الموجات الصوتية تقدم اختراقًا في تخزين المعلومات الكمومية

يعد الحوسبة الكمومية بسرعة غير مسبوقة في حل المشكلات المعقدة لدفع الاختراقات في مجالات الذكاء الاصطناعي، والمالية، واللوجستيات، وعلوم المواد، واكتشاف الأدوية، والتشفير.

لكن رغم أن إمكانات التقنية هائلة، فإن تحقيق ذلك ليس سهلًا، ففي الواقع ثبت أنه من الصعب جدًا جعل الحواسيب الكمومية تعمل واستخدامها لحل المشكلات الواقعية.

لا تزال الحوسبة الكمومية تقنية تجريبية، حيث يعمل الباحثون يعمل على تجاوز العقبات لإجراء محاكاة دقيقة للظواهر على المستوى الكمومي. إحدى المشكلات الكبرى هنا هي تخزين المعلومات لـ فترة طويلة.

هذا لأن الكيوبتات الفائقة التوصيل تمتلك قدرات كبيرة لمعالجة المعلومات الكمومية، لكنها ذات أوقات تماسك محدودة إلى حد ما.

التماسك هو قدرة النظام الكمومي على الحفاظ على العلاقة بين الحالات المختلفة في التراكب. هذه الخاصية الأساسية تسمح للكيوبتات بالوجود في تركيبة خطية من الحالات الأساسية، مما يتيح التوازي والتداخل اللذين يشكلان جوهر الحوسبة الكمومية. 

ضروري لأداء العمليات الكمومية، فإن التماسك هش إلى حد ما ويمكن أن يُفقد بسهولة عبر تفاعلات صغيرة حتى مع البيئة.

إذا لم يكن هناك تماسك، فإن السلوك الكمومي يضيع في الكيوبت، مما يجعل عمليات الحوسبة الكمومية بلا معنى. في الوقت نفسه، الانحلال هو العملية التي يُفقد فيها التماسك، ولا يزال يمثل تحديًا كبيرًا في بناء وتشغيل الحواسيب الكمومية.

الآن، الكيوبتات الفائقة التوصيل هي طريقة مادية لتحقيق الكيوبتات، وتعتمد على الحفاظ على التماسك الكمومي لتعمل. لكن بالطبع، يظل الانحلال أكبر تحدٍ لها.

الكيوبتات الفائقة التوصيل هي دوائر صغيرة مصنوعة من مواد محددة، تستغل الظواهر الكمومية مثل التراكب والتشابك لإجراء الحسابات. تُبرَّد المواد المستخدمة لصنع الدائرة إلى ما يقرب من الصفر المطلق لجعلها فائقة التوصيل، مما يعني أنها يمكنها توصيل الكهرباء دون مقاومة.

في حين أن هذه الكيوبتات الفائقة التوصيل متميزة في الحسابات السريعة، إلا أنها تواجه صعوبة في تخزين المعلومات لفترات طويلة.

واجهة بين الفوتونات والفونونات، مع ذلك، قد تسمح للمعلومات الكموميةأن تُخزن في مُذبذبات ميكانيكية طويلة الأمد. قام فريق في معهد كالتيك بذلك؛ فقد قدموا منصة تعتمد على القوى الكهروستاتيكية في هياكل النانو للحصول على ربط قوي بين الكيوبت ومُذبذب نانوميكانيكي.

زمن انحلال الطاقة (T1) يبلغ حوالي 25 مللي ثانية، وهو يتجاوز ما تم تحقيقه في الدوائر الفائقة المتكاملة.

لاستكشاف جذور الانحلال وتقليل تأثيره، استخدم الفريق عمليات كمومية. ساعد استخدام تسلسلات فك الارتباط الديناميكي ذات النبضتين في تحقيق زمن تماسك أطول (T2) يبلغ 1 مللي ثانية، أي زيادة من 64 ميكروثانية.

إننتائجالدراسة تُظهر أنه في الأجهزة الفائقة التوصيل، المذبذبات الميكانيكيةيمكن أن تعمل كذاكرة كمومية، معالإمكانلـتُستخدمفي الحوسبة الكمومية، والاستشعار، والتحويل.

