الحوسبة
فهم الكيوبتات – إنجازات في النقل الفوري والتفاعل المتحكم فيه
هناك الكثير من الأحداث في عالم الحوسبة الكمومية. أطلقت شركة رائدة في صناعة الرقائق Nvidia منصة CUDA-Q مفتوحة المصدر لتسريع جهود الحوسبة الكمومية، بينما أنشأت الصين أكبر رقاقة حوسبة كمومية لها. ثم هناك العلماء في جامعة مانشستر الذين طوروا سيليكون فائق النقاء يمهد الطريق لأجهزة الكمبيوتر من الجيل التالي.
كل هذا الحماس والتطور حول الحواسيب الكمومية منطقي، نظرًا لأن التقنية تمتلك إمكانات هائلة في مجالات متعددة، بما في ذلك التشفير، اكتشاف الأدوية، حل مشاكل التحسين المعقدة، تحسين خوارزميات التعلم الآلي، وأكثر من ذلك.
يمكن للحواسيب الكمومية تحقيق كل ذلك بالاستفادة من نظرية الكم، التي تصف سلوك وطبيعة المادة والطاقة على المستوى الذري وحتى دون الذري. تستخدم الحوسبة الكمومية جسيمات دون ذرية مثل الفوتونات والإلكترونات. تسمح الكيوبتات (البتات الكمومية) لتلك الجسيمات بوجودها في حالات متعددة في آن واحد وتُتحكم فيها عبر أجهزة التحكم.
للتعامل مع سرعات أسرع أُسِّيًا من حاسوبك التقليدي مع استهلاك أقل للطاقة، تستخدم الحواسيب الكمومية التراكب والتشابك.
التراكب يتضمن جمع حالتين أو أكثر من الحالات الكمومية لإنشاء حالة كمومية صالحة أخرى. يتيح تراكب الكيوبتات للحواسيب الكمومية معالجة ملايين العمليات في آن واحد.
يحدث التشابك عندما يتم ربط نظامين بحيث أن معرفة حالة أحدهما تعطي معرفة فورية بالحالة الأخرى. هذا يمكّن الحواسيب الكمومية من حل المشكلات المعقدة بسرعة عالية.
المشكلة هنا هي فقدان التماسك (الديكوهيرنس)، وهو فقدان الحالة الكمومية في الكيوبت بسبب عوامل مثل الإشعاع أو الاهتزاز أو تغير درجة الحرارة. هذا يسبب أخطاءً في الحوسبة. لحماية الكيوبتات من التداخل، يتم وضعها في غرف فراغ، وعوازل، وثلاجات فائقة البرودة.
كما رأينا، تلعب الكيوبتات دورًا حاسمًا في تمكين الحوسبة الكمومية، لكن ليس كل شيء معروف عنها. ومع ذلك، وسعت تجربتان مستقلتان حديثتان فهمنا للكيوبتات، مما يمثل خطوة مهمة نحو بناء حاسوب كمومي عملي.
تحقيق النقل الكمومي
أظهرت أبحاث جديدة تحقيق النقل الكمومي بنجاح على الرغم من كل الضوضاء التي عادةً ما تعيق نقل الحالة الكمومية. في النقل، يتم نقل الكيوبت من موقع إلى آخر دون إرسال الجسيم نفسه.
نظريًا، يمكن إجراء نقل الحالة الكمومية دون أي مشكلة، لكن في الواقع، تؤدي الاضطرابات والضوضاء إلى تدهور جودة النقل الكمومي. لذا، وجد الباحثون في الدراسة الأخيرة أن تحقيق نقل كمومي مثالي على الرغم من الضوضاء يُعد إنجازًا عظيمًا.
نُشرت الدراسة في مجلة Science Advances، وتتناول كيف أن التشابك وفقدان التماسك يشكلان قوى مضادة للعديد من بروتوكولات وتقنيات الكم. الدراسة تتحدث عن كيفية كون التشابك وفقدان التماسك قوى مضادة للعديد من البروتوكولات والتقنيات الكمومية.
وفقًا للبحث، يُعد التشابك الكمومي الذي يحدث في ارتباطات تمتد لمسافات طويلة عشوائيًا مهمًا جدًا لأسس ميكانيكا الكم. له تطبيقات عديدة في معالجة المعلومات والاتصالات. ومع ذلك، فإن التفاعلات بين النظام الكمومي وبيئته لا مفر منها، ويمكن أن يؤدي فقدان التماسك إلى تدهور شديد في أداء هذه التطبيقات.
في حين توجد العديد من بروتوكولات كبح فقدان التماسك الواعدة مع أعمال حديثة تستغل الفضاءات الخالية من فقدان التماسك، وفصل الديناميكي، وأكواد تصحيح الأخطاء الكمومية، والتغذية الراجعة الكمومية المتماسكة المتأخرة، وهندسة الخزان باستخدام الأنظمة الفرعية المساعدة، فإن تجنب فقدان التماسك يتطلب جهدًا هائلًا في الواقع.
وبناءً على ذلك، اقترحت الدراسة بروتوكولًا فعالًا للنقل الكمومي في ظل فقدان التماسك المطلق.
أجرت الدراسة باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، خفي، وجامعة توركو في فنلندا، واستخدموا تشابكًا هجينًا متعدد الأطراف بين الكيوبتات المساعدة وبيئاتها المحلية ضمن سياق نظام كمومي مفتوح، مما مكنهم من تحقيق دقة عالية.
وفقًا للباحثين، تُعد البصريات الخطية منصة قوية بشكل خاص لتنفيذ بروتوكولات معلومات كمومية مختلفة ودراسة المشكلات المتعلقة بفقدان التماسك.
يستفيد العمل في هذه الدراسة، وفقًا للبروفيسور ييركي بيلو من جامعة توركو، من مفهوم التشابك الموزع. يتجاوز توزيع التشابك هذا الكيوبتات المستخدمة ويتم قبل تشغيل البروتوكول. وهذا يعني “استغلال التشابك الهجين بين درجات الحرية الفيزيائية المختلفة”، كما صرح بيلو.
تقليديًا، تم استخدام استقطاب الفوتون لتشابك الكيوبتات في النقل. ومع ذلك، يستفيد النهج الجديد من التشابك الهجين بين استقطاب الفوتون وتردده.
هذا يُحدث تغييرًا كبيرًا في كيفية تأثير الضوضاء على البروتوكول. في الواقع، الاكتشاف “يعكس دور الضوضاء من كونها ضارة إلى كونها مفيدة للنقل”، صرح بيلو.
تقليديًا، لا يعمل بروتوكول النقل عندما يكون هناك ضوضاء فقط أثناء تشابك الكيوبت، بل أيضًا عندما يكون التشابك الهجين موجودًا في البداية دون أي ضوضاء. وعلى النقيض من ذلك، عندما يكون هناك تشابك هجين ثم تُضاف الضوضاء، يحدث كل من النقل ونقل الحالة الكمومية تقريبًا بشكل مثالي.
بهذه الطريقة، يتيح الاكتشاف الأخير نقلًا شبه مثاليًا على الرغم من الضوضاء المرتبطة باستخدام الفوتونات.
وصف الباحثون ذلك بأنه “تجربة إثبات مبدأ هامة”، مع ملاحظة الدكتور تشاو-دي ليو من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، خفي:
“بينما أجرينا العديد من التجارب على جوانب مختلفة من الفيزياء الكمومية باستخدام الفوتونات في مختبرنا، كان من المثير للغاية والمجزٍ رؤية هذه التجربة الصعبة للنقل تُنجز بنجاح.”
أشارت الدراسة إلى أنه بالإضافة إلى مكافحة فقدان التماسك، ساهم التشابك الهجين أيضًا في إضافة طبقة أمان أخرى. وذكرت الدراسة:
“سيكون من المثير للبحث المستقبلي استكشاف مدى عمق إخفاء المعلومات المنقولة.”
إنه مجرد البداية، حيث تحمل الدراسة أهمية أساسية في فتح مسارات جديدة للعمل المستقبلي في بروتوكولات الكم من خلال اعتبارها بحثًا أساسيًا. إحدى طرق تطبيق التقنية هي في نقل الحالة خارج نطاق النقل الكمومي وما وراء الفضاءات الخالية من فقدان التماسك.
كما تفتح الأبحاث إمكانية استكشاف ما إذا كان يمكن عكس فقدان التماسك في منصات فيزيائية أخرى، بما في ذلك مصادر ضوضاء مختلفة.
انقر هنا لتتعرف على الحالة الحالية للحوسبة الكمومية.
تحقيق بوابة كيوبتين في ترانزستور سيليكون تقليدي
الدراسة الأخرى، التي أجراها باحثون من أقدم جامعة في سويسرا، جامعة بازل، بالتعاون مع باحثين من المركز الوطني للتميز في البحث (NCCR) SPIN، حققت اختراقًا من خلال الحصول على تفاعل قابل للتحكم بين كيوبتين من نوع “hole spin” في ترانزستور سيليكون تقليدي.
نُشرت الدراسة في مجلة Nature، وأشارت إلى أن تمويل الوصول المفتوح من جامعة بازل مكنها من ملاحظة أن كيوبتات السبين في أشباه الموصلات توفر إمكانية استخدام تقنية الترانزستور الصناعي لإنتاج حواسيب كمومية على نطاق واسع.
لكي يقوم الحاسوب الكمومي بإجراء الحسابات، يحتاج إلى “بوابات كمومية”، وهي عمليات تُحرك الكيوبتات وتربطها ببعضها البعض. تمكن الباحثون في الدراسة الأخيرة ليس فقط من ربط كيوبتين، بل أيضًا من إحداث انعكاس مُتحكم به لأحد دورانهما، والذي يعتمد على حالة دوران الكيوبت الآخر. يعتمد الارتباط على تفاعل التبادل بين كيوبتي السبين.
“تسمح لنا دورات الفجوة بإنشاء بوابات كيوبتين سريعة وعالية الدقة. هذا المبدأ الآن يجعل من الممكن ربط عدد أكبر من أزواج الكيوبتات.”
– الدكتور أندرياس كولمان
أظهر الباحثون قبل بضع سنوات أن دورات الفجوة في جهاز إلكتروني موجود يمكن حجزها واستخدامها ككيوبتات. الآن، قاد كولمان هذا الفريق من الفيزيائيين في بازل إلى النجاح في تحقيق تفاعل بين كيوبتين يمكن التحكم فيه.
في حين تستفيد الكيوبتات المعنية من كونها قابلة للتحكم كهربائيًا وتتوفر لها نقاط مثالية لإلغاء الشحن والضوضاء، كان إظهار تفاعل كيوبتين أمرًا صعبًا.
العامل المفقود، وفقًا للدراسة، كان فهم ربط التبادل أثناء تفاعل قوي بين السبين والأوربيت. لمعالجة ذلك، بحث العلماء في كيوبتين من نوع “hole-spin” في سيليكون “FinFETs” أو ترانزستور تأثير الحقل Fin. يعني ربط السبين-الأوربيت أن حالة دوران الفجوة تتأثر بحركتها عبر الفضاء.
لذا، تُعتبر كيوبتات السبين في النقاط الكمومية (QD) لأشباه الموصلات الأنسب للتطبيقات المستقبلية للدوائر الكمومية واسعة النطاق. ومع ذلك، حتى أكثر معالج كمومي قائم على السبين تقدمًا يسمح حاليًا بالتحكم الشامل في ستة كيوبتات سبين إلكترونية في سيليكون (Si). يتبع ذلك عن كثب عرض لأربعة كيوبتات باستخدام الفجوات في الجرمانيوم.
في الدراسة، استخدم الباحثون كيوبتًا يعتمد على دوران إلكترون أو فجوة. يدور كل من الإلكترونات والفجوات ويتخذان إما الحالة العليا أو السفلى.
بالمقارنة مع دورات الإلكترون، يمكن التحكم في دورات الفجوة كهربائيًا بالكامل دون الحاجة إلى ازدواجية مدارية أو مكونات إضافية مثل الميكرومغناطيسات على الشريحة، التي تزيد من تعقيد المعادلة. يرجع ذلك إلى تفاعل السبين-الأوربيت الداخلي (SOI). تستفيد الفجوات أيضًا من تقليل تفاعل الهايبر فاين وغياب الوادي.
وبالتالي، تُظهر الدراسة القدرة على التحكم الكهربائي في التبادل وإجراء انعكاس سبين شرطي خلال 24 نانوثانية. لم يعد هاملتوني التبادل يتخذ شكل هيزنبرغ ويمكن هندسته لتمكين بوابات دوران مُتحكم فيها لكيوبتين دون التضحية بالسرعة مقابل الدقة أو العكس. وفقًا للبحث:
“هذا السلوك المثالي ينطبق على نطاق واسع من اتجاهات المجال المغناطيسي، مما يجعل المفهوم قويًا فيما يتعلق بالتفاوتات بين الكيوبتات، مما يدل على أنه نهج مناسب لتحقيق حاسوب كمومي واسع النطاق.”
تشير هذه الدراسة إلى إمكانية ترتيب ملايين من كيوبتات السبين الفجوة على شريحة واحدة فقط. كما يظهر نهجها إمكانية كبيرة لتطوير حاسوب كمومي واسع النطاق.
تتطلب التحسينات المستقبلية في تصنيع الأجهزة تقليل التباين. عند دمجها مع نقاط التحكم القوية في دوران (CROT)، ستجعل هذه التطورات “عمليات بوابة كيوبتين مع تبادل غير متساوي جذابة للغاية لمصفوفات كيوبتات واسعة النطاق.”
إذا تم دمج تقدم الأبحاث مع قراءة سريعة وتشغيل فوق 1 كلفن، يمكن أن يُستخدم FinFET كمعالج كمومي عالمي يتم ترتيبه على شريحة تُستَخدم في الإلكترونيات التحكمية التقليدية.
الشركات المشاركة في تطوير الحواسيب الكمومية
الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي تعمل بنشاط على الحواسيب الكمومية:
#1. IBM
تقود IBM أبحاث الحوسبة الكمومية منذ سنوات عديدة وطورت IBM Q System One، أول حاسوب كمومي تجاري يعتمد على الدوائر. توفر الشركة الوصول إلى أنظمتها الكمومية عبر منصة IBM Quantum Experience.
في وقت سابق من هذا الشهر، كشفت IBM عن معالجها الكمومي الذي يضم أكثر من 1,000 كيوبت يُدعى Condor ومعالجها على نطاق المرافق IBM Quantum Heron الذي يحتوي على 133 كيوبت. كما أعلنت عن إطلاق حاسوب كمومي معياري، Quantum System Two. وفي الوقت نفسه، من خلال مجموعة البرمجيات Qiskit، تهدف IBM إلى جعل تطوير الحوسبة الكمومية متاحًا على نطاق واسع.
هذا العام، أعلن المختبر الوطني الياباني للأبحاث RIKEN أنه سيستخدم معالج IBM الكمومي وبنية الحاسوب الكمومي للتكامل مع الحاسوب الفائق Fugaku.
تشمل أبحاث الشركة الأخيرة في هذا المجال ما يلي:
- ذاكرة كمومية ذات عتبة عالية وتكلفة تشغيل منخفضة مقاومة للأخطاء.
- ترميز حالة سحرية بدقة تفوق نقطة التعادل.
- محاكاة سلاسل سبين كمومية كبيرة الحجم على حواسيب كمومية فائقة التوصيل سحابية.
(IBM )
في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم الشركة عند 167.36 دولار، بارتفاع 2.33٪ منذ بداية العام، بينما تبلغ قيمتها السوقية 153.73 مليار دولار. أبلغت IBM عن إيرادات (TTM) قدرها 62.07 مليار دولار، وربح السهم (TTM) 9.19، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 18.22. عائد السهم هو 3.99٪.
خلال تقريرها المالي للربع الأول من عام 2024، شهدت IBM زيادة في إيراداتها بنسبة 1.5٪ على أساس سنوي لتصل إلى 14.5 مليار دولار وتدفق نقدي حر قدره 1.9 مليار دولار. تشير الشركة إلى أن “نمو إيراداتها وتدفقها النقدي الحر القوي” يعكس قوة استراتيجيتها في السحابة والذكاء الاصطناعي.
#2. Google
في عالم الحوسبة الكمومية، حققت Google تقدمًا كبيرًا من خلال مختبر Quantum AI الخاص بها، الذي يعمل على كل من الأجهزة والبرمجيات. قبل بضع سنوات، أطلقت الوحدة معالج Sycamore، وهو معالج كمومي يضم 53 كيوبت. حاليًا، تركز أجهزة عملاق التكنولوجيا على الكيوبتات الفائقة التوصيل بينما تستكشف مجموعة برامجه المتقدمة قوة الحوسبة الكمومية.
قبل بضعة أشهر، أطلقت Google مسابقة عالمية متعددة السنوات للعثور على حالات استخدام واقعية للحوسبة الكمومية بجائزة قدرها 5 ملايين دولار، سيتم تقسيمها بين المتأهلين النهائيين. وأشارت Google في مارس إلى:
“بينما هناك العديد من الأسباب للتفاؤل بشأن إمكانات الحوسبة الكمومية، لا نزال إلى حد ما في الظلام بشأن النطاق الكامل لكيفية ومتى ولأي مشاكل واقعية ستثبت هذه التقنية أنها الأكثر تحولًا.”
تشمل أبحاث الشركة الأخيرة في هذا المجال كبح الأخطاء الكمومية عن طريق توسيع كيوبت منطقي باستخدام شفرة السطح، وانتقال الطور في أخذ عينات الدوائر العشوائية، والتشابك والنقل الناتج عن القياس على معالج كمومي ضوضائي.
(GOOGL )
في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم الشركة عند 107.48 دولار، بارتفاع 21.94٪ منذ بداية العام، بينما تبلغ قيمتها السوقية 2.12 تريليون دولار. أبلغت Google عن إيرادات (TTM) قدرها 218.14 مليار دولار مع ربح السهم (TTM) 6.52 ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 26/13. تدفع عائد توزيعات قدره 0.47٪.
في أرباحها للربع الأول من عام 2024، أبلغت الشركة عن زيادة بنسبة 13٪ في الإيرادات لتصل إلى 86.3 مليار دولار، وصافي دخل قدره 20.28 مليار دولار، وتوزيع أول مرة بقيمة 20 دولارًا للسهم. في ربيع 2024، وصلت قيمتها السوقية إلى علامة جديدة قدرها 2 تريليون دولار، مما جعلها رابع أكبر شركة عامة قيمة في العالم.
الخلاصة
كان هناك سباق لبناء حاسوب كمومي عملي، حيث يركز الباحثون على فهم الكيوبتات والعمل مع تقنيات كيوبت مختلفة. تُعد الكيوبتات أساس الحاسوب الكمومي لأنها تتولى جميع عمليات المعالجة والنقل وتخزين البيانات. وبالتالي، تدور جميع الأبحاث حول الكيوبتات، بما في ذلك أحدث تجربتين تم تغطيتهما هنا، التي تهدف إلى المساعدة في بناء حاسوب كمومي عملي.
