تقدم حاسم على الطريق المؤدي إلى بناء الكمبيوتر الكمي

يكشف العلماء في شركة IBM عن ابتكارين مهمين، يجعلاننا أقرب إلى التنفيذ الفعلي لفكرة الكمبيوتر الكمي. ولأول مرة، أثبت هؤلاء الباحثون القدرة على اكتشاف وقياس نوعين مختلفين من الأخطاء الكمومية في وقت واحد. وفي الوقت نفسه، قدم الباحثون تصميمًا لدائرة الرقائق الكمومية، وهي البنية الوحيدة التي يمكن توسيع نطاقها بنجاح إلى أبعاد أكبر.

يكشف العلماء في شركة IBM عن ابتكارين مهمين، يجعلاننا أقرب إلى التنفيذ الفعلي لفكرة الكمبيوتر الكمي. ولأول مرة، أثبت هؤلاء الباحثون القدرة على اكتشاف وقياس نوعين مختلفين من الأخطاء الكمومية في وقت واحد. وفي الوقت نفسه، قدم الباحثون تصميمًا لدائرة الرقائق الكمومية، وهي البنية الوحيدة التي يمكن توسيع نطاقها بنجاح إلى أبعاد أكبر.

ومع اقتراب قانون مور من حد التصغير المحتمل في عالم السيليكون التقليدي، من المتوقع أن تكون الحوسبة الكمومية واحدة من الاختراعات التي قد تبشر بعصر جديد من الابتكار. تفتح أجهزة الكمبيوتر الكمومية إمكانيات جديدة في مجالات التحسين والمحاكاة، والتي لا يمكن الوصول إليها باستخدام أجهزة الكمبيوتر التي نعرفها اليوم. إذا كان من الممكن بناء حاسوب كمي يتضمن 50 بت كمومي فقط (50 كيوبت) فإن هذا الحاسوب المنفرد سيكون أقوى من أي مجموعة مشتركة من أقوى 500 حاسوب عملاق في العالم تعمل اليوم.

تم عرض اختراق IBM في العدد الأخير من المجلة العلمية Nature Communications، ولأول مرة يعرض إمكانية تشخيص وقياس نوعين مختلفين من الأخطاء الكمومية (bit-flip، وphase-flip)، والتي ستحدث في الكمبيوتر الكمي الحقيقي. حتى اليوم، كان من الممكن التعامل مع نوع واحد فقط من النوعين في كل قياس - ومع ذلك، لم يتم قياس الاثنين في نفس الوقت. ويعد مثل هذا القياس خطوة أساسية من أجل بناء آلية تصحيح الخطأ الكمي، وهو مطلب أساسي في بناء حاسوب كمي موثوق على نطاق واسع.

تعتمد الدائرة الكمومية المبتكرة والمعقدة التي قدمتها شركة IBM على شبكة مربعة مكونة من أربع بتات كمومية ذات خصائص فائقة التوصيل، موجودة على شريحة يبلغ حجمها حوالي ربع بوصة مربعة، وتجعل من الممكن تحديد وقياس الأخطاء الكمومية عند نفس الوقت. إن اختيار البنية المربعة، بدلاً من المصفوفة التسلسلية التي تمنع الكشف المتزامن عن الأخطاء، يمثل أعلى إمكانية لتوسيع نطاق الشريحة الكمومية، عن طريق إضافة البتات الكمومية حتى بناء نظام حوسبة كمي فعال.
إذا كانت الأبحاث التقليدية في الماضي في مجال الحوسبة الكمومية تركز على التطبيقات في مجالات التشفير، فإن شركة IBM اليوم تؤمن بقدرة الأنظمة المبنية على الجسيمات الكمومية على تحليل وحل المشكلات في مجالات الفيزياء وكيمياء الكم، وهو ما لا يمكن حله. حل اليوم. وقد تكون لهذه القدرات إمكانات هائلة في مجالات أبحاث المواد أو تصميم الأدوية، مما يفتح بوابة إلى عالم جديد من التطبيقات.
وهكذا، على سبيل المثال، في مجالات الفيزياء والكيمياء، قد تسمح الحوسبة الكمومية للعلماء بتصميم مواد جديدة أو أدوية جديدة - دون الحاجة إلى عمل مختبري باهظ الثمن يتم إجراؤه بتنسيق التجربة والخطأ، وبالتالي تحمل في طياتها الإمكانات لتسريع وتيرة الابتكار بشكل كبير في سلسلة طويلة من المجالات الصناعية.
في عالم يتعامل مع كميات هائلة من البيانات الضخمة، ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على فرز وتنظيم قواعد بيانات أكبر بسرعة من أي وقت مضى، بالإضافة إلى كميات ضخمة من المعلومات غير المنظمة من مختلف الأنواع. قد تغير هذه القدرات الطريقة التي يتخذ بها البشر القرارات، بالإضافة إلى عمليات الاكتشاف المهمة في مجموعة متنوعة من مجالات البحث الصناعية.

