فهم الكيوبتات – اختراقات النقل الآني والتفاعل المتحكم فيه

هناك الكثير مما يحدث في عالم الحوسبة الكمومية. أطلقت شركة Nvidia العملاقة للرقائق منصة CUDA-Q مفتوحة المصدر لتسريع جهود الحوسبة الكمومية، في حين أنشأت الصين أكبر شريحة حوسبة كمومية لها. ثم هناك علماء في جامعة مانشستر قاموا بتطوير السيليكون فائق النقاء الذي يمهد الطريق لأجهزة الكمبيوتر من الجيل التالي.

كل هذه الإثارة والتطور حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية أمر منطقي، نظرا لأن التكنولوجيا تحمل إمكانات هائلة في مختلف المجالات، بما في ذلك التشفير، واكتشاف الأدوية، وحل مشاكل التحسين المعقدة، وتعزيز خوارزميات التعلم الآلي، وغير ذلك الكثير.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية تحقيق كل هذا من خلال الاستفادة من نظرية الكم، وهي سلوك وطبيعة المادة والطاقة على المستويات الذرية وحتى دون الذرية الأصغر. تستخدم الحوسبة الكمومية الجسيمات دون الذرية مثل الفوتونات والإلكترونيات. ثم تسمح الكيوبتات (البتات الكمومية) لهذه الجسيمات بالوجود في حالات متعددة في وقت واحد ويتم التحكم فيها بواسطة أجهزة التحكم.

للتعامل مع سرعات أسرع بشكل كبير من جهاز الكمبيوتر التقليدي الخاص بك مع استهلاك طاقة أقل، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية التراكب والتشابك. 

يتضمن التراكب إضافة حالتين كموميتين أو أكثر لإنشاء حالة كمومية صالحة أخرى. يسمح تراكب الكيوبتات لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بمعالجة ملايين العمليات في وقت واحد.

يحدث التشابك عندما يرتبط نظامان بحيث أن معرفة حالة أحدهما تعطي معرفة فورية عن الآخر. هذه تمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من حل المشكلات المعقدة بمعدل سريع.

تكمن المشكلة هنا في فك الترابط، وهو فقدان الحالة الكمومية في الكيوبت بسبب عوامل مثل الإشعاع أو الاهتزاز أو تغير درجة الحرارة. هذه يسبب أخطاء في الحوسبة. ولحماية الكيوبتات من التداخل، فإنها يتم وضعها في غرف التفريغ والعزل والثلاجات فائقة التبريد. 

كما رأينا، تلعب الكيوبتات دورًا حاسمًا في صنع الحوسبة الكمومية، ولكن ليس كل شيء ومن المعروف عنهم. ومع ذلك، فقد أدت تجربتان مستقلتان حديثتان إلى توسيع فهمنا للكيوبتات، مما يمثل خطوة مهمة نحو بناء حاسوب كمي فعال.

تم تحقيق النقل الكمي

نجح بحث جديد في تحقيق النقل الآني الكمي على الرغم من كل الضوضاء التي تعطل عادة نقل الحالة الكمومية. في النقل الآني، يتم نقل الكيوبت من مكان إلى آخر دون إرسال الجسيم نفسه. 

نظريا، يمكن أن يتم نقل الحالة الكمومية دون أي مشكلة، ولكن في العالم الحقيقي، تؤدي الاضطرابات والضوضاء إلى تدهور جودة النقل الآني الكمي. لذلك، وجد الباحثون في أحدث دراسة أن تحقيق النقل الآني الكمي المثالي على الرغم من الضوضاء يعد إنجازًا عظيمًا.

نشرت في مجلة Science Advances دراسة يتحدث عن كيف أن التشابك وفك الترابط هما قوتان مضادتان للعديد من البروتوكولات والتقنيات الكمومية. 

Aوفقًا للبحث، فإن التشابك الكمي الذي يحدث في الارتباطات التي تمتد عشوائيًا لمسافات طويلة يعد مهمًا جدًا لأسس ميكانيكا الكم. لها تطبيقات عديدة في معالجة المعلومات والاتصالات. ومع ذلك، فإن التفاعلات بين النظام الكمي وبيئته أمر لا مفر منه، وقد يؤدي فقدان التماسك إلى تدهور أداء هذه التطبيقات بشكل كبير. 

