رقائق الفوتونيات القابلة للإنتاج بكميات كبيرة قد تفتح آفاق التوسع الكمي

توصل مهندسون من جامعة كولورادو في بولدر إلى خطوة أساسية في تبني الحوسبة الكمومية، ألا وهي قابلية التوسع. فالدقة المتناهية المطلوبة لإنشاء الأجهزة الكمومية لم تكن قابلة للتكرار على نطاق واسع، مما يعني أن تكاليفها لا تزال بعيدة عن متناول غالبية الناس.

لحسن الحظ، من المتوقع أن يتغير هذا الوضع في السنوات القادمة، حيث يستخدم هذا التطور الحديث أساليب تصنيع CMOS التقليدية لإنتاج رقائق كمومية مستقرة أصغر حجمًا وأقل تكلفة بكثير من أي شيء متوفر حاليًا. إليك ما تحتاج معرفته.

الحوسبة الكمومية مقابل الحوسبة الكلاسيكية: الفرق الفوتوني

على عكس الحواسيب التقليدية، لا تستخدم الحواسيب الكمومية البتات والرقائق التقليدية، بل تعتمد على التراكب الكمومي والكيوبتات لحل العمليات الحسابية. وتتمحور إحدى أكثر الطرق شيوعًا لبناء الحواسيب الكمومية حول استخدام مُعدِّلات الفوتونات الضوئية.

تُمكّن هذه الأجهزة الحواسيب الكمومية من استخدام الأيونات المحصورة أو الذرات المتعادلة كوحدات بت كمومية. وتتيح هذه الرقائق للمهندسين توجيه ليزر قابل للضبط نحو وحدات البت الكمومية، التي تنقل تعليمات التشغيل لإجراء العمليات الحسابية عبر تعديلات التردد.

معضلة قابلية التوسع: لماذا فشل الإنتاج الضخم

تُعاني أساليب التصنيع الحالية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية من عدة مشاكل، أبرزها صعوبة الإنتاج بكميات كبيرة. فهذه الرقائق بالغة الحساسية والدقة، ما يستدعي في أغلب الأحيان تصنيعها في المختبر بشكل فردي. وتعتمد طريقة التجميع الحالية على قيام المهندسين بتجميع معظم أجزاء الجهاز يدويًا.

إضافةً إلى ذلك، تدمج هذه الأجهزة أشعة ليزر عالية الطاقة لتوفير إمكانيات ضبط دقيقة للعديد من الكيوبتات. ولذلك، يجب أن تكون موثوقة ومقاومة للحرارة، خاصةً إذا أخذنا في الاعتبار أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية قد تستخدم آلاف الكيوبتات.

حدود عامل الشكل

تُعدّ رقائق الحوسبة الكمومية الحالية كبيرة الحجم للغاية بحيث لا يمكن استخدامها في معظم التطبيقات. فهي تتطلب تبريدًا فائقًا، ومسارات بصرية طويلة، وتصميمات كيوبتات متباعدة. صحيح أن هذا التصميم يُسهم في تقليل التشويش، إلا أنه يجعلها ضخمة للغاية مقارنةً برقائق الحاسوب التقليدية.

بالإضافة إلى ذلك، ستستخدم الأجيال القادمة من الحواسيب الكمومية عددًا أكبر من الكيوبتات، مما يعني أن أحدث الحواسيب الكمومية المتوفرة اليوم لا تزال مجرد قطرة في محيط مقارنةً بما سيكون متاحًا للجمهور خلال عقد من الزمن تقريبًا. ونتيجةً لذلك، سيتعين تصغير هذه الأجهزة إلى حجم معقول قبل أن تُعتمد على نطاق واسع.

