تشهد الحوسبة الكمومية، هذا المجال الواعد الذي يجذب اهتمام عشرات الشركات من الناشئة إلى عمالقة التكنولوجيا، تدفقًا مستمرًا من النتائج مع سعيها الحثيث نحو تحقيق الاستفادة العملية. في كثير من الأحيان، يتركز الاهتمام على التقنيات الجديدة والإنجازات الكبرى، مما قد يحجب حقيقة أن أي نجاح ضخم لا بد أن يُبنى على الكثير من التقدم التدريجي. خلال الأسابيع القليلة الماضية، أصدر عدد من الشركات تقارير مرحلية حول جهودها لتقريب هذه التقنيات من الاستخدام العام. ورغم أن أياً من هذه التقارير لا يمثل "اختراقًا كبيرًا" بحد ذاته، إلا أنها خطوات ضرورية للغاية لتقدم هذه التكنولوجيا، وتعكس العمل الشاق المطلوب لدفعنا نحو شيء مفيد وعملي.
مايكروسوفت وتقنية الكيوبتات الطوبولوجية
تعد Microsoft من الشركات القليلة التي تعمل على الكيوبتات (qubits) الطوبولوجية، والتي تعتمد على الفيزياء الفريدة التي تحدث عندما تكون الجسيمات محصورة. يعتمد نظام Microsoft على سلك فائق التوصيل رفيع موضوع فوق شبه موصل. في الموصلات الفائقة، تتشكل مجموعات من إلكترونين لتكوين أزواج كوبر (Cooper pairs). ولكن إذا احتوى السلك على عدد فردي من الإلكترونات الموصلة – مما يعني وجود إلكترون واحد غير مزدوج – فإنه سينتهي به المطاف إلى أن يصبح لا مركزيًا عند طرفي السلك. هذا هو السلوك الذي وصفه المنظرون، على الأقل.
قبل أن تتمكن الشركة من بناء كيوبتات استنادًا إلى هذا السلوك، كان عليها التأكد من أن السلوك يحدث بالفعل كما تنبأ به المنظرون. لم يكن الأمر سهلاً؛ فقد تم سحب بعض الأعمال المبكرة في هذا المجال لاحقًا، وقوبلت محاولات Microsoft لإظهار أن الفيزياء قوية ببعض الشكوك، حيث كان النظام الذي تعرضه صاخبًا جدًا (noisy). على الرغم من ذلك، وضعت الشركة خارطة طريق تعتمد على بناء الكيوبتات من أزواج هذه الأسلاك النانوية.
في هذا الأسبوع، أصدرت الشركة تحديثًا يفيد بتحسن كبير في الأداء من خلال تغيير المواد التي استخدمتها لصنع الكيوبتات الخاصة بها. في الإصدارات السابقة من أجهزتها، استخدمت الألومنيوم كموصل فائق (يتم الاحتفاظ بالأجهزة بالقرب من الصفر المطلق). وقد تم استبدال ذلك بالرصاص. كما أعيدت صياغة أشباه الموصلات الأساسية لتشمل بعض القصدير، مما أدى إلى تحسين اقتران الدوران المداري (spin-orbit coupling) بين إلكتروناته وتلك الموجودة في الرصاص.
تستخدم الأجهزة التي طورتها Microsoft سلكين متوازيين وتعتمد على قياس تكافؤ الزوج (كلاهما بإلكترون إضافي واحد، كلاهما بدون، أو حالة مختلطة) باستخدام نقاط كمومية (quantum dots). وكما ذكرنا، كان النظام الأصلي صاخبًا جدًا وغالبًا ما كان يغير حالة التكافؤ تلقائيًا كل 10 مللي ثانية أو أقل. ومع المواد الجديدة، يمكن أن تتجاوز حالة التكافؤ أحيانًا 20 ثانية. كان هذا النوع من الاستقرار هو دائمًا وعد الكيوبتات الطوبولوجية، ولهذا السبب التزمت Microsoft بهذا النظام في الأصل.