كيف تخزن الموجات الصوتية الحالات الكمومية لفترة أطول

الحواسيب التقليدية مثل أجهزة الحاسوب المحمولة والهواتف تخزن المعلومات على شكل بتات.

البت هو أصغر وحدة للمعلومات الرقمية، وهو قطعة أساسية من المنطق يمكن أن تأخذ قيمة ثنائية واحدة إما صفر أو واحد.

في المقابل، يمكن للحواسيب الكمومية أن تكون لها حالة تجمع بين الصفر والواحد في آن واحد، وهو ما يُعرف بالتراكب، وهذا هو ما يكمن وراء وعد الحوسبة الكمومية بحل المشكلات التي لا يمكن لأجهزتنا التقليدية التعامل معها.

العديد من الحواسيب الكمومية الحالية مستندة على أنظمة إلكترونية فائقة التوصيل، حيث يتدفق الإلكترونات دون أي مقاومة في درجات حرارة منخفضة جدًا. في هذه الأنظمة، عندما يتدفق الطابع الكمومي للإلكترونات عبر الرنانات، فإنها تُنشئ كيوبتات فائقة التوصيل.

هذه الكيوبتات ممتازة في أداء العمليات المنطقية المطلوبة للحوسبة. لكنها ليست جيدة حقًا في تخزين المعلومات، التييتم تمثيلهابواسطة أوصاف رياضية لأنظمة كمومية محددة. 

لزيادة أوقات تخزين الحالات الكمومية، يبحث المهندسون في بناء ‘ذاكرات كمومية’ للكيوبتات الفائقة التوصيل.

اتخذ فريق من العلماء في معهد كالتيك نهجًا هجينًا لهذه الذكرات الكمومية. 

تم تحويل المعلومات الكهربائية بفعالية إلى صوت باستخدام هذا النهج. لتحويل المعلومات الكمومية إلى موجات صوتية، استخدموا جهازًا صغيرًا يعمل كشوكة ضبط مصغرة.

هذا مكّن من إطالة عمر الحالات الكمومية بما يصل إلى ثلاثين مرة أكثر من التقنيات الأخرى، مما وضع الأساس لحواسيب كمومية قابلة للتوسع وعملية ذات القدرةليس فقط على الحوسبة بل أيضًا على التذكر.

“بمجرد أن تحصل على حالة كمومية، قد لا ترغب في فعل شيء بها فورًا. تحتاج إلى وسيلة للعودة إليها عندما تريد إجراء عملية منطقية. لهذا، تحتاج إلى ذاكرة كمومية.”

– محمد ميرهوسيني، أستاذ مساعد في الهندسة الكهربائية والفيزياء التطبيقية في Caltech

بدعم من تمويل المؤسسة الوطنية للعلوم ومكتب أبحاث القوات الجوية، الدراسة قُدِّمت من قبل طلاب دراسات عليا في معهد كالتيك، ألكيم بوزكورت وأوميد جولامي و تم نشر¹ في مجلة Nature Physics.

قامت بتفصيل تصنيع كيوبت فائق التوصيل على رقاقة، والذي تم ربطه لاحقًا بجهاز صغير يُسمى مُذبذب ميكانيكي.

المذبذب الميكانيكي هو نظام يُظهر حركة تذبذبية. إنه في الأساس شوكة ضبط مصغرة، والتي في حالة هذه الدراسة تتكون من ألواح مرنة. هذه الألواح تُهَزّ باستخدام موجات صوتية بترددات جيجاهرتز (GHz).

عندما وضع الفريق شحنة كهربائية على تلك الألواح المرنة، تمكنوا من التفاعل مع الإشارات الكهربائية التي تحمل المعلومات الكمومية، مما يسمح بنقلها إلى الجهاز لتخزينها كـ “ذاكرة” ثم نقلها خارجًا أو “تذكرها” لاحقًا.

قاس الباحثون كم من الوقت بالضبط استغرقه المذبذب لفقدان محتواه الكمومي بمجرد دخول المعلومات إلى الجهاز. 

