القفزة الكمية: أول رقاقة هجينة كوانتية-فوتونية في العالم

مع ارتفاع الاستثمارات وتضاعف الاختراقات، تقترب تقنية الكم أكثر من أي وقت مضى من أن تصبح حقيقة. 

وفقًا لماكينزي، الركائز الثلاث الرئيسية لتقنية الكم، وهي الحوسبة الكمومية، والاتصالات الكمومية، والاستشعار الكمومي، يمكنها معًا تحقيق ما يصل إلى 97 مليار دولار من الإيرادات على مستوى العالم خلال العقد القادم.

تتعامل التقنية مع مبادئ ميكانيكا الكم لإنشاء تقنيات مبتكرة تتجاوز قدرات التقنيات الكلاسيكية.

إحدى الطرق الواعدة لتطوير تقنيات الكم هي عبر الفوتونيات. ذلك بسبب توافقها الطبيعي مع الوصلات البصرية لتوزيع التشابك، وصلابتها ضد الاضمحلال عند درجة حرارة الغرفة، وقدرتها على التصغير إلى صيغة على مستوى الرقاقة.

الفوتونيات هي علم الضوء (الفوتونات) وتتعامل مع توليد الضوء، واكتشافه، وتعديله لتطبيقات مختلفة.

بالنسبة للأنظمة الكمومية الفوتونية، توفر الفوتونيات السيليكونية أكثر المنصات قابلية للتوسع. يمكن بناؤها باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات التي تم تطويرها في صناعة الميكروإلكترونيات بتقنية CMOS، والتي تنتج الرقائق على نطاق واسع بالفعل.

بينما قد تُستخدم الفوتونيات السيليكونية قريبًا لإنشاء أعداد هائلة من الكيوبتات الفيزيائية المطلوبة لتحقيق معالجة معلومات كمومية مفيدة في أجهزة بصرية مصغرة لتوليد وتعديل حالات الضوء الكمومية، فإن بناء هذه الدوائر المتكاملة الكمومية الفوتونية السيليكونية يواجه تحديات جدية.

تتعلق المشكلات بالتداخل الحراري، واللا-carrier الحرية، واللاخطية الناتجة عن التسخين الذاتي، والحاجة إلى إدارة الحساسية الشديدة لأي تغيرات في درجة الحرارة والعملية.

المسألة هي أنه لكي تعمل أجهزة الفوتونيات الكمومية السيليكونية بشكل صحيح، تحتاج إلى مراقبة مستمرة بالإضافة إلى التحكم عبر دوائر إلكترونية. لذا، تم استخدام إلكترونيات ضخمة خارج الرقاقة، مما يعالج المشكلة جزئيًا، لكنه يؤدي أيضًا إلى التخلي عن العديد من فوائد منصة على مستوى الرقاقة.

من أجل تحقيق الإمكانات الكاملة للفوتونيات السيليكونية كمنصة لمعالجة المعلومات الكمومية، يجب علينا حل عنق الزجاجة المتعلق بالتحكم الكلاسيكي.

لذا، قدم فريق متعدد التخصصات من الباحثين نظامًا كموميًا إلكترونيًا-فوتونيًا على رقاقة. تم تصنيعه في مصنع تجاري لتقنية الميكروإلكترونيات CMOS بدقة 45 نانومتر.

هذه هي أول رقاقة هجينة في العالم تجمع بين الإلكترونيات والفوتونيات والطاقة الكمومية.

استخدام تقنية CMOS يجعل البحث أكثر جدارة بالثناء. هذه التقنية شبه الموصلة هي حجر الأساس للإلكترونيات الحديثة. تستخدمها شركات مثل سامسونج، سوني، إنتل، وTSMC لإنتاج الإلكترونيات على نطاق واسع.

في الوقت نفسه، تُثبت عقدة 45 نانومتر فعاليتها وتكلفتها المنخفضة. كما أنها متوافقة مع البنية التحتية الواسعة لتصنيع السيليكون.

وفقًا للفريق، فإن نهجهم المتكامل بالكامل للتحكم المعياري “يمهد الطريق للفوتونيات الكمومية السيليكونية لتحقيق النطاق الضخم المطلوب لأجيال المستقبل من أنظمة المعلومات الكمومية.”

التعاون متعدد التخصصات يدفع تقنية الكم أقرب إلى الواقع

أجرت الدراسة الأخيرة، التي تمثل اختراقًا كبيرًا في تقنية الكم، باحثون من جامعة كاليفورنيا بيركلي، وجامعة بوسطن، وجامعة نورثويسترن.

“نوع التعاون متعدد التخصصات الذي تطلبه هذا العمل هو بالضبط ما يلزم لنقل الأنظمة الكمومية من المختبر إلى منصات قابلة للتوسع. لم نكن لنتمكن من إنجاز ذلك بدون الجهود المشتركة في الإلكترونيات والفوتونيات والقياس الكمومي.”

– بريم كومار، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب في جامعة نورثويسترن

تم دعم البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم. نُشر في مجلة Nature Electronics، الـ الدراسة التي تفصل النظام¹ الذي نجح في دمج مصادر الضوء الكمومية والإلكترونيات المثبتة على رقاقة سيليكونية واحدة، صُنعت باستخدام عملية أشباه الموصلات القياسية بدقة 45 نانومتر.

هذه التركيبة هي ما يمكّن الرقاقة من توليد تدفقات مستمرة من أزواج الفوتونات المرتبطة، والتي تُعد أساسًا لتطبيقات كمومية متعددة.

كل رقاقة سيليكونية تحتوي على مجموعة من “مصانع الضوء الكمومي”، بإجمالي اثني عشر مصدرًا ضوئيًا كموميًا مستقلاً تُشغلها ضوء الليزر. كما تعتمد على رنانات الحلقة الدقيقة لتوليد أزواج الفوتونات. كل من هذه المصادر له أبعاد أقل من مليمتر في كل اتجاه.

يمثل هذا خطوة رئيسية نحو تطوير أنظمة كمومية أكثر تعقيدًا مكوّنة من عدة رقاقات مترابطة وإنتاجًا ضخمًا لرقاقات “مصنع الضوء الكمومي”. وفقًا للمؤلف الرئيسي للدراسة ميلوش بوبوفيتش، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب في جامعة بوسطن:

“الحوسبة الكمومية، والاتصالات، والاستشعار يسيرون على مسار يمتد لعقود من المفهوم إلى الواقع. هذه خطوة صغيرة على ذلك المسار — لكنها خطوة مهمة، لأنها تُظهر أننا نستطيع بناء أنظمة كمومية قابلة للتكرار والتحكم فيها في مصانع أشباه الموصلات التجارية.”

حاليًا، في المراحل الأولية من التطوير، تختلف تقنية الكم عن الحواسيب الحالية التي تستخدم بتات كلاسيكية إما صفر أو واحد، من خلال استخدام البتات الكمومية (الكيوبيت).

يمكن لهذه الكيوبيت أن توجد في تراكب لكلا الحالتين في آن واحد، مما يسمح لأجهزة الحوسبة الكمومية بإجراء حسابات متوازية، وبالتالي تحقيق تسارعات هائلة. هنا، التراكب هو وجود نظام كمومي في حالات متعددة في آن واحد.

اختراق شفرة القابلية للتوسع عبر الضبط الذاتي في الوقت الحقيقي

الآن، هناك طرق مختلفة لتطبيق تقنية الكم، والفوتونيات هي إحدى هذه الطرق، حيث يتطلب تدفقًا محكمًا من الضوء، أو فوتونات مفردة، أو أزواج فوتونات متشابكة، لأداء وظيفتها.

تُولد هذه التدفقات المستقرة من الضوء الكمومي باستخدام أجهزة مثل رنانات الحلقة الدقيقة والنقاط الكمومية.

رنانات الحلقة الدقيقة هي أجهزة فوتونية مصممة بدقة تسمح بتوليد حالات ضوئية كمومية على رقاقة. تُعد هذه العناصر أساسية في الفوتونيات السيليكونية، حيث توفر طريقة فعّالة للغاية لتوجيه الضوء على مقياس النانومتر. يتحقق ذلك عبر تدوير الضوء في دائرة للوصول إلى طول موجة مستهدف (الرنين).

لتوليد تدفقات من الضوء الكمومي على شكل أزواج فوتونات مترابطة، يجب ضبط رنانات الحلقة الدقيقة لتتزامن مع ضوء الليزر الوارد الذي يزود كل مصنع ضوء كمومي على الرقاقة. كما يُستخدم كوقود لعملية التوليد.

ومع ذلك، فإن الرنانات حساسة جدًا لتقلبات درجة الحرارة والعملية التصنيعية. يمكن أن يتسبب ذلك في فقدان التزامن وتعطيل التوليد المستمر للضوء الكمومي.

لمنع اضطراب توليد الضوء عندما تُدفع الرنانات خارج التزامن، بنى الفريق نظامًا متكاملًا يثبت مصادر الضوء الكمومي على الرقاقة بنشاط، وبشكل خاص، الرنانات التي تولد تدفقات من الفوتونات المرتبطة. تتواجد هذه المصادر الضوئية في كل رقاقة وتعمل بالتوازي.

“ما يثير حماسي أكثر هو أننا دمجنا التحكم مباشرة على الرقاقة — ثابتين عملية كمومية في الوقت الحقيقي. هذه خطوة حاسمة نحو أنظمة كمومية قابلة للتوسع.”

– أنيرود راميش، طالب دكتوراه في جامعة نورثويسترن قاد قياسات الكم

من المثير للاهتمام أن الحساسية الشديدة لرنانات الحلقة الدقيقة هي في الواقع أساس مصادر الضوء الكمومي، السبب الرئيسي الذي يجعل تدفقات الضوء الكمومي تُولد بكفاءة وفي مساحة رقاقة ضئيلة. ومع ذلك، حتى التغييرات الصغيرة في درجة الحرارة يمكن أن تؤثر بشكل كبير على عملية توليد أزواج الفوتونات.

لتجاوز هذه المشكلة، قام الباحثون بدمج نظام تحكم في الوقت الحقيقي مباشرة على الرقاقة. دمجوا الفوتودايودات داخل كل رنان بطريقة محددة، مما يسمح لهم بمراقبة الأداء، خصوصًا التوافق مع الليزر الوارد، مع الحفاظ على توليد الضوء الكمومي.

في الوقت نفسه، تقوم السخانات المصغرة ومنطق التحكم على الرقاقة بضبط الرنين باستمرار استجابةً للانجراف. لذا، حتى مع تقلب الظروف، يحافظ هذا الحلقة الراجعة المدمجة على عملية توليد الضوء الكمومي، مما يجعل الجهاز يتصرف بشكل متوقع.

يتيح الضبط الذاتي لجميع الرنانات الاثني عشر العمل معًا بتزامن كامل، دون الحاجة إلى أي معدات تثبيت ضخمة. هذه نقطة رئيسية، إذ أنها شرط أساسي لتوسيع الأنظمة الكمومية. وفقًا لإيمبرت وانغ، طالب دكتوراه في جامعة بوسطن قاد تصميم الجهاز الفوتوني:

“التحدي الرئيسي مقارنةً بأعمالنا السابقة كان دفع تصميم الفوتونيات لتلبية المتطلبات الصارمة للضوء الكمومي مع البقاء ضمن القيود الصارمة لمنصة CMOS التجارية. ذلك مكن من التصميم المشترك للإلكترونيات والضوء الكمومي كنظام موحد.”

تم تصنيع النظام بالكامل على منصة رقاقة CMOS تجارية بدقة 45 نانومتر تم تطويرها من خلال تعاون بين جامعة بوسطن، وجامعة كاليفورنيا بيركلي، وشركة GlobalFoundries، وشركة Ayar Labs. تشارك شركة Ayar Labs الناشئة في إنشاء تقنية للرقاقات باستخدام نبضات الضوء وحصلت على تمويل استثماري بقيمة 155 مليون دولار من AMD Ventures، Intel Capital، وNvidia بتقييم قدره مليار دولار، مما “يمهد الطريق للإنتاج الضخم.”

تمكن عملية التصنيع من وصلات بصرية متقدمة للذكاء الاصطناعي والحوسبة الفائقة، والآن أنظمة فوتونية كمومية معقدة على منصة سيليكون قابلة للتوسع.

“كان هدفنا إظهار أن الأنظمة الفوتونية الكمومية المعقدة يمكن بناؤها وتثبيتها بالكامل داخل رقاقة CMOS. ذلك استلزم تنسيقًا محكمًا بين مجالات لا تتواصل عادةً مع بعضها البعض.”

– دانييل كرامنيك، طالب دكتوراه في جامعة كاليفورنيا بيركلي قاد تصميم الرقاقة، والتعبئة، والتكامل

اعتماد الرقاقة على التقنيات المستخدمة بالفعل يعني عدم الحاجة لإنشاء إعدادات جديدة، وبالتالي يمهد الطريق للحوسبة الكمومية القابلة للتوسع.

الاستثمار في الأنظمة الكمومية 

يتقدم عالم تقنية الكم بسرعة، ويقترب أكثر من الواقع مع كل عام يمر. هنا، International Business Machines (IBM ) من بين القادة في هذا المجال، خصوصًا في الحوسبة الكمومية. مؤخرًا، نشر باحثون من IBM® وشركة ناشئة في مجال الكم Pasqal ورقة بيضاء white paper²، حيث وضعوا تعريف ميزة الكم، وكيف يمكن التحقق علميًا من الادعاءات، وسبل تحقيقها.

International Business Machines (IBM )

هذا الشهر، تعاون IBM Quantum مع شركة موديرنا لنمذجة بنية الـ mRNA باستخدام المحاكاة الكمومية. لهذا، استخدموا 80 كيوبيت من معالج IBM Quantum Heron، الذي نفّذ خوارزمية متخصصة بهدف “تحسين صحة الإنسان”.

“نعتقد أنه من الضروري استكشاف كل أداة متاحة، بما في ذلك الحوسبة الكمومية، لتسريع تقدمنا اليوم، بدلاً من الانتظار حتى تنضج التقنية بالكامل في المستقبل.”

– أليكسى جالدا، مدير علمي مشارك في موديرنا لخوارزميات وتطبيقات الكم

في الشهر الماضي، أعلنت IBM أيضًا عن إعلان كبير بأنها تبني أول حاسوب كمومي واسع النطاق في العالم، وتتوقع تسليمه للعملاء في عام 2029.

سيكون الحاسوب الكمومي المتسامح مع الأخطاء المسمى IBM Starling أقوى بـ 20,000 مرة من الحواسيب الكمومية الحالية و”سيتطلب ذاكرة أكثر من كوينديسليون من أقوى supercomputers في العالم.”

وفقًا لخارطة طريق الشركة، سيأتي وصول Starling بعد عدة معالم، بما في ذلك أول عرض لـ ‘ميزة الكم’ العام المقبل، حيث ستبدأ الحواسيب الكمومية في تجاوز الحواسيب الكلاسيكية في التطبيقات العملية للحوسبة.

لكن قبل ذلك، سيظهر IBM Quantum Loon في وقت لاحق من هذا العام مع شريحة Nighthawk الخاصة به. وفي وقت ما العام المقبل، سيتبع ذلك IBM Quantum Kookaburra، الذي يضم أول معالج معياري للشركة لتخزين ومعالجة المعلومات المشفرة. ثم سيُطرح IBM Quantum Cockatoo في العام التالي، حيث إن هندسته “ستربط الرقائق الكمومية معًا كعقد في نظام أكبر، متجنبة الحاجة إلى بناء رقاقة ضخمة غير عملية.”

ستؤدي هذه الإصدارات في النهاية إلى إطلاق Starling قبل انتهاء العقد. تأمل هذه الابتكارات في تنفيذ “100 مليون عملية كمومية باستخدام 200 كيوبيت منطقي.”

مع Starling، تهدف IBM إلى حل التحديات الواقعية، وهو ما لم تحققها تقنية الكم بعد. وفقًا للرئيس التنفيذي أرڤند كريشنا، سيُطلق حاسوبهم الكمومي أيضًا “إمكانات هائلة للأعمال.”

وفقًا لخارطة الطريق، تمتد أهداف الحوسبة الكمومية لشركة IBM إلى ما بعد Starling. سيكون Blue Jay هو بنية ISA للكمومية المتسامحة مع الأخطاء من الجيل الثاني، والتي لا يُتوقع وصولها إلا بعد عام 2033. بحلول ذلك الوقت، قد يتوسع منصة الحوسبة إلى مليار بوابة و2,000 كيوبيت منطقي.

فيما يتعلق بأداء سوق IBM ذات القيمة السوقية 262 مليار دولار، والتي تقدم خدمات السحابة الهجينة العالمية والذكاء الاصطناعي والاستشارات، فإن أسهمها تتداول حاليًا فوق 265 دولارًا، بارتفاع 28.29٪ منذ بداية العام. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 2.38٪.

مؤخرًا، أعلنت الشركة عن نتائج الربع الثاني من عام 2025، التي أظهرت زيادة بنسبة 8٪ في الإيرادات لتصل إلى 17 مليار دولار، و6.1 مليار دولار صافي نقد من الأنشطة التشغيلية، وتدفق نقدي حر قدره 4.8 مليار دولار.

“لقد فُوقنا مرة أخرى توقعات الإيرادات، والأرباح، والتدفق النقدي الحر في هذا الربع. لا تزال IBM متميزة بشكل كبير في السوق بفضل ابتكاراتنا العميقة وخبرتنا المتخصصة، وهما أمران حاسمان في مساعدة العملاء على نشر وتوسيع نطاق الذكاء الاصطناعي. يستمر كتاب أعمال الذكاء الاصطناعي التوليدي في التسارع ويبلغ الآن أكثر من 7.5 مليار دولار.”

– الرئيس التنفيذي كريشنا

آخر أخبار وتطورات أسهم International Business Machines (IBM)

الخلاصة

تتقدم تقنية الكم بسرعة، وتتحول من مفهوم إلى صناعة قابلة للتوسع، مدفوعة باختراقات مثل الرقائق الهجينة الكمومية-الإلكترونية-الفوتونية.

من خلال دمج مصادر الضوء الكمومية، والإلكترونيات المثبتة، والتصنيع القابل للتوسع في رقاقة واحدة، أنشأت الدراسة بأمثل طريقة مخططًا للمستقبل الكمومي. ومع تقدم الأنظمة الفوتونية الكمومية، قد تصبح الرقائق الهجينة الأخيرة أساسًا لتقنيات مثل الاستشعار المتقدم، وشبكات الاتصالات الآمنة، والحوسبة الكمومية.

مع بناء IBM لمعالجات كمومية ضخمة، فإن الأوقات بالتأكيد مثيرة، حيث يبدو العقد القادم هو الأنسب لتحديد النقطة التي تقدم فيها الحوسبة الكمومية تأثيرًا حقيقيًا في العالم.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل شركات الحوسبة الكمومية لعام 2025.

المراجع:

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. تثبيت تغذية راجعة قابل للتوسع لمصادر الضوء الكمومية على رقاقة CMOS. Nature Electronics, 8, (2025). نُشر في online 14 يوليو 2025. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. إطار لتحقيق ميزة الكم. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). نُشر في online 14 يوليو 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.20658