قفزات الحوسبة الكمية إلى الأمام مع رقاقة “عنب الثعلب” الجديدة
تم اتخاذ خطوة نحو هندسة جيل جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية القوية من قبل فريق من العلماء والمهندسين في جامعة سيدني ومايكروسوفت و EQUS ، مركز التميز التابع لمجلس البحوث الأسترالي لأنظمة الكم الهندسية.
اخترع الفريق ، الذي نشر النتائج التي توصلوا إليها في عدد 25 يناير من مجلة Nature Electronics ، شريحة كمبيوتر مبردة قادرة على العمل في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق ، والتي يمكن أن تمكن محصولًا جديدًا من أجهزة الكمبيوتر الكمومية عالية الأداء القادرة على إجراء العمليات الحسابية بآلاف الكيوبتات. ، او اكثر.
الكيوبتات هي المكافئ الكمي للبتات المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر التقليدية. نظرًا لأن الكيوبتات ليست ثنائية – فهي لا تعالج المعلومات باستخدام الأصفار والآحاد – فهي قادرة على أداء أسرع بكثير. ومع ذلك ، ولأسباب متنوعة ، لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، حتى الآن ، استيعاب سوى بضع عشرات من الكيوبتات. هذا هو السبب في أن شريحة cryo الجديدة ، المسماة Gooseberry ، تمثل طفرة كبيرة.
قال تشارلز كينج ، المحلل الرئيسي في Pund-IT ، وهي شركة استشارية تكنولوجية ، في هايوارد ، كاليفورنيا . أخبر TechNewsWorld.
أوضح البروفيسور ديفيد ريلي ، رئيس الباحثين في EQUS ، في بيان أنه لتحقيق إمكانات الحوسبة الكمومية ، ستحتاج الآلات إلى تشغيل آلاف إن لم يكن ملايين الكيوبتات.
وتابع: “تعمل أكبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية في العالم حاليًا بـ 50 كيوبت أو نحو ذلك”. “هذا المقياس الصغير يرجع جزئيًا إلى حدود البنية المادية التي تتحكم في الكيوبتات.”
وأكد أن “رقاقاتنا الجديدة تضع حداً لهذه الحدود”.
تجميد الخروج من الأخطاء
تتطلب معظم أنظمة الكم كيوبت لتعمل في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية). هذا يمنعهم من فقدان “الكم” ، صفة المادة أو الضوء التي تحتاجها الحواسيب الكمومية لأداء حساباتها المتخصصة.
أوضح هيذر ويست ، كبير محللي الأبحاث في IDC: “يمكن للبيئة أن تؤثر على الكيوبتات قليلاً” .
وقالت لـ TechNewsWorld: “عندما يتأثرون ، يمكن إدخال الأخطاء”. “من خلال خفض درجة حرارة البيئة إلى درجة حرارة شديدة البرودة ، يساعد ذلك في القضاء على الأخطاء.”
وتابعت: “كلما زاد عدد وحدات البت لديك ، كان أداء جهاز الكمبيوتر لديك أفضل. والمشكلة هي أنه عندما تبدأ الكيوبتات في العمل مع بعضها البعض – وهي عملية تسمى التشابك – لأنها غير مستقرة للغاية ، فيمكنها البدء في العمل بشكل غير صحيح ، أو غير متماسك. كلما توسع ، يزداد فك الترابط. ”
وأضافت أن هناك ميزة أخرى للعمل بالقرب من الصفر المطلق. وقالت: “لتحقيق درجات حرارة فائقة البرودة ، تحتاج إلى العمل في فراغ ، مما يساعد على تقليل التأثيرات البيئية على الكيوبتات”.
عش الطيور المذهب
كما هو الحال مع أي جهاز كمبيوتر ، من أجل القيام بأي شيء مفيد ، تحتاج الأجهزة الكمومية إلى تعليمات. وهذا يعني إرسال واستقبال الإشارات الإلكترونية من وإلى الكيوبتات. مع الهندسة الكمومية الحالية ، يتضمن ذلك الكثير من الأسلاك.
قال ريلي: “تخلق الآلات الحالية مجموعة جميلة من الأسلاك للتحكم في الإشارات. تبدو وكأنها عش أو ثريا لطيور مذهب مقلوب”.
وتابع: “إنهم جميلون ، لكنهم في الأساس غير عمليين”. “هذا يعني أنه لا يمكننا توسيع نطاق الآلات لإجراء عمليات حسابية مفيدة. هناك اختناق حقيقي بين المدخلات والمخرجات.”
مع عنب الثعلب يتم التخلص من جميع الأسلاك. وقال كوشال داس ، كبير مهندسي الأجهزة في مايكروسوفت ، وهو مخترع مشترك للشريحة ، في بيان: “بوجود سلكين فقط يحملان المعلومات كمدخلات ، فإنه يمكن أن يولد إشارات تحكم لآلاف من الكيوبتات”.