“اتضح أن هذه المذبذبات لديها عمر يقارب 30 مرة أطول من أفضل الكيوبتات الفائقة التوصيل المتاحة.”

– ميرهوسيني

هذه الطريقة في بناء ذاكرة كمومية لها فوائد متعددة مقارنةً بالتقنيات الأخرى. الموجات الصوتية، على سبيل المثال، تسافر أبطأ بكثير من الموجات الكهرومغناطيسية، مما يتيح أجهزة أكثر صغرًا.

الموجات الكهرومغناطيسية (EM) هي موجات عرضية لحقول كهربائية ومغناطيسية متذبذبة تنقل الطاقة عبر الفضاء. تُنتج عن تسارع الجسيمات المشحونة وتشمل طيفًا يضم موجات الراديو، والميكروويف، والأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية، وأشعة إكس، وأشعة غاما. 

اسحب للتمرير →

جميع الموجات الكهرومغناطيسية تسافر بسرعة الضوء في الفراغ ولا تحتاج إلى وسط للانتشار.

في الوقت نفسه، الموجات الصوتية هي موجات ميكانيكية، مثل موجات الصوت، تنقل الطاقة عبر وسط مثل الصلب أو السائل أو الغاز عن طريق جعل جزيئات الوسط تهتز وتضغط وتتمدد. هذه الموجات تُميز بخصائص مثل التردد، السعة، والطول الموجي. تشمل الموجات الصوتية نطاقًا من الترددات، بما في ذلك الأصوات تحت الصوتية وفوق الصوتية.

نظرًا لأن الاهتزازات الميكانيكية، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية، لا تنتشر في الفضاء الحر، فإن الطاقة لا تتسرب خارج النظام ويمكن أن تُحجز بقوة أكبر داخل وسط، مما يسمح بأوقات تخزين ممتدة ويقلل من تبادل الطاقة غير المرغوب فيه بين الأجهزة القريبة.

توفر هذه الفوائد إمكانية وجود العديد من مثل هذه شوك الضبط لتُدرج في رقاقة واحدة، مما يوفر طريقة قابلة للتوسع لـ الذكريات الكمومية.

تشير الدراسة، وفقًا لميرهوسيني، إلى تفاعل ضئيل بين الموجات الصوتية والكهرومغناطيسية المطلوب لاستكشاف قيمة هذا النظام الهجين لاستخدامه كعنصر ذاكرة. 

“لكي تكون هذه المنصة مفيدة حقًا للحوسبة الكمومية، تحتاج إلى القدرة على إدخال البيانات الكمومية إلى النظام وإخراجها بسرعة أكبر. وهذا يعني أنه علينا إيجاد طرق لزيادة معدل التفاعل بمعدل ثلاثة إلى عشرة أضعاف ما يستطيع نظامنا الحالي …”والفريق لديه أفكار حول كيفية تحقيق ذلك.

الأجهزة والبرمجيات الكمومية: الطريق إلى الاستخدام التجاري

الجهاز الجديد الذي أنشأه علماء معهد كالتيك قيد التطوير منذ فترة.

قبل بضع سنوات، في عملهم السابق، الفريق أظهر أن الصوت، وخاصة الفونونات التي هي جسيمات اهتزازية فردية مشابهة لكيفية الفوتونات تكون، يمكن أن توفر طريقة سهلة لتخزين المعلومات الكمومية.

في ذلك الوقت، مجموعة ميرهوسيني أظهرت الطريقة الجديدة في المختبر، حيث استكشفوا الفونونات بسبب سهولة بناء أجهزة صغيرة يمكنها تخزين هذه الموجات الميكانيكية.

اختبر الفريق الأجهزة في تجارب بدت مناسبة للتكامل مع الكيوبتات الفائقة التوصيل، حيث تعمل عند نفس الترددات العالية جدًا في نطاق GHz.

يسمع البشر في نطاق الهرتز إلى الكيلوهرتز (حتى ~20 كيلوهرتز)، بينما تعمل الأجهزة في نطاق الجيغاهرتز (مليارات الدورات في الثانية) — أي أعلى بحوالي 50,000 مرة في التردد.

