هل يمكن للهيليوم الفائق السائل أن يساعد في بناء حواسيب كمومية أفضل؟

تواجه الحوسبة الكمومية مشكلة في الأجهزة: فالتفاعلات نفسها التي تسمح للباحثين بالتحكم في المعلومات الكمومية يمكن أن تعطلها أيضًا. يمكن لتقلبات الكهرباء، وعيوب المواد، وتبادلات الطاقة غير المرغوب فيها أن تُدخل أخطاء قبل أن تنتهي العملية الحسابية. يتطلب بناء آلات مفيدة موازنة الوصول إلى الحالات الكمومية الهشة مع حمايتها من البيئة المحيطة.

ورقة بحثية من تأليف بريا شارما، جينس كوتش، وإيران جينوسار، نُشرت في مجلة npj Quantum Information، تقترح نهجًا غير عادي: جهاز ميكروسكوبي يخزن المعلومات الكمومية في حركة الهيليوم الفائق السائل-3.¹ بدلاً من الاعتماد على التيار الكهربائي كآلية تشغيل أساسية، يجمع الجهاز المقترح بين تدفق سائل محايد وصفيحة ميكانيكية مرنة.

الجاذبية تكمن في تقليل التعرض لبعض مصادر الضوضاء الكهربائية. التحدي هو أن هذه الميزة المحتملة تأتي مع متطلبات صارمة للتبريد، والتصنيع، والتحكم. تُظهر الدراسة مسارًا نظريًا نحو كيوبيت جديد، مع ترك الأداء التجريبي وتوسيع النطاق العملي غير محسَّن.

كيف يعمل كيوبيت الهيليوم الفائق السائل

يصبح الهيليوم-3 فائق السائل عند درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يسمح لمكوّن من السائل بالتدفق دون مقاومة لزوجية عادية. سلوكه الجمعي يشارك ميزات هامة مع الظواهر الفائقة التوصيل، بما في ذلك نسخة من تأثير جوزيفسون، الذي يربط التدفق عبر وصلة ضعيفة بالفارق الطوري الكمومي عبرها.

الجهاز المقترح المسمى Superfluid Helium Oscillator Quantum، المختصر SHOQ، يحتوي على خلية صغيرة متصلة بمستودع هيليوم محيط عبر فتحة نانوية الحجم. تشكّل صفيحة مرنة غطاء الخلية. عندما يتحرك الهيليوم عبر الفتحة، تتغيّر الضغوط داخل الخلية مما يحرك الصفيحة.

السائل والصفيحة معًا يشكلان مذبذبًا. تحت ظروف مناسبة، تكون طاقته كمية، أي أنه يشغل مستويات طاقة منفصلة بدلاً من أي طاقة عشوائية. يمكن لمستويين من هذه المستويات تمثيل الحالات المستخدمة لتشفير كيوبيت.

مع ذلك، المستويات المنفصلة وحدها غير كافية. يجب أن يكون تباعدها كافيًا بحيث يتمكن الباحثون من معالجة انتقال واحد دون إثارة آخر عن طريق الخطأ. هذا التباعد غير المتساوي، الذي يُطلق عليه اسم غير التناغمية (anharmonicity)، ضروري لجعل المذبذب يتصرف ككيوبيت يمكن التحكم فيه. يوضح المؤلفون كيف يمكن لأبعاد الفتحة، حجم الصفيحة، والصلابة الميكانيكية أن توفر هذا اللاخطية الضرورية.

لماذا تهم حيادية الشحنة في الحوسبة الكمومية

في الكيوبيتات الفائقة التوصيل، تُشفّر المعلومات الكمومية في سلوك الدوائر الكهربائية. أما اقتراح SHOQ فيستخدم حركة جماعية للهيليوم المحايد كهربائيًا. يقترح المؤلفون أن ضوضاء الشحنة والتدفق قد تكون أقل إشكالية لهذا الهيكل.

هذا التمييز قد يكون ذا قيمة، لكنه لا يضمن مناعةً من الضوضاء. المكوّنات الميكانيكية، تسرب الطاقة عبر الفتحة، والمعدات المستخدمة لتشغيل الجهاز تُضيف طرقًا أخرى لتدهور المعلومات.