في حين أن هناك العديد من بروتوكولات قمع فك الترابط الواعدة مع الأعمال الحديثة التي تستغل المساحات الفرعية الخالية من فك الترابط، والفصل الديناميكي، وأكواد تصحيح الأخطاء الكمومية، وردود الفعل الكمومية المتأخرة، وهندسة المكامن مع الأنظمة الفرعية المساعدة، فإن تجنب فك الترابط أمر صعب للغاية في الممارسة العملية.

على هذا النحو، اقترحت الدراسة بروتوكولًا فعالاً للنقل الآني الكمي في فك الترابط المطلق. 

استخدمت الدراسة التي أجراها باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، هيفي، وجامعة توركو، فنلندا، التشابك الهجين متعدد الأجزاء بين الكيوبتات المساعدة وبيئاتها المحلية ضمن سياق نظام الكم المفتوح، مما يسمح لها بتحقيق مستويات عالية دقة. 

وفقًا للباحثين، تعد البصريات الخطية منصة قوية بشكل خاص لتنفيذ بروتوكولات المعلومات الكمومية المختلفة ودراسة مشكلات فك الترابط. 

يستخدم العمل في هذه الدراسة، وفقًا لجيركي بيلو، الأستاذ من جامعة توركو، فكرة التشابك الموزع. يتجاوز توزيع التشابك هذا الكيوبتات المستخدمة و تم قبل تشغيل البروتوكول. هذه وقال بايلو إن هذا يعني “استغلال التشابك الهجين بين درجات الحرية الجسدية المختلفة”.

تقليديًا، تم استخدام استقطاب الفوتون لتشابك الكيوبتات في النقل الآني. ومع ذلك، فإن النهج الجديد يعزز التشابك الهجين بين استقطاب الفوتون والتردد.

هذه يجلب تغييرًا كبيرًا في كيفية تأثير الضوضاء على البروتوكول. وقال بايلو إن هذا الاكتشاف، في الواقع، "يعكس دور الضوضاء من كونها ضارة إلى كونها مفيدة للنقل الآني".

تقليديًا، لا يعمل بروتوكول النقل الآني عند وجود ضوضاء أثناء تشابك الكيوبت، بل أيضًا عند وجود تشابك هجين في البداية دون أي ضوضاء. على عكس ذلك، عند وجود تشابك هجين ثم إضافة ضوضاء، يحدث كلٌّ من النقل الآني ونقل الحالة الكمومية بشكل مثالي تقريبًا.

وبهذه الطريقة، يتيح الاكتشاف الأخير إمكانية النقل الآني المثالي تقريبًا على الرغم من الضوضاء المرتبطة باستخدام الفوتونات.

يطلق الباحثون على هذه "تجربة هامة لإثبات المبدأ"، حيث أشار الدكتور تشاو دي ليو من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين، إلى ما يلي:

"على الرغم من أننا قمنا بالعديد من التجارب على جوانب مختلفة من فيزياء الكم باستخدام الفوتونات في مختبرنا، إلا أنه كان من المثير والمجزي للغاية أن نرى تجربة النقل الآني الصعبة للغاية هذه بنجاح منجز."

وأشارت الدراسة إلى أنه بالإضافة إلى محاربة عدم الترابط، ساعد التشابك الهجين أيضًا على توفير طبقة أخرى من الأمان. وذكرت الدراسة:

"سيكون خطًا مثيرًا للاهتمام من الأبحاث المستقبلية لمعرفة مدى عمقه يمكن إخفاء المعلومات المنقولة آنيًا". 

إنها مجرد البداية، إذ تكتسب الدراسة أهمية جوهرية في فتح آفاق جديدة للأعمال المستقبلية في بروتوكولات الكم، وذلك باتخاذها أساسًا للبحث. إحدى طرق تطبيق هذه التقنية هي نقل الحالة خارج نطاق النقل الآني الكمي، وتجاوز الفضاءات الفرعية الخالية من فقدان التماسك.