الحرارة تدمر الحالة الكمومية

تُشكّل طاقة الليزر المستخدمة للتواصل مع الكيوبتات مشكلة أخرى، إذ تُولّد كمية كبيرة من الحرارة. لطالما مثّلت الحرارة عائقًا أمام أجهزة الحاسوب، بغض النظر عن تصميمها. مع ذلك، تعتمد الحواسيب الكمومية على الحفاظ على حالة كمومية دقيقة لإجراء العمليات الحسابية، ولذلك فهي تتطلب تبريدًا فائقًا. ونتيجةً لذلك، قد تُعطّل الحرارة هذه الأجهزة.

إنجازٌ رائد: دوائر ضوئية متوافقة مع تقنية CMOS

الدراسة "تعديل طور الضوء المرئي باستخدام الموجات الصوتية الضوئية بترددات جيجاهرتز في دائرة ضوئية مصنعة بتقنية CMOS،نُشر¹ في مجلة Nature Communications، يقدم نهجًا جديدًا تمامًا لإنتاج رقائق الكم الضوئية.

ينظر الكثيرون إلى هذه العملية الجديدة على أنها الخطوة الأولى نحو ثورة الحوسبة الضوئية. ويدمج هذا الجهاز، الذي يبلغ سمكه 100 ضعف سمك شعرة الإنسان، تقنيات معيارية لخلق مستوى جديد من الكفاءة والاستقرار.

يجمع هذا المعدل الطوري الصوتي البصري المصمم خصيصًا بتردد جيجاهرتز بين محول طاقة كهرضغطية ودليل موجي ضوئي، مما يقلل من عامل الشكل مع الحفاظ على بنية مقياس الطول الموجي.

مُعدِّل الطور البصري

يستطيع مُعدِّل الطور البصري المُطوَّر التحكم في ضوء الليزر باستخدام ترددات الميكروويف. تُحفِّز موجات الميكروويف الضوء على الاهتزاز مليارات المرات في الثانية، مما يُتيح ضبطًا دقيقًا، إلى جانب زيادة الاستقرار والكفاءة. ويعتمد المُعدِّل الصوتي البصري تحديدًا على دمج دليل موجي ضوئي مُثبَّت على مُحوِّل طاقة كهرضغطية.

تتيح تقنية تصنيع CMOS الإنتاج الضخم

لتحقيق متطلبات الحجم الدقيقة، قرر المهندسون تصنيع الجهاز على رقاقة سيليكون بقطر 200 مم، ثم قُطعت إلى 120 شريحة مختلفة. استخدمت هذه العملية منصة كهرضغطية بصرية ميكانيكية من نتريد الألومنيوم والسيليكون، مما مكّن المهندسين من استخدام تعديل الطور لإنشاء نطاقات جانبية بترددات جيجاهرتز على مدخل ليزر بطول موجي 730 نانومتر.

الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أنهم اعتمدوا على تقنيات تصنيع الرقائق القياسية لإنشاء الأجهزة، مما يعني أنه يمكن إنتاجها بكميات كبيرة في المستقبل، مما يفتح الباب أمام المزيد من الوصول إلى الحوسبة الكمومية.

عند مناقشة نهجهم، تحدث المهندسون عن كيف أن تصنيع CMOS هو ذروة التكنولوجيا القابلة للتطوير وكيف أن استخدامه كوسيلة لإنشاء رقائق الكم أمر بالغ الأهمية لمزيد من التبني.

على وجه التحديد، ناقش المهندسون كيف ساهمت هذه التقنية في جعل العديد من أجهزتك التقنية المفضلة ممكنة، بما في ذلك الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة التي تعتمد عليها يوميًا. وشرحوا كيف ساعدت هذه التقنية في انتشارها، وكيف ستفعل الشيء نفسه بالنسبة للأجهزة التي تعمل بتقنية الكم في المستقبل.

المصدر - طبيعة الاتصالات

التشغيل ثنائي الوضع: بصري وكهروميكانيكي

تجدر الإشارة إلى أن مُعدِّل الطور البصري يعمل بنمطين مختلفين. الأول هو نمط الانتشار البصري، الذي ينتشر ويوجه الموجات الضوئية في الدوائر. تدعم هذه الاستراتيجية توزيع التشابك وتوجيهه وتماسكه، مما يجعلها أساسية لمعظم العمليات.