الدرس الأوسع هو أن تغيير فيزياء الكيوبيت يغيّر المشكلة الهندسية. يمكن لمنصة ما أن تقلل من نقطة ضعف واحدة بينما تخلق عنق زجاجة مختلف. مقارنة Securities.io لـهياكل الأجهزة الكمومية توفر سياقًا لسبب احتياج النهج المتنافس إلى بنية تحتية واستراتيجيات تصنيع مختلفة.

تتطلب حيادية الشحنة أيضًا تفسيرًا دقيقًا. يتعلق هذا الاقتراح بحالة جماعية للهيليوم السائل، وليس بذرات محايدة محبوسة فرديًا. كلاهما يتعامل مع مادة محايدة، لكن آلياتهما، ودرجات حرارتهما، ومتطلبات التحكم فيهما تختلف بشكل كبير.

ما تكشفه حسابات كيوبيت الهيليوم

قام الباحثون بتقييم ستة تصاميم نموذجية. تشير حساباتهم إلى أن الأجهزة المناسبة قد تحتفظ بالمعلومات الكمومية لفترة كافية لدعم عمليات الكيوبيت، بشرط أن تصف آليات التشتت النموذجية بدقة الأجهزة النهائية.

الجدول أدناه يقارن بين ثلاثة تصاميم مأخوذة مباشرةً من الورقة. تعكس تقديرات العمر المتوقع التشتت الناتج عن نفق جسيم شبه جسيمي واحد، والذي حدده المؤلفون كآلية فقدان منخفضة الحرارة السائدة في تحليلهم.

هذه تقديرات نظرية، وليست أوقات تماسك مقاسة. على وجه الخصوص، لا ينبغي اعتبار عمر الاسترخاء الطاقي المقدر دليلاً تجريبياً كاملاً على مدة حفظ الكيوبت لمعلومات الطور.

حدّد المؤلفون التصميم رقم 5 على أنه واعد بشكل خاص. ومع ذلك، لا يحدد طول العمر وحده فائدته. تؤثر سرعة البوابة، والتسرب إلى مستويات غير مرغوبة، والتهيئة، ودقة القياس، والربط بين الأجهزة جميعاً على مقدار الحساب الموثوق الذي يمكن للمنصة أن تؤديه.

التبريد المتطرف هو الموازنة الهندسية المركزية

اعتماد الحرارة واضح. بالنسبة للتصميم رقم 5، خفض درجة الحرارة من 0.4 إلى 0.3 مللي كلفن يزيد العمر المحسوب من 0.64 إلى 25.96 مللي ثانية، أي تقريباً أربعين مرة.

تلك درجات الحرارة تعادل فقط 400 و300 ميكرو كلفن فوق الصفر المطلق. تشير الورقة إلى أن درجات حرارة حول 0.4 مللي كلفن تم الوصول إليها في تجارب سابقة باستخدام الهيليوم-3. يدعم ذلك إمكانية الفيزيائية، لكن تشغيل جهاز كمومي مُتحكم فيه تحت تلك الظروف يظل مهمة صعبة.

هذا يخلق تمييزاً مفيداً بين حجم الجهاز وحجم النظام. لا ينتج كيوبيت ذو لوحة بضع ميكرو متر فقط حاسوباً مدمجاً تلقائياً. قد تهيمن معدات التبريد المحيطة، والاتصالات، والدرع، وجهاز القياس على التركيب.

لذلك، سيطرح تقييم عملي سؤالاً حول عدد العمليات الموثوقة التي يمكن للنظام الكامل تقديمها مقابل عبء التبريد وتعقيد التشغيل. إذا كان انخفاض الضوضاء الكهربائية يتطلب تبريداً أصعب بكثير، يجب أن تكون الميزة كبيرة بما يكفي لتبرير تلك البنية التحتية.

تؤثر الحرارة أيضاً على التهيئة. بالنسبة لتصميم واحد تم تقييمه، تحسب الورقة احتلالاً حرارياً بنسبة 10.3٪ للحالة المثارة الأولى عند 0.3 مللي كلفن. وبالتالي، فإن تبريد الجهاز وحده لا يضمن أن كل عملية تبدأ في الحالة المطلوبة.

التحكم في كيوبيت محايد لا يزال يتطلب واجهة

حالة كمومية محمية مفيدة فقط إذا كان الباحثون قادرين على تحضيرها، وتعديلها، وقياسها. توضح الورقة نهجاً هجيناً يضم جهاز SHOQ، وكيوبيت ترانس مون فائق التوصيل، وتجويف ميكروويف.

