علماء معهد وايزمان للعلوم يقدمون أول حاسوب كمي إسرائيلي؛ وفي بنائه، تم تطبيق أساليب مبتكرة من شأنها أن تساعد في تقدم المجال نحو قدرات حسابية غير مسبوقة
تشرين الأول (أكتوبر) 1955: تم افتتاح "فيتساك"، أول جهاز كمبيوتر في إسرائيل وأحد الأوائل في العالم، في معهد وايزمان للعلوم. وبعد 67 عامًا، تم تسجيل فصل جديد في تاريخ الحوسبة في إسرائيل في معهد وايزمان: في مختبر البروفيسور. روي أوزيري تم تطوير كمبيوتر كمي عالمي - واحد من حوالي 30 جهاز كمبيوتر كميًا في العالم وأقل من 10 في تقنية مصيدة الأيونات. يعمل الباحثون هذه الأيام على المشروع التالي: كمبيوتر كمي أكبر سيكون قادرًا على إظهار "الميزة الكمية" - القدرة على إجراء حسابات لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر العادية، مهما كانت قوتها، القيام بها. هذه القدرات هي الكأس المقدسة للمجال بأكمله، حيث من المتوقع أن تمكن العديد من التطبيقات في المستقبل - من فك الشفرات والتنبؤ المالي، من خلال قفزة إلى الأمام في الذكاء الاصطناعي إلى تطوير أدوية ومواد جديدة. تكريمًا لـ "Weizk"، سيتم تسمية الجيل القادم من الكمبيوتر الكمي باسم WeizQC.
لقد اعتمد التقدم البشري في المائة عام الماضية على أجهزة الكمبيوتر. ومع ذلك، فإن آلاتنا الحاسبة، مثلنا تمامًا، مقيدة بقوانين الفيزياء الكلاسيكية. ويشكل هذا القيد سقفا زجاجيا لا يسمح بقفزة حسابية من شأنها أن تقدم البشرية على العديد من الجبهات. من ناحية أخرى، تخضع آلات الحوسبة الكمومية لقوانين مختلفة تمامًا - قوانين نظرية الكم التي تحكم عالم الجسيمات المجهرية. إذا كان في العالم الذي نعرفه، يمكن بالضرورة لشخص أو كائن أو جزء من جهاز كمبيوتر أن يكون في حالة واحدة، أو في مكان واحد، فإن البتات الكمومية، التي تسمى بمودة الكيوبتات، يمكن أن تكون في أكثر من حالة واحدة في نفس الوقت. هذه الحقيقة الفيزيائية المذهلة تفتح الباب أمام قوة حسابية هائلة - أعظم بلا حدود من أقوى جهاز كمبيوتر في عالمنا.
يقول البروفيسور أوزاري، الذي كان أحد رواد هذا المجال في إسرائيل عندما عاد قبل 15 عامًا من مرحلة ما بعد التخرج: "إن الحوسبة الكمومية هي وعد علمي تكنولوجي كان، حتى سنوات قليلة مضت، يقتصر على مختبرات الأبحاث الجامعية". بحث الدكتوراه في الولايات المتحدة الأمريكية تحت إشراف الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء ديفيد واينلاند. "قبل حوالي سبع أو ثماني سنوات، اخترق الوعد حدود الأوساط الأكاديمية وبدأ سباق سريع لبناء كمبيوتر كمي، مع وجود عمالقة مثل Google وAmazon وIBM في المقدمة. وفي الوقت نفسه، أطلقت قوى مثل الصين والولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي أيضًا خططًا استراتيجية ذات ميزانية عالية لتعزيز هذا المجال.
وعلى الرغم من الميزانيات الضخمة وحشد أقوى الهيئات في العالم، فإن الطريق إلى حاسوب كمي ذي قدرات كبيرة، حتى اليوم، لا يزال مليئًا بالعقبات. ومن أبرز العوائق في هذا المجال هي الحساسية الكبيرة للحواسيب الكمومية للضوضاء البيئية، وما ينتج عنها من صعوبة في بناء أنظمة حاسوبية كبيرة ومعقدة. في المقالة نشرت اليوم في المجلة العلمية PRX الكم ويقدم الباحثون بقيادة الدكتور توم مانوفيتش والطالب البحثي يوتام شابيرا ابتكارين يواجهان هذه التحديات وتم تنفيذهما بنجاح في بناء الكمبيوتر الكمي في مختبرهم.
