الحوسبة الكمومية تقفز إلى الأمام بفضل تكنولوجيا الموصلية الفائقة المتقدمة

تستخدم الحوسبة الكمومية، وهي تقنية ناشئة، قوانين الآليات الكمومية لحل المشكلات المعقدة التي تتجاوز قدرة أجهزة الكمبيوتر التقليدية. 

تقوم أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه بتخزين المعلومات في الكيوبتات (أو البتات الكمومية). على عكس البتات الكلاسيكية، يمكن لهذه البتات الكمومية أن توجد خارج الحالة الثنائية 0 و1، وعلى هذا النحو، يمكنها إجراء العمليات الحسابية بشكل أسرع بكثير. 

علاوة على ذلك، هذه الكيوبتات تأتي في أشكال مختلفة، بما في ذلك الكيوبتات الأيونية المحاصرة، والتي تستخدم الأيونات أو الذرات المشحونة؛ الكيوبتات الضوئية، التي تستخدم جزيئات الضوء؛ والكيوبتات فائقة التوصيل، وهي عبارة عن حلقة كهربية يدور حولها تيار كهربائي.

كجزء من الحوسبة الكمومية "الحالة الصلبة"، تم عرض الكيوبتات الفائقة التوصيل لأول مرة في عام 1999. ومنذ ذلك الحين، تطورت لتصبح أحد الأشكال الأساسية لتكنولوجيا الكيوبت، حيث توفر فوائد مثل انخفاض تبديد الطاقة، وانخفاض المقاومة، وانخفاض فقدان التماسك، والدوائر الكمومية القابلة للتطوير، وتشغيل الكيوبت عالي السرعة، وحالات الكيوبت المستقرة، والتحكم في الكيوبت عالي الدقة، وتصحيح الأخطاء.

على مدار العقد الماضي، أصبحت الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل خيارًا شائعًا لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية وظيفية، وتقربنا الأبحاث المستمرة من جعلها حقيقة واقعة.

الاختراقات الحديثة في المواد فائقة التوصيل

في هذا الأسبوع فقط، نشر فريق من الباحثين دراسة في مجلة Science Advances حول تطوير مادة جديدة فائقة التوصيل للحوسبة الكمومية.

تعتبر المادة الفائقة الموصلية الجديدة مرشحة لتكون "موصلًا فائقًا طوبولوجيًا"، وهو نوع يستخدم ثقبًا أو حالة غير موضعية للإلكترون لحمل المعلومات الكمية ومعالجة البيانات.

قاد الفيزيائي بينج وي من جامعة كاليفورنيا فريقًا من الباحثين الذين جمعوا التيلوريوم الثلاثي، وهي مادة غير مغناطيسية لا تستطيع يتم فرضه على صورتها المرآة، مع موصل فائق للحالة السطحية يتم توليده على سطح طبقة رقيقة من الذهب.

هذا المزيج إنشاء موصل فائق للواجهة ثنائية الأبعاد مع استقطاب الدوران المحسن، مما يسمح باستخدام الإثارات في الإنشاء بت تدور مستقرة. تتمتع هذه المادة الرائدة فائقة التوصيل بالقدرة على إحداث ثورة في قابلية التوسع وموثوقية مكونات الحوسبة الكمومية. 

"من خلال إنشاء واجهة نظيفة للغاية بين المادة اللولبية والذهب، قمنا بتطوير موصل فائق ثنائي الأبعاد. إن الموصل الفائق للواجهة فريد من نوعه لأنه يعيش في بيئة تكون فيