتسبت الشركة سمعة كمزود رائد لهذه الأجهزة، التي تُعد حاسمة في الرسومات المتقدمة وعمليات تعدين العملات الرقمية.

ما لا يعرفه معظم الناس هو أن Nvidia تلعب دورًا حيويًا أيضًا في سوق الحواسيب الكمومية، حيث توفر الأجهزة والخدمات للمصنعين. تشمل أحدث منتجات الشركة NVIDIA DGX Quantum.

تم تصميم هذا النظام عالي الأداء والهندسة المرجعية خصيصًا لدعم الحوسبة الكمومية-الكلاسيكية. تم بناء المنتج بالتعاون مع منافس رئيسي آخر في القطاع، Quantum Machines.

من الجدير بالذكر أن Nvidia تواصل البحث والتطوير في وحدات المعالجة الكمومية (QPUs)، ساعية لتصبح الحل المعياري للأجهزة المستقبلية. إذا تمكنت الشركة من الاستفادة من موقعها الريادي وحالة أول متدخل، قد يؤدي ذلك إلى سيطرة الشركة على السوق، كما حدث في قطاع بطاقات الرسوميات.

أي شخص يسعى للحصول على تعرض لعدة قطاعات تقنية عالية، بما في ذلك الذكاء الاصطناعي، الرسوميات، الألعاب، والحوسبة الكمومية، يجب أن يجري المزيد من البحث حول Nvidia. حافظت الشركة على سمعتها كمزود أجهزة ذات جودة. تتطلع إلى بناء البنية التحتية اللازمة لتشغيل أنظمة الحوسبة عالية الأداء في المستقبل.

آخر أخبار وتطورات سهم Nvidia (NVDA)

أفكار ختامية: خطوة أقرب إلى الكم القابل للتوسع

قدمت دراسة المضخم الذكي طريقة موثوقة لجعل أقوى الحواسيب في العالم أسرع. بالإضافة إلى ذلك، يقلل الجهاز من استهلاك الطاقة، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في الأنظمة المستدامة. كل هذه العوامل تجعل المضخم الذكي محركًا للتغيير قد يساعد في usher في عصر جديد من الحواسيب فائقة القوة.

تعرف على تطورات أخرى في الحواسيب الكمومية هنا.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Zeng, Y., Stenarson, J., Sobis, P., & Grahn, J. (2025). Pulsed HEMT LNA operation for qubit readout. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Advance online publication. https://doi.org/10.1109/TMTT.2025.3556982}