كما أن الأجهزة المختبرة تمتلك أعمارًا طويلة وأدت أداءً جيدًا في درجات الحرارة المنخفضة المطلوبة للحفاظ على الحالات الكمومية مع الكيوبتات الفائقة التوصيل.

كما أشار ميرهوسيني في ذلك الوقت، درست أبحاث أخرى المواد الكهروضغطية، وهي نوع خاص من المواد، كطريقة لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في التطبيقات الكمومية. وأضاف:

“مع ذلك، تميل هذه المواد إلى التسبب في فقدان الطاقة للموجات الكهربائية والصوتية، والفقدان هو قاتل كبير في العالم الكمومي.”

على النقيض من ذلك، التقنية الجديدة التي طورها فريق معهد كالتيك لا تعتمد على خصائص مواد معينة، وبالتالي فهي مناسبة للأجهزة الكمومية القائمة على الموجات الدقيقة.

إن بناء أجهزة تخزين فعّالة بحجم مدمج هو تحدٍ آخر لأولئك الذين يستكشفون التطبيقات الكمومية.

هذا التحدي يُعالج أيضًا بواسطة الطريقة الجديدة، التي “تمكن من تخزين المعلومات الكمومية من الدوائر الكهربائية لفترات أطول بمقدار مرتبتين من القوة مقارنةً بالأجهزة الميكانيكية المدمجة الأخرى،” قال المؤلف الرئيسي للدرس بوزكورت، وهو طالب دراسات عليا في مجموعة ميرهوسيني.

بينما منصة الموجات الصوتية في معهد كالتيك واعدة، فهي مجرد جزء واحد من جهد بحثي أكبر يجري في جميع أنحاء العالم عبر المؤسسات. يختبر العلماء طرقًا متنوعة لتجاوز التحديات التي تواجه الحواسيب الكمومية. 

على سبيل المثال، الباحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا اللجوء إلى الرياضيات².

إنهم يستخدمون النغليكتونات لحل بعض المشكلات المتعلقة بالكيوبتات الطوبولوجية. هذه الفئة من الجسيمات النظرية، التي سُميت بهذا الاسم بسبب الطريقة التي تم اشتقاقها بها من الرياضيات النظرية المتغافلة، قد تفتح مسارًا جديدًا نحو تحقيق حواسيب طوبولوجية كمومية شاملة تجريبيًا.

“هدفي هو تقديم حجة مقنعة قدر الإمكان للباحثين الآخرين بأن الإطار غير شبه البسيط ليس صالحًا فحسب، بل هو نهج مثير لفهم نظرية الكم بشكل أفضل.”

– المؤلف المشارك آرون لاودا

في الوقت نفسه، في نهج آخر، يتحكم العلماء في الضوء المنبعث من النقاط الكمومية، مما قد يؤدي إلى تقنيات كمومية أرخص، أسرع، وبالطبع أكثر عملية.

لهذا، الـالتعاون البحثي وجد طريقة جديدة³ التي تعتمد على التحفيز الثنائي الفوتوني، مما يسمح للنقاط الكمومية بإصدار تدفقات فوتونية في حالات استقطاب مميزة دون الحاجة إلى أجهزة تبديل إلكترونية. عند اختبارهم، الباحثون تمكنوا من بنجاح إنتاج حالات ثنائية الفوتون ممتازة بينما يحافظون على خصائص فوتون واحد ملحوظة.

“ما يجعل هذا النهج أنيقًا بشكل خاص هو أننا نقلنا التعقيد من المكونات الإلكترونية المكلفة والتي تسبب فقدانًا إلى مرحلة التحفيز البصري، وهذا خطوة مهمة إلى الأمام لجعل مصادر النقاط الكمومية أكثر عملية للتطبيقات الواقعية.”

– الباحث الرئيسي، فيكاس ريمش

ثم هناك فريق من كلية غرينجر للهندسة بجامعة إلينوي أوربانا-شامبين، الذي قدم تصميمًا معياريًا عالي الأداء⁴ لمعالجات كمومية فائقة التوصيل بدقة تقارب 99٪. 

توفر الهندسة المعمارية المعيارية، على عكس التصاميم الأحادية المقيدة، قابلية توسع أكبر، تحسينات أسهل، ومقاومة للتناقضات.