النمط الثاني هو الرنين الميكانيكي التنفسي المُثار كهربائيًا، والذي يعتمد على الموجات الميكروية المُطبقة على البنى النانوية، مما يُحدث تحريكًا كهرضغطياً. تُغير هذه الموجات الميكروية معدلات تذبذب الفوتونات والمجالات البصرية. والجدير بالذكر أن هذا النمط يدعم قدرات بصرية عالية، مما يجعله مثاليًا للحوسبة الكمومية المتقدمة.

معايير الأداء: الاستقرار والكفاءة

أجرى المهندسون عدة اختبارات على محلل طيف الترددات الراديوية لاختبار خرج الشريحة. ولإنجاز هذه المهمة، قام الفريق بتركيب الشريحة على ذراع مزودة بمصدر ليزر موصول بمقياس تداخل ليفي.

تم توصيل الطرف الآخر للجهاز بمُبدِّل تردد صوتي-بصري. قام المهندسون بتمرير الضوء عبر طرفي الجهاز ثم أعادوا تجميعه باستخدام مُوَصِّل اتجاهي بنسبة 50/50. يُمكِّن هذا من توجيه الفوتونات نحو محلل الطيف، مما يزيد من دقته.

حققت الشريحة الجديدة قدرة بصرية تبلغ 730 نانومتر، متجاوزةً بذلك الهدف المحدد من قبل المهندسين وهو 500 ميلي واط. كما تمكن الفريق من ضبط هندسة الجهاز لتعزيز التفاعل الكهروضوئي بشكل أكبر. وكشف هذا الاختبار عن أعماق تعديل تصل إلى 4.85 راديان باستخدام موجات ميكروية بقدرة 80 ميلي واط فقط مضبوطة على تردد 2.31 جيجاهرتز.

بشكلٍ مثير للإعجاب، سجلت الوحدة أقل فقد للتردد مقارنةً بأي شريحة أخرى حتى الآن. وعلى وجه التحديد، لاحظ المهندسون أن الشريحة الجديدة أكثر استقرارًا بمقدار 15 ضعفًا وأكثر كفاءة بمقدار 100 ضعف من حيث متطلبات طاقة الموجات الدقيقة مقارنةً بالشرائح الكمومية المستخدمة حاليًا.

المزايا الرئيسية لتصنيع CMOS

ستجلب رقائق الفوتونيات المنتجة بكميات كبيرة العديد من المزايا للسوق. أولها، إمكانية تصنيعها بأعداد هائلة، مما يُمكّن هذه التقنية من الانتقال من كونها حكرًا على فئة معينة إلى خيار حوسبة شائع. كما أن طريقة التصنيع هذه أقل تكلفة، وستُمكّن المهندسين من ابتكار حواسيب كمومية صغيرة نسبيًا تضم ​​آلاف الكيوبتات.

مرر للتمرير →

تُتيح هذه الطريقة التصنيعية، ولأول مرة، إمكانية إنتاج نسخ متطابقة من هذه الأجهزة المتطورة والمعقدة. وتعني هذه الإمكانية أن المهندسين سيتمكنون من ابتكار وتوزيع تصاميمهم المستقبلية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية على نطاق واسع باستخدام الطرق الحالية.

صغير الحجم

إحدى أكبر مزايا هذا التصميم هي صغر حجمه. إذ يبلغ حجم هذه الرقائق أصغر بمئة مرة من شعرة الإنسان، وهي قادرة على دعم تصميمات حواسيب كمومية فائقة القدرة. ستدمج هذه الوحدات آلاف الكيوبتات مثل تلك الموجودة في حواسيب IBM. (IBM )شريحة كوندور، التي تتعامل مع 1,121 كيوبت ولكنها ذات شكل أكبر بكثير بسبب الرقائق الأكبر.