ومع ذلك، لا يزال أمام الشركة طريق طويل. فهي لا تزال بحاجة إلى إثبات القدرة على التحكم في التكافؤ بطريقة تسمح لها بإجراء عمليات حسابية على الكيوبتات الفردية وأزواجها. وعلى المدى الطويل، ستكون هناك قرارات يجب اتخاذها بشأن كيفية ربط الكيوبتات الفردية بطريقة تمكن من تصحيح الأخطاء. ولكن إذا صمدت هذه المخطوطة أثناء مراجعة الأقران، فيبدو أن رهان Microsoft على الأجهزة كان رهانًا قويًا.
تقدم Atom Computing في تصحيح الأخطاء الكمومية
تعد Atom Computing منافسًا لـ Microsoft وشريكًا في نفس الوقت، حيث يمكن الوصول إلى أجهزتها عبر خدمة Microsoft Azure Quantum Cloud. وقد عملت الشركتان معًا لتطوير البرامج والبروتوكولات اللازمة لإجراء تصحيح الأخطاء على أجهزة Atom. لا يمثل هذا "أجهزة" بالمعنى التقليدي للحوسبة، حيث تتضمن معظم المواد الصلبة الليزر والموجّهات الضوئية؛ وتتم الحوسبة باستخدام الدورانات النووية (nuclear spins) للذرات المحتجزة والمعلقة بواسطة مصفوفة من ضوء الليزر.
لا تزال Atom Computing تعمل على تطوير ما يشبه البنية المعمارية حيث توجد منطقة تخزين، ومنطقة عمليات، ومجموعة من الذرات الاحتياطية التي يمكن إحضارها في حالة فقدان إحدى الذرات الأخرى. يتم استخدام تكوين من الليزر يسمى "الملاقط البصرية" (optical tweezers) لتبديل الذرات بين هذه المواقع. وفي مخطوطة جديدة، تُظهر الشركة مدى أهمية وجود هذا الاحتياطي من الذرات الاحتياطية.
للحفاظ على حالتها وإبقائها في الفخاخ، يجب استخدام الليزر لتبريد الذرات، والتي تميل إلى السخونة أثناء العمليات. التبريد عملية بطيئة، لكن الفشل في القيام بذلك يميل إلى جعل الذرات الساخنة قادرة على القفز من مصائد الليزر التي تحبسها في شبكة، مما يؤدي بوضوح إلى حدوث أخطاء. لذلك، واجهت Atom Computing معضلة: كانت بحاجة إلى إجراء عمليات لتصحيح الأخطاء، لكن هذه العمليات جعلت الأخطاء أكثر احتمالًا.
كان حلها هو تحديد أنه يمكنها إجراء القياسات اللازمة لتصحيح الأخطاء بطريقة من شأنها تبديل ذرة احتياطية مبردة مسبقًا إلى كيوبت منطقي (logical qubit). أظهرت الاختبارات التي أجريت عن طريق قياس حالة كيوبت منطقي بشكل متكرر (مجموعة مرتبطة من كيوبتات تخزين البيانات واكتشاف الأخطاء) أن هذا أحدث فرقًا كبيرًا. أدى إجراء تصحيح الأخطاء على الكيوبت المنطقي دون تبديل الذرات الباردة إلى ارتفاع احتمالية الخطأ مع كل قياس متتالي. بينما أدى التبديل إلى الحفاظ على الاحتمالية ثابتة تقريبًا بمرور الوقت.
هذا لا يعني أن الكيوبت المصحح الخطأ كان مستقرًا تمامًا. في النهاية، لم يتمكن من استعادة أحد الأخطاء التي حدثت حتمًا لأن عددًا كبيرًا جدًا من ذراته الفردية غيرت حالتها في وقت واحد. لكن إجراء تصحيح الأخطاء العادي يمكن أن يحافظ على استقرار بعض هذه الكيوبتات المنطقية لما يصل إلى 90 جولة. مرة أخرى، هذا ليس جيدًا بما يكفي لأي نوع من الحسابات المعقدة. لكنه أقرب كثيرًا مما كانت عليه الشركة قبل تطوير هذه التقنية.