بينما تواصل معظم الجهود التركيز بوضوح على الجزء المادي من الحواسيب الكمومية، يُلاحظ الآن تحولًا نحو البرمجيات حيث يعتقد الناس أن التقنية “على وشك أن تصبح قابلة للتسويق تجاريًا”، وبالتالي تحتاج إلى شيء مفيد يُستَخدم به.

في هذا الصدد، جمعت شركة خوارزميات الكم Phasecraft 34 مليون دولار من عدة داعمين، بما في ذلك شركة الاستثمار المرتبطة بعملاق الأدوية الدنماركي Novo Nordisk (NVO ). 

تعتقد خوارزميات Phasecraft، ورئيسها التنفيذي آشلي مونتانايرو، أنها ستكون قادرة على تشغيل حسابات “علميًا مهمة” بحلول “الربيع القادم”، وقد تكون بعض التطبيقات التجارية المتاحة “في السنوات القليلة القادمة”.

هناك الآن اهتمام متزايد بالخوارزميات. مؤخرًا، ادعى باحث في جوجل أنه صمم تقليلًا بمقدار 20 مرة في حجم الحاسوب الكمومي المطلوب لتشغيل خوارزمية شور، والتي يمكن استخدامها لكسر أكثر أشكال التشفير المستخدمة اليوم.

استجابةً لذلك، قدم المطور هانتر بيست BIP 360 في محاولة لجعل بيتكوين (BTC) مقاومًا للحوسبة الكمومية.

في الوقت نفسه، أكدت شركة الحوسبة الكمومية نورما أداء خوارزميات الذكاء الاصطناعي الكمومية الخاصة بها لتطوير الأدوية باستخدام NVIDIA (NVDA ) CUDA-Q، مشيرة إلى سرعات حسابية أسرع بحوالي 73 مرة.

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

العديد من الأسماء الكبيرة تجري أبحاثًا في الحوسبة الكمومية الفائقة التوصيل، وهذا يشمل IBM (IBM ), Intel (INTC ), والعديد غيرها. لكن اليوم، سننظر إلى Honeywell International (HON ), التي تشارك بشكل كبير في الحوسبة الكمومية من خلال حصتها الأغلبية في Quantinuum. 

Quantinuum، شركة Honeywell International (HON ) شركة

Quantinuum هي شركة حوسبة كمومية تأسست في عام 2021 نتيجة دمج Cambridge Quantum وHoneywell Quantum Solutions. من أجل تسريع تطوير الحواسيب الكمومية المتسامحة للخطأ، حصلت على تمويل من مستثمرين مثل JPMorgan Chase.

العام الماضي،أظهرت أكثر الكيوبتات المنطقية موثوقيةً على الإطلاق. طبقت Quantinuum نظام مايكروسوفت المتقدم لتخيل الكيوبتات، مع تشخيص الأخطاء وتصحيحها، على عتاد الفخ الأيوني الخاص بها لتشغيل أكثر من 14,000 تجربة فردية دون أي خطأ. 

الشهر الماضي، Quantinuum أطلقت مكوّنين جديدين مفتوحي المصدر، بما في ذلك Guppy، لغة مستضافة داخل Python، والتي وصفها الرئيس التنفيذي رجيب هازرا بأنها “تحول نمطي للمطورين”، ومحاكي يُدعى Selene، وهو “توائم رقمي” يحاكي السلوك الكمومي للمبرمجين لاختبار وتصحيح شفرتهم.

تأتي منصة الكومة الكاملة الجديدة استعدادًا لإطلاق حاسوب Quantinuum الكمومي من الجيل التالي Helios.

لذا، الشركة تسعى لتحقيق تقدم في كل من الأجهزة والبرمجيات الكمومية من خلال أنشطتها البحثية والتجارية التي تستهدف الذكاء الاصطناعي، الأمن السيبراني، محاكاة الكيمياء، وتطبيقات أخرى.