أحد أكبر التحديات التي تواجه العلماء الذين يسعون للاستفادة من القوة الكامنة في الحوسبة الكمومية يتعلق بالتحكم في التناقض الذي يميز الظاهرة الكمومية، والقضاء على تأثيرها على نظام الحوسبة. ويرجع هذا التناقض إلى تكوين أخطاء حسابية ناجمة عن التأثير المتقاطع لعوامل مثل الحرارة والإشعاع الكهرومغناطيسي والعيوب في المواد. وللأخطاء أهمية خاصة في الآلات الكمومية، حيث أن المعلومات الكمومية حساسة بشكل خاص لأي خطأ من هذا القبيل.

الأعمال السابقة في هذا المجال، والتي كانت تعتمد على مجموعة خطية من البتات الكمومية، لم تكن قادرة على التعامل في وقت واحد مع ظاهرتي عكس البت وانعكاس الحالة. النتائج التي تم الحصول عليها في المصفوفة الكمومية المربعة من IBM تحرك الباحثين إلى ما هو أبعد من هذه العقبة، وذلك بفضل إمكانية تحديد موقع كلا النوعين من الأخطاء الكمومية في وقت واحد لأول مرة، بطريقة يمكن توسيعها لتشمل أنظمة أكبر أيضًا.

لاكتشاف الأخطاء الكمومية
إن أهم المعلومات الأساسية التي يفهمها الكمبيوتر النموذجي هي القليل من المعلومات. على غرار الضوء، الذي يمكن التبديل بين التشغيل والإيقاف، يمكن للبت العادي أن يحتوي على قيمتين فقط: "0" أو "1". ومع ذلك، فإن الشريحة الكمومية قادرة على عرض كل من هذه المصفوفات، بالإضافة إلى كليهما معًا، في نفس الوقت. هذه الظاهرة، التي سُميت بالتراكب الكمي، يُطلق عليها ببساطة "0+1". يعد تحديد هذا التداخل أمرًا مهمًا، لأن العلاقة بين الحالتين "0" و"1" تشكل في الواقع أساس عالم الحوسبة بأكمله كما هو معروف لنا اليوم. سيسمح الوضع المتداخل بتقصير الوقت اللازم للمعالجة وإيجاد حلول للمشكلات المعروضة على الكمبيوتر بشكل كبير، وذلك بفضل إمكانية تقليل عدد حركات المعالجة المطلوبة لإجراء كل عملية حسابية.

ضمن وضع التداخل، قد يتم اكتشاف نوعين من الأخطاء: الأول هو عكس البت، حيث يتم استبدال "0" بـ "1" والعكس صحيح. وهنا، فإن الوضع يشبه انقلاب شريحة معروفة في عالم الحوسبة الحالي، وقد أظهرت الأعمال السابقة بالفعل كيفية تشخيص مثل هذا الانقلاب الذي يحدث في شريحة كمومية. ومع ذلك، فإن هذا لا يكفي لتقديم آلية تصحيح الخطأ الكمي، لأنه إلى جانب عكس البتات، قد يحدث أيضًا انعكاس الحالة: هنا، هو عكس علاقة الطور بين 0 و1 في حالة تداخل. يجب اكتشاف كلا النوعين من الأخطاء في وقت واحد للسماح لآلية تصحيح الأخطاء بالعمل بشكل صحيح.

والمعلومات الكمومية حساسة بشكل خاص، لأن جميع التقنيات المعروفة للبتات الكمومية معرضة لفقدان المعلومات في كل تفاعل مع المادة أو الإشعاع الكهرومغناطيسي. لقد حدد العلماء النظريون طرقًا للحفاظ على المعلومات لفترة أطول بكثير، عن طريق تشتيت المعلومات بين العديد من البتات الكمومية. "الرمز السطحي" هو أسلوب لطريقة محددة لتصحيح الأخطاء تعمل على نشر المعلومات الكمومية بين عدد كبير من البتات الكمومية. تسمح هذه الطريقة فقط لأقرب بتة بتشفير بتة كمومية منطقية واحدة، بطريقة تخلق مصفوفة مستقرة بما يكفي للعمل دون أخطاء.

استخدم فريق بحث IBM مجموعة متنوعة من التقنيات لقياس حالة اثنين من متلازمات البت الكمومي المستقلة. כיוון שסיביות קוונטיות אלו ניתנות לתכנון ולייצור תוך שימוש בטכנולוגיות סיליקון סטנדרטיות, צופה יבמ כי ברגע שבו ניתן יהיה לייצר קומץ סיביות קוונטיות באופן אמין וסדרתי, ולשלוט בסיביות אלו ברמת שגיאות נמוכה, תוסר המשוכה הבסיסית, המונעת הפעלת מערך תיקון שגיאות בסריג סיביות קוונטיות בקנה מידה גדול كثير.