عالية الأداء

بشكلٍ مثير للإعجاب، يمكن لهذه الرقاقات توفير قوة حاسوبية تضاهي أحدث الأجهزة المتطورة اليوم. فهي تدعم طاقة ضوئية تتجاوز 500 ميلي واط، وهو الحد الأقصى الحالي للحوسبة الكمومية عالية الأداء. كما أن تصميم الرقاقة الجديد يدعم طاقة ضوئية ودقة أعلى مع استهلاك طاقة أقل بكثير.

أكثر فعالية

يتطلب تعديل الطور المستخدم في هذا النهج طاقة ميكروويف أقل بكثير مقارنةً بالتقنيات السابقة. وعلى وجه التحديد، لاحظ المهندسون أن جهازهم قادر على تنفيذ العمليات الكمومية باستخدام طاقة أقل بثمانين ضعفًا. ونتيجةً لذلك، ينتج حرارة أقل بكثير، مما يتيح ربطه بمزيد من الرقائق الإلكترونية لإنشاء أجهزة أكثر قوة.

تطبيقات عملية: الاستشعار والشبكات

تتعدد تطبيقات هذه التقنية، وأبرزها دعم تصميم الحواسيب الكمومية المستقبلية. تتميز هذه الرقائق عالية الأداء بصغر حجمها الذي يسمح بتجميعها بإحكام، وكفاءتها العالية في استهلاك الطاقة التي تمنع حدوث أي مشاكل تتعلق بارتفاع درجة الحرارة في هذا التكوين.

الاستشعار الكمي

توفر المستشعرات الكمومية دقةً أعلى بكثير مقارنةً بالمستشعرات التقليدية. ويتحقق ذلك من خلال استخدام التراكب والتشابك والضغط الكمومي. تُمكّن هذه العمليات الجهاز من قياس التغيرات في المجالات المغناطيسية والجاذبية والزمن ودرجة الحرارة وغيرها بدقة. وقد تُسهم هذه الرقائق في جعل هذه المستشعرات في متناول الجميع.

الشبكات الكمومية

من التطبيقات الرئيسية الأخرى الشبكات الكمومية. تستفيد هذه التقنية من التشابك الكمومي لنقل البيانات بسرعات عالية. وتحديدًا، تستخدم أزواج بيل الكمومية والنقل الآني لنقل الحالات دون استنساخها. والهدف من هذه التقنية هو إنشاء بنية تحتية للإنترنت الكمومي في المستقبل.

مسار التسويق التجاري: خارطة الطريق لمدة 7-10 سنوات

سيستغرق الأمر ما بين 7 إلى 10 سنوات قبل أن تُطرح هذه التقنية للاستخدام العام. ومن الأهمية بمكان أن تكون تقنية التصنيع هذه عاملاً محفزاً في دفع عجلة تبني تقنيات الكم، ولكن يجب أولاً إتقانها. ومع ذلك، بمجرد التعاون مع المُصنِّع المناسب، ستدعم استراتيجية التكلفة المنخفضة المزيد من التكامل والتبني.

فريق البحث والتمويل

استضافت جامعة كولورادو في بولدر دراسة الرقائق الضوئية بمشاركة من مختبرات سانديا الوطنية. وعلى وجه التحديد، ساهم في هذا العمل كل من نيلز تي. أوترستروم، ومات إيشنفيلد، وجاكوب إم. فريدمان، وماثيو جيه. ستوري، ودانيال دومينغيز، وأندرو لينير، وسيباستيان ماغري.

وقد تلقت الدراسة دعماً مالياً ومادياً من وزارة الطاقة الأمريكية من خلال برنامج مسرع الأنظمة الكمومية، الذي يستضيفه المركز الوطني لأبحاث العلوم للمبادرة الكمومية.

أهداف البحث المستقبلية

سيركز الفريق الآن على ابتكار دوائر ضوئية متكاملة قادرة على تجاوز معايير الأداء السابقة. ويسعى الفريق إلى تحسين قدرات رقائقه في توليد الترددات وترشيحها، إلى جانب أسلوبه في تشكيل النبضات، لتحقيق أداء أفضل.