يفتح البحث أيضًا إمكانية معرفة ما إذا كان فك الترابط ممكنًا أم لا تنعكس في المنصات المادية الأخرى، بما في ذلك مصادر الضوضاء المختلفة.

انقر هنا للتعرف على الوضع الحالي للحوسبة الكمومية.

تحقيق بوابة ثنائية الكيوبت في ترانزستور السيليكون التقليدي

الدراسة الأخرى التي كان موصولا من قبل باحثين من أقدم جامعة في سويسرا، جامعة بازل، in بالتعاون مع المركز الوطني للكفاءة البحثية (NCCR) SPIN، حقق اختراقا من خلال الحصول على تفاعل يمكن التحكم فيه بين اثنين من البتات الكمومية ذات الفتحتين في ترانزستور السيليكون التقليدي. 

أشارت الدراسة، التي نُشرت في مجلة Nature، والتي حصلت على تمويل مفتوح من جامعة بازل، إلى أن الكيوبتات الكمومية شبه الموصلة توفر إمكانية توظيف تكنولوجيا الترانزستور الصناعية لإنتاج أجهزة كمبيوتر كمومية واسعة النطاق. 

لكي يُجري الحاسوب الكمومي عمليات حسابية، فإنه يحتاج إلى "بوابات كمية"، وهي عمليات تُعالج البتات الكمومية وتُقرنها ببعضها. وقد تمكّن الباحثون في الدراسة الأخيرة ليس فقط من ربط بتَّين كموميَّين، بل أيضًا من إحداث انقلاب مُتحكَّم فيه لدوران أحدهما، والذي يعتمد على حالة دوران الآخر. ويعتمد هذا الاقتران على التفاعل التبادلي بين البتَّين الكموميَّين.

"تسمح لنا دورات الثقب بإنشاء بوابات ثنائية الكيوبت سريعة وعالية الدقة. وهذا المبدأ يجعل من الممكن الآن أيضًا اقتران عدد أكبر من أزواج الكيوبتات. 

- د. أندرياس كولمان

لقد أظهر الباحثون بالفعل منذ عامين أن الثقب يدور في جهاز إلكتروني موجود ويمكن احتجازه واستخدامه ككيوبتات. الآن، قاد كولمان هذا الفريق من علماء الفيزياء في بازل إلى النجاح في تحقيق التفاعل بين اثنين من الكيوبتات يمكن السيطرة عليها.

في حين أن الكيوبتات المعنية تستفيد من كونها قابلة للتحكم كهربائيًا ولديها نقاط جيدة لإلغاء الشحن والضوضاء، إلا أن إظهار تفاعل ثنائي الكيوبت كان أمرًا صعبًا.

كان أحد العوامل المفقودة، وفقًا للدراسة، هو فهم اقتران التبادل أثناء تفاعل قوي بين المغزل والمدار. ولمعالجة هذا، أجرى العلماء أبحاثًا على كيوبتين ثقب-دوران في ترانزستور تأثير المجال الزعنفي السيليكوني (FinFETs). ويعني اقتران المغزل والمدار أن حالة دوران الثقب تتأثر بحركته في الفضاء.

لذلك، تقوم النقطة الكمومية لأشباه الموصلات (QD) بتدوير الكيوبتات مرئيون باعتبارها الأكثر ملاءمة للتطبيقات المستقبلية للدوائر الكمومية واسعة النطاق. ومع ذلك، فحتى المعالج الكمي الأكثر تقدمًا القائم على الدوران يسمح حاليًا بالتحكم الشامل لستة بتات كمومية للإلكترون في السيليكون (Si). هذه ويتبعه عن كثب عرض توضيحي لأربعة بتات مع وجود ثقوب في الجرمانيوم. 

في هذه الدراسة، استخدم الباحثون كيوبتًا يستخدم دوران الإلكترون أو الثقب. تدور كل من الإلكترونات والثقوب وتتخذ إما الحالة العلوية أو السفلية. 