قارن رايلي الحالة الحالية للحوسبة الكمومية بمرحلة ENIAC للحوسبة في الأربعينيات من القرن الماضي ، عندما كان الكمبيوتر يحتاج إلى غرف لأنظمة التحكم ، عندما تفعل أي شيء مفيد.
قال رايلي: “ربما تواجه صناعتنا تحديات أكبر لنقل الحوسبة الكمية إلى ما بعد مرحلة ENIAC”.
وتابع: “نحتاج إلى هندسة رقائق سيليكون شديدة التعقيد تعمل عند 0.1 كلفن”. “هذه بيئة أكثر برودة 30 مرة من الفضاء السحيق.”
نظام تحكم الكم الحقيقي
يشير سيباستيان باوكا إلى أن التشغيل في درجات الحرارة الباردة هذه يعني أن النظام يحتاج إلى العمل بميزانية طاقة منخفضة بشكل لا يصدق ، حيث تم استخدام أبحاث الدكتوراه في جامعة سيدني لربط الأجهزة الكمومية بالشريحة.
وأوضح في بيان “إذا حاولنا زيادة القوة في النظام ، فإننا نزيد من سخونة كل شيء”.
لتحقيق نتائجهم ، قام الفريق ببناء أكثر الدوائر المتكاملة تقدمًا للعمل في درجات حرارة شديدة البرودة.
وأوضح رايلي: “لقد فعلنا ذلك من خلال هندسة نظام يعمل بالقرب من الكيوبتات دون الإخلال بعملياتها”.
وتابع: “أنظمة التحكم الحالية للكيوبتات تتم إزالتها على بعد أمتار من الحركة ، إذا جاز التعبير”. “توجد في الغالب في درجة حرارة الغرفة.”
وقال: “في نظامنا ، لا يتعين علينا الخروج من المنصة المبردة”. “الرقاقة موجودة هناك مع الكيوبتات. وهذا يعني طاقة أقل وسرعات أعلى. إنه نظام تحكم حقيقي لتقنية الكم.”
سباق الحاسوب الكم
أشار كينج إلى أن الحوسبة الكمومية لا تزال في مهدها. قال: “ما زلنا في الأيام الأولى ، سواء من حيث بناء أنظمة الكم التجارية أو في تعلم كيفية البرمجة والعمل معها”.
وأضاف: “لقد تم تحقيق بعض الأشياء العظيمة ، ولكن لا يزال هناك الكثير من الأرضية التي يجب تغطيتها قبل أن تصبح الحوسبة الكمومية قابلة للتطبيق تجاريًا”.
تُستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية اليوم بشكل أساسي لحل مشاكل التحسين. قال ويست: “يمكن العثور على هذه المشاكل في أي صناعة تقريبًا”.
أشار Hodan Omaar ، محلل السياسات في مركز ابتكار البيانات ، وهو مركز أبحاث يدرس تقاطع البيانات والتكنولوجيا والسياسة العامة في واشنطن العاصمة ، إلى أنه في اليابان ، يتم استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتحسين التقاط القمامة.
وفي الوقت نفسه ، تستخدم فولكس فاجن الحوسبة الكمية لتحسين اختيار الأجزاء لسياراتها. وقالت لموقع TechNewsWorld: “لقد أظهروا أن استخدام الكمبيوتر الكمومي أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنة بالحاسوب التقليدي”.
وقالت: “بالنسبة لمجموعة صغيرة من التطبيقات – بشكل رئيسي مشاكل التحسين في الوقت الحالي – تُظهر أجهزة الكمبيوتر الكمومية أنها أفضل في حل بعض أنواع المشاكل”.
وأضاف ويست: “مع تحسن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، سيتم استخدامها لحل مشاكل أكثر تقدمًا في مجالات مثل الكيمياء والمستحضرات الصيدلانية”.
وتابعت: “لا يزال أمامنا طريق طويل ، ولكن عندما نصل إلى هناك ، سنحل الكثير من المشاكل المختلفة.”
إحدى تلك المشاكل هي بالفعل تأليب دولة ضد أخرى.
وأوضح عمر: “إذا تمكنت دولة ما من اكتشاف كيفية بناء كمبيوتر كمي كبير بما يكفي وآمن بدرجة كافية ، فيمكن استخدامه لكسر أي تشفير”.
قالت: “هذا خلق سباقًا على الكمبيوتر الكمي”. “إذا كنت بلدًا ، فيجب أن تكون في هذا السباق لأنه إذا كانت هناك دولة أخرى تعرفه أولاً ، فعندئذٍ لديك مشكلة أمن قومي ضخمة.