كما سيبحث المهندسون عن شركاء استراتيجيين للمساعدة في تطبيق أسلوب التصنيع الخاص بهم. تتضمن هذه الخطوة التواصل مع مواقع تصنيع CMOS الرائدة وتأمين جزء من مصانعها لتصميم هذه الشريحة الجديدة.

أفضل أسهم الحوسبة الكمومية التي تستحق المتابعة

يشهد قطاع الحوسبة الكمومية نموًا متواصلًا، مع ازدياد حدة المنافسة شهريًا. ويواصل كبار مصممي الحواسيب الكمومية، ومصنعي الرقائق، والمبرمجين اليوم دفع هذه التقنية إلى آفاق جديدة، مما يفتح المجال أمام ابتكارات في مجال القدرة الحاسوبية. إليكم إحدى الشركات التي لا تزال في طليعة هذه الثورة.

أيون كيو (IONQ): شركة رائدة في أنظمة الأيونات المحصورة

ايون كيو (IONQ ) أُطلقت الشركة عام ٢٠١٥ بهدف دفع عجلة تكنولوجيا الكم. أسسها خبيران في الحوسبة الكمومية، هما كريستوفر مونرو والدكتور جونغسانغ كيم. ويُذكر أن مونرو كان له دور محوري في الدراسات الكمومية ويُعتبر رائداً في هذا المجال.

ساهمت شركة IonQ في تطوير هذه التقنية، بما في ذلك ابتكار أول شريحة أيونية من الإيتربيوم تعمل بخمسة أيونات، وتشغل خوارزمية دويتش-جوزا. كما أطلقت أول خدمة تجارية لتقنية QCaaS تعتمد على الأيونات المحصورة. وقد ساعدت هذه التطورات الشركة على تأمين تمويل بقيمة 636 مليون دولار.

تقدم الشركة حاليًا العديد من المنتجات الكمومية المتطورة، بما في ذلك نظام Aria ذو 32 كيوبت والمثبت على رفوف. بالإضافة إلى ذلك، أبرمت الشركة شراكات استراتيجية مع AWS وAzure وGoogle Cloud، وغيرها من مزودي الخدمات السحابية الرائدين.

ينبغي على الباحثين عن مزود موثوق لخدمات الحوسبة الكمومية يتمتع بسنوات من الخبرة إجراء المزيد من البحث حول شركة IonQ. تبلغ القيمة السوقية للشركة حاليًا 16.3 مليار دولار. ومن الجدير بالذكر أن سهمها شهد بعض التقلبات مؤخرًا، حيث بلغ أعلى سعر له 84.64 دولارًا وأدنى سعر 17.88 دولارًا.

آخر أخبار وأداء أسهم شركة IonQ (IONQ)

خاتمة

لا يُمكن التقليل من أهمية تطوير طريقة ناجحة لإنتاج رقائق الفوتونيات بكميات كبيرة. فهذه التقنية هي جوهر التوسع في الحوسبة الكمومية، ويجب إتقانها قبل أن تُصبح متاحة للجميع. ومن المؤكد أن هذا التطور الأخير سيُقلل من تكاليف تصنيع الأجهزة الكمومية، مما سيُوفر بدوره إمدادًا مستقرًا من الرقائق للسوق في المستقبل.

تعرّف على المزيد من الإنجازات التقنية الرائعة في مجال الحوسبة هنا.

مراجع حسابات

^{1. فريدمان، جيه إم، ستوري، إم جيه، دومينغيز، دي، لينير، إيه، ماغري، إس، أوترستروم، إن تي، وإيشنفيلد، إم. (2025). تعديل طور الضوء المرئي بترددات جيجاهرتز باستخدام تقنية الصوت والبصريات في دارة ضوئية مصنعة بتقنية CMOS. مجلة نيتشر كوميونيكيشنز، 16(1)، 10959. https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z}