يمكن التحكم في دوران الثقب، مقارنة بسبينات الإلكترون، كهربائيًا بالكامل دون الحاجة إلى انحطاط مداري أو مكونات إضافية مثل المغناطيسات الدقيقة الموجودة على الرقاقة، والتي تضيف تعقيدًا إلى المعادلة. هذه ويرجع ذلك إلى تفاعلهم المداري الجوهري (SOI). تستفيد الثقوب أيضًا من انخفاض التفاعل فائق الدقة وغياب الوادي.

على هذا النحو، توضح الدراسة القدرة على التحكم كهربائيًا في التبادل وإجراء دوران مشروط خلال 24 نانوثانية. لم يعد التبادل هاميلتونيان له شكل هايزنبرغ ويمكن تصميمه لتمكين بوابات الدوران التي يتم التحكم فيها ثنائي الكيوبت دون التضحية بالسرعة من أجل الدقة أو العكس. وفقا للبحث:

"ينطبق هذا السلوك المثالي على نطاق واسع من اتجاهات المجال المغناطيسي، مما يجعل المفهوم قويًا فيما يتعلق بالاختلافات من الكيوبت إلى الكيوبت، مما يشير إلى أنه نهج مناسب لتحقيق حاسوب كمي واسع النطاق."

تشير هذه الدراسة إلى إمكانية ترتيب الملايين من البتات الكمومية المغزلية على شريحة واحدة فقط. يُظهر نهجها أيضًا إمكانية كبيرة لتطوير كمبيوتر كمي واسع النطاق.

هناك حاجة إلى تحسينات مستقبلية في تصنيع الأجهزة لتقليل التباين. عند دمجها مع النقاط الجيدة للدوران المتحكم فيه (CROT)، فإن هذه التطورات "ستجعل عمليات بوابة ثنائية الكيوبت مع تبادل متباين الخواص جذابة للغاية لمصفوفات الكيوبت واسعة النطاق".

التقدم البحثي، إذا تم دمجه مع القراءة السريعة والتشغيل فوق 1 كلفن، يمكن أن يسمح لـ FinFET بذلك يستخدم كمعالج كمي عالمي مرتب على شريحة تستخدم في إلكترونيات التحكم الكلاسيكية.

الشركات المشاركة في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية

الآن، دعونا نلقي نظرة على الشركات التي تعمل بنشاط على أجهزة الكمبيوتر الكمومية:

# 1. IBM

كانت شركة IBM رائدة في مجال أبحاث الحوسبة الكمومية لسنوات عديدة وقامت بتطوير نظام IBM Q System One، وهو أول كمبيوتر كمي تجاري قائم على الدوائر. توفر الشركة إمكانية الوصول إلى أنظمتها الكمومية من خلال منصة IBM Quantum Experience. 

في وقت سابق من هذا الشهر، كشفت شركة IBM النقاب عن معالجها الكمي Condor الذي تبلغ سعته 1,000+ كيوبت، ومعالجها واسع النطاق IBM Quantum Heron الذي يحتوي على 133 كيوبت. كما أعلنت عن إطلاق حاسوب كمي معياري، Quantum System Two. وفي الوقت نفسه، من خلال حزمة البرامج Qiskit، تهدف IBM إلى جعل تطوير الحوسبة الكمومية متاحًا على نطاق واسع.

أعلن مختبر الأبحاث الوطني الياباني RIKEN هذا العام أنه سيقوم بنشر معالج الكم وهندسة الكمبيوتر الكمي من IBM للتكامل مع الحاسوب العملاق Fugaku. 

استخدم الأبحاث الأخيرة للشركة في الميدان في الوقت نفسه يشمل:

• ذاكرة كمومية عالية العتبة ومنخفضة التحمل ومتسامحة مع الأخطاء.
• تشفير الحالة السحرية بدقة لا مثيل لها.
• محاكاة سلاسل الدوران الكمومية كبيرة الحجم على أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل القائمة على السحابة.