EeroQ وتجربة الإلكترونات على الهيليوم السائل
EeroQ هي شركة ناشئة تتبع نهجًا مميزًا للكيوبتات. يبحث عدد من الشركات في استخدام دوران الإلكترونات ككيوبتات لها، عادةً لأنه من السهل تصنيع رقائق يمكنها التحكم في الإلكترونات المحتجزة في النقاط الكمومية (quantum dots). تقوم EeroQ بصنع رقائقها بالعديد من البرك الصغيرة التي يمكن أن تحتوي على قطرة من الهيليوم السائل. عندما يتم وضع إلكترون على هذه القطرة، فإنه لا يجد مكانًا يذهب إليه لأن الهيليوم يكره حمل إلكترون إضافي. لذلك، يطفو الإلكترون الوحيد على السطح.
هذا أمر رائع، لكنه كان فيزياء راسخة منذ فترة طويلة قبل إطلاق الشركة. كانت المشكلة أنه لم يكتشف أحد طريقة للتفاعل مع الإلكترون بطرق مفيدة. مؤخرًا، أصدرت الشركة مخطوطة تصف إصدارًا جديدًا من شريحتها، يحتوي على مرنان صغير بجوار حوض الهيليوم المليء بالسائل. أظهروا أن هذا المرنان يمكن أن يقترن بحركة الإلكترون، الذي يتم منعه من الاصطدام بجدران الحوض بواسطة مجال كهربائي.
نظرًا لأن الحالات الحركية للإلكترون مكممة (quantized)، فإن المرنان يتخذ حالة واحدة أو اثنتين أثناء الإجراء التجريبي، وهو ما يمثل اللبنة الأساسية المحتملة للكيوبت. مرة أخرى، هذا بعيد كل البعد عن امتلاك أجهزة حوسبة وظيفية. ولكن مرة أخرى، هذا هو نوع العمل التدريجي المطلوب إذا كانت أي من هذه التقنيات ستفي بوعودها.
ماذا يعني هذا لك؟
على الرغم من أن هذه التطورات قد تبدو تقنية ومعقدة ولا ترتبط بشكل مباشر بحياتنا اليومية في الوقت الحالي، إلا أنها تشكل اللبنات الأساسية لمستقبل الحوسبة. كل خطوة صغيرة نحو تحسين استقرار الكيوبتات، أو كفاءة تصحيح الأخطاء، أو طرق التفاعل مع الجسيمات الكمومية، تقربنا أكثر من تحقيق الإمكانات الهائلة للحوسبة الكمومية.
في المستقبل، يمكن للحواسيب الكمومية أن تحدث ثورة في مجالات مثل اكتشاف الأدوية، وتصميم المواد الجديدة، و"الذكاء الاصطناعي" (AI)، وتحسين الأمان السيبراني من خلال تشفير أقوى أو تحليل أسرع للتهديدات. إن التغلب على التحديات الأساسية مثل الضوضاء وعدم الاستقرار في الكيوبتات هو المفتاح لفتح هذه الإمكانيات. ما نراه اليوم هو العمل الجاد الذي سيشكل الأساس للابتكارات الكبرى غدًا، وسيؤثر في نهاية المطاف على كل صناعة ونظام نستخدمه.
الخاتمة
يُظهر التقدم الأخير من Microsoft و Atom Computing و EeroQ أن طريق تطوير الحوسبة الكمومية هو طريق طويل ومكثف، يرتكز على البحث العلمي الدقيق والهندسة المبتكرة. كل "تحسين تدريجي" في استقرار الكيوبتات، أو في آليات تصحيح الأخطاء، أو في طرق التفاعل مع الظواهر الكمومية، هو خطوة حاسمة إلى الأمام. هذه الإنجازات، وإن لم تكن "اختراقات" إعلامية كبرى، فهي لا غنى عنها لبناء مستقبل تكنولوجي حيث يمكن للحوسبة الكمومية أن تفي بوعودها وتغير عالمنا.
المراجع:
John Brecher for Microsoft