من خلال Quantinuum، طورت Honeywell حواسيب كمومية محاصرة بالأيونات، التي تستخدم أيونات محاصرة كهرومغناطيسياً ككيوبتات لإجراء حسابات عالية الدقة، للعملاء في قطاعات مختلفة، بما في ذلك الرعاية الصحية، والمالية، والمرافق.

الشركة المتكاملة تشغل في المقام الأول في ثلاثة اتجاهات كبرى، وهي الأتمتة، الطيران، والتحول الطاقي. وفي الوقت نفسه، تخدم عبر عدد قليل من القطاعات الرئيسية:

• تقنيات الفضاء الجوي
• الأتمتة الصناعية
• أتمتة المباني والطاقة
• حلول الاستدامة

بقيمة سوقية تبلغ 139.36 مليار دولار، تُتداول أسهم HON، حسب كتابة هذا المقال، عند 218.40 دولار، بانخفاض 2.83٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) 8.79 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) 24.96. بينما عائد الأرباح هو 2.06٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية، أبلغت Honeywell عن مبيعات بلغت 10.4 مليار دولار للربع الثاني من عام 2025. كان ربح السهم 2.45 دولار، وكان ربح السهم المعدل 2.75 دولار.

خلال هذه الفترة، أكملت الشركة بيع أعمال معدات الحماية الشخصية بقيمة 1.3 مليار دولار، وأغلقت الاستحواذ على Sundyne بقيمة 2.2 مليار دولار، وأعلنت عن استحواذ بقيمة 1.8 مليار جنيه إسترليني على أعمال تقنيات الحفازات لشركة Johnson Matthey. كما أعادت الشركة شراء أسهمها بقيمة 1.7 مليار دولار.

أشار الرئيس التنفيذي فيمال كابور إلى أهمية تقديم “نتائج متميزة” من خلال النمو العضوي وتجاوز توقعات ربحية السهم المعدلة رغم الظروف الاقتصادية غير المتوقعة.

“مع تقدم أتمتة المباني، ارتفعت مبيعات ثلاثة من أربعة قطاعات بأكثر من 5٪ في الربع، مما يوضح قوة نظام تشغيل Accelerator الخاص بنا للتكيف بسرعة ودفع النمو حتى مع تغير ظروف الأعمال،” قال كابور مشيرًا إلى “النتائج الواعدة من تركيزنا المتزايد على الابتكار في المنتجات الجديدة، والتي دعمت مزيدًا من النمو في سجل طلباتنا المتراكم.”

الخلاصة

يمكن أن تؤدي الحوسبة الكمومية إلى تقدمات كبيرة في الذكاء الاصطناعي، والرعاية الصحية، وعلوم المواد، والأمن السيبراني، وغيرها من الصناعات. لكن تقدم هذه التقنية يعتمد ليس فقط على أداء الكيوبتات بل أيضًا على القدرة على تخزين المعلومات الكمومية بشكل موثوق.

توفر منصة معهد كالتيك خطة لتحقيق ذلك. من خلال دمج الحوسبة والذاكرة في رقاقة واحدة، يقرب التطور الجديد المجال من التطبيقات الواقعية.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس شركات حوسبة كمومية.

المراجع:

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). ذاكرة كمومية ميكانيكية للفوتونات الميكروية. Nature Physics, (advance online publication), published 13 أغسطس 2025. Received 10 يناير 2025; accepted 17 يونيو 2025. https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w

2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. الحوسبة الكمومية الشاملة باستخدام أيونات إيزنغ من نظرية الحقل الكمومي الطوبولوجي غير شبه بسيط. Nature Communications, 16, 6408, published 05 أغسطس 2025. Received 13 أكتوبر 2024; accepted 18 يونيو 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8

3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. توليد حالة ثنائية الفوتون غير نشطة من نقطة كمومية باستخدام تفكيك متعدد القنوات. npj Quantum Information, 11, 139, published 11 أغسطس 2025. Received 10 أبريل 2025; accepted 25 يوليو 2025. https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0

4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. شبكة أولية عالية الكفاءة من أجهزة الكيوبت الفائقة القابلة للتبادل. Nature Electronics, 8, 610–619, published 27 يونيو 2025 (issue date يوليو 2025). Received 08 سبتمبر 2024; accepted 23 مايو 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3