ستغير حركة اللوحة الميكانيكية سعة كهربائية، مما يسمح لمذبذب الهيليوم بالتفاعل مع الدائرة الفائقة التوصيل. يمكن لتلك الدائرة أن تساعد في ترجمة الحركة السائلة المحايدة إلى تحكم وقياس إلكتروني تقليدي.

يكشف هذا الترتيب عن موازنة ثانية. قد يتجنب الآلية المركزية الناقلة للمعلومات بعض نقاط الضعف الكهربائية، بينما يعيد واجهة التحكم ربطها بالأجهزة الكهربائية. لذلك يجب قياس أداء النظام المدمج، وليس استنتاجه فقط من مذبذب الهيليوم المنفصل.

تترك الورقة تفاصيل بنية البوابة وعملها للبحوث المستقبلية. تشمل المعالم التجريبية المهمة ما يلي:

• حل المستويات الطاقية المتوقعة وتباعدها غير المتساوي.
• إثبات تحضير الحالة، والتحكم، والقياس الموثوقين.
• قياس الاسترخاء وتماسك الطور في الأجهزة المصنّعة.
• ربط عدة أجهزة مع الحفاظ على أداء مفيد.

التصنيع الكمومي يوفر صلة استثمارية

تربط هذه المتطلبات البحث بتحدٍ صناعي قائم: تصنيع أجهزة كمومية دقيقة بشكل متسق. يجب أن يتصرف فتحة نانوية أو غشاء مرن بشكل متوقع بعد التصنيع، والتجميع، والتبريد. قد يعقّد الاختلاف بين مكونات متطابقة اسميًا التحكم ويقلل من العائد.

للمستثمرين المهتمين بهذه التقنية المُمكّنة، تقدم Oxford Instruments شركة عامة ذات صلة يمكن فحصها. تدعم معداتها لمعالجة البلازما عمليات النقش والترسيب الدقيقة، بما في ذلك الأدوات التي تُشترى بالفعل لتصنيع الأجهزة الكمومية.

في مايو 2026، أعلنت Oxford Instruments أن Rigetti Computing (RGTI ) قامت بشراء نظام PlasmaPro 100 Cobra الخاص بها لـ نقش طبقة ذرية للأجهزة الكمومية. يصف الإعلان عملية منخفضة الضرر تهدف إلى دعم قدرات التصنيع الموسعة لـ Rigetti.

بشكل منفصل، أعلن مايو عن شراكة تصنيع على المستوى الذري مع NYU Nanofab. معًا، توضح هذه التطورات الطلب على أدوات التصنيع عبر أبحاث وتطوير الكم.

هذه صلة استثمارية غير مباشرة. لا تحدد ورقة الهيليوم Oxford Instruments كمشارك ولا تثبت أن معداتها ستصنع أجهزة SHOQ. كما تؤكد نتائج العام الكامل 2026 للشركة أيضًا التخلص من أعمال NanoScience الخاصة بها، مما يجعل التصنيع هو التركيز المناسب بدلاً من محفظتها السابقة في مجال الكريوجينيات.

من اقتراح كيوبيت إلى عتاد كمومي مفيد

يحتل مفهوم الهيليوم مرحلة مبكرة من التطوير. يجب أن تتحول حساباته إلى قياسات قابلة لإعادة الإنتاج قبل أن تحمل المقارنات مع المنصات الراسخة وزنًا كبيرًا.

في الوقت نفسه، تتقدم بنى أخرى نحو تثبيت العملاء، كما يتضح من الإعلان عن استحواذ جامعة فلوريدا الدولية على حاسوب كمومي. يهم هذا الاختلاف في النضج عند تقييم الأهمية التجارية للاقتراح الجديد.

قيمة هذا البحث تكمن في البديل الذي يفتحَه: معلومات كمومية مشفرة في نظام مادة مكثفة محايدة شحناً. ستعتمد نجاحه النهائي على ما إذا كان ذلك التفوق الفيزيائي سيصمد أمام متطلبات التبريد والتصنيع والتحكم في آلة كاملة. إثبات هذا التوازن سيكون أكثر أهمية من مجرد تقدير عمر تشغيلي مبهر.

المراجع:

¹ Sharma, P., Koch, J., & Ginossar, E. (2026). Towards a micromechanical qubit based on quantized oscillations in superfluid helium. npj Quantum Information. نشر إلكتروني مسبق. https://doi.org/10.1038/s41534-026-01355-3