الحذر، الفخ
على عكس أجهزة الكمبيوتر التي نعرفها والتي تم تصميمها جميعًا بنفس التقنية، يوجد حاليًا منافسة بين التقنيات المختلفة على المركز الأول في الحوسبة الكمومية. إحدى المطالبات البارزة بالتاج هي تقنية المصائد الأيونية، حيث يشكل كل أيون - أي ذرة ذات شحنة كهربائية - كيوبتًا واحدًا. على غرار البتات التي يمكنها التبديل بين حالة وأخرى (0 أو 1)، يمكن للبتات الكمومية القائمة على الأيونات أيضًا التبديل بين الحالات المختلفة التي يمثلها المدار حول نواة الإلكترون في الغلاف الخارجي للأيون. في حين أن الانتقال في الكمبيوتر العادي يتم من خلال تيار كهربائي، فإن ومضات الليزر في المصائد الأيونية هي التي تحرك الكيوبتات بين حالاتها المختلفة. تسمى هذه العمليات على الكيوبتات بالبوابات المنطقية. لإجراء حسابات معقدة، يجب إجراء العمليات على أكثر من كيوبت واحد، لكن هذا عرضة لكارثة وقد يؤدي إلى فقدان الطبيعة الكمومية للنظام. ولتحقيق هذه الغاية، طور الباحثون نمطًا لاستخدام ومضات الليزر الذي يسمح بإنشاء بوابات منطقية كمومية أكثر مقاومة للضوضاء البيئية. يقول البروفيسور أوزاري: "إن استخدام البوابات المتينة يسمح لنا بجلب الكمبيوتر الذي قمنا بتطويره إلى مستوى أداء مماثل لما يمكن العثور عليه اليوم في العالم التجاري".
ومع ذلك، حتى عندما تكون البوابات المنطقية أكثر متانة، فإن الحساسية العالية للنظام ستؤدي في النهاية إلى تراكم الأخطاء والخسارة السريعة للميزة الكمية. وبالتالي، فإن إحدى الركائز المهمة في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية هي القدرة غير التافهة على إجراء تصحيح الأخطاء. لتصحيح خطأ ما، يجب على المرء أولاً تحديده، أي قياس الكيوبتات، لكن القياس عملية عدوانية ستؤدي حتماً إلى فقدان الشخصية الكمومية. الحل لهذا هو قياس بعض الكيوبتات، وليس كلها. في الأنظمة القائمة على الأيونات، يتم قياس الكيوبتات باستخدام الأنظمة البصرية: يتم إضاءة الأيونات بالليزر، ووفقًا لتشتت الضوء (أو عدمه) تعرف كيفية التمييز بين الحالات المختلفة للبتات الكمومية. . وفي الكمبيوتر الذي تم تطويره في المعهد، بدلًا من أجهزة الكشف التقليدية للضوء التي تقيس كل أيون على حدة وتتيح المعالجة السريعة للمعلومات، استخدم العلماء مصفوفة قائمة على الكاميرا تسمح بقراءة جميع الكيوبتات في نفس الوقت. ومن أجل الحفاظ على الطبيعة الكمومية للنظام، قام الباحثون بإخفاء بعض الكيوبتات من الكاميرا وتغلبوا على بطء معالجة البيانات من خلال تطوير نظام سريع من الدوائر الإلكترونية التي تجعل من الممكن قراءة بيانات الكاميرا ومعالجة المعلومات وصنعها. القرارات المبنية على نتائج القياس.
يشتمل الكمبيوتر الكمومي الذي قمنا ببنائه في مختبر البروفيسور أوزاري حاليًا على خمسة كيوبتات - على غرار أجهزة الكمبيوتر التي تم إطلاقها في خدمات الكمبيوتر الكمومي السحابية من شركة IBM. ومن المخطط أن يشتمل الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر التي يتم تصنيعها هذه الأيام على 64 كيوبت، ومن المتوقع أن يتيح عرض الميزة الكمية - وهي الميزة التي تم إثباتها حتى الآن في جهازي كمبيوتر فقط: في مختبرات جوجل وفي الصين.
على الرغم من المكانة التي اكتسبتها إسرائيل في العقود الأخيرة كزعيم تكنولوجي، يعتقد الكثيرون حتى اليوم أنه من أجل أن تكون لاعبا في السباق الدولي للحاسوب الكمي، فإن قدرات القوة الاقتصادية مطلوبة - وهي قدرات على ما يبدو لا تتناسب مع ذلك. معايير إسرائيل. البروفيسور أوزيري غاضب من هذا التصور: "في إسرائيل في الخمسينيات، عندما كانت هناك جمال ومستنقعات هنا، قاموا ببناء أحد أول أجهزة الكمبيوتر في العالم هنا. اليوم، إسرائيل هي إمبراطورية تكنولوجية وليس هناك سبب يمنعنا من أن نكون في طليعة السباق نحو الكمبيوتر الكمي.
شارك في بناء الحاسوب الكمومي الدكتور توم مانوفيتش، يوتام شابيرا، ليئور غازيت، د. نيتسان أكرمان وغيرهم من الباحثين وطلبة الأبحاث من مختبر البروفيسور روي أوزاري في قسم فيزياء الأنظمة المعقدة. أما الجانب النظري للمشروع فقد أشرف عليه البروفيسور آدي ستيرن من قسم فيزياء المواد المكثفة في المعهد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