وفي وقت كتابة هذا التقرير، يتم تداول أسهم الشركة عند 167.36 دولارًا أمريكيًا، بزيادة 2.33% منذ بداية العام حتى تاريخه، في حين تبلغ قيمتها السوقية 153.73 مليار دولار أمريكي. أعلنت شركة IBM عن إيرادات (TTM) قدرها 62.07 مليار دولار أمريكي، وربحية السهم (TTM) 9.19، وسعر الربحية (TTM) 18.22. عائد الأرباح 3.99% 

خلال تقاريرها المالية الأخيرة للربع الأول من عام 1، شهدت شركة IBM زيادة في إيراداتها بنسبة 2024% على أساس سنوي خلال الربع إلى 1.5 مليار دولار وتدفق نقدي مجاني قدره 14.5 مليار دولار. تشير الشركة إلى أن "إيراداتها القوية ونمو التدفق النقدي الحر" يعكس قوة إستراتيجيتها السحابية والذكاء الاصطناعي.

# 2. جوجل 

في عالم الحوسبة الكمومية، تُحرز جوجل تقدمًا ملحوظًا من خلال مختبر الذكاء الاصطناعي الكمومي التابع لها، والذي يعمل على كلٍّ من الأجهزة والبرمجيات. قبل بضع سنوات، أطلق القسم معالج Sycamore، وهو معالج كمي بسعة 53 كيوبت. حاليًا، تُركز أجهزة عملاق التكنولوجيا على الكيوبتات فائقة التوصيل، بينما تستكشف حزمة برامجه المتقدمة قوة الحوسبة الكمومية. 

منذ بضعة أشهر، أطلقت Google مسابقة عالمية متعددة السنوات للعثور على حالات استخدام حقيقية للحوسبة الكمومية مع جائزة قدرها 5 ملايين دولار، والتي سيتم تقسيمه بين المتأهلين للتصفيات النهائية. لاحظت جوجل في مارس:

"في حين أن هناك العديد من الأسباب التي تدعونا للتفاؤل بشأن إمكانات الحوسبة الكمومية، إلا أننا لا نزال في جهل إلى حد ما بشأن النطاق الكامل لكيفية ومتى ولأي مشاكل في العالم الحقيقي ستثبت هذه التكنولوجيا أنها الأكثر تحولاً." 

أحدث إصدار للشركة بحث يتضمن هذا المجال قمع الأخطاء الكمومية عن طريق قياس الكيوبت المنطقي للرمز السطحي، وانتقال الطور في أخذ عينات من الدوائر العشوائية، والتشابك الناتج عن القياس والنقل الآني على معالج كمي صاخب.

حتى وقت كتابة هذا التقرير، يتم تداول أسهم الشركة عند 107.48 دولارًا، بزيادة 21.94٪ منذ بداية العام، في حين تبلغ القيمة السوقية لها 2.12 تريليون دولار. أعلنت Google عن إيرادات (TTM) قدرها 218.14 مليار دولار أمريكي، في حين أن ربحية السهم (TTM) تبلغ 6.52 ونسبة السعر إلى الربحية (TTM) 26/13. ويدفع عائد توزيعات أرباح بنسبة 0.47٪. 

أعلنت الشركة عن أرباح الربع الأول من عام 1، حيث حققت إيراداتها ارتفاعًا بنسبة 24% لتصل إلى 13 مليار دولار أمريكي، وصافي دخل قدره 86.3 مليار دولار أمريكي، بالإضافة إلى أول توزيع أرباح على الإطلاق بقيمة 20.28 دولارًا أمريكيًا للسهم الواحد. وفي ربيع عام 20، بلغت قيمتها السوقية مستوى قياسيًا جديدًا بلغ 2024 تريليون دولار أمريكي، مما جعلها رابع أكبر شركة عامة قيمةً في العالم.

خاتمة

لقد كان هناك سباق لبناء حاسوب كمي وظيفي، وهو ما ساهم فيه الباحثون مركزة على فهم الكيوبتات والعمل مع تقنيات الكيوبتات المختلفة. تعتبر الكيوبتات أساس الكمبيوتر الكمي لأنها تتعامل مع جميع عمليات معالجة البيانات ونقلها وتخزينها. ومن ثم، فإن جميع الأبحاث تدور حول الكيوبتات، بما في ذلك أحدث اثنتين تم تناولهما هنا، والتي تهدف إلى المساعدة في بناء حاسوب كمي عملي.

انقر هنا للحصول على قائمة أفضل خمس شركات للحوسبة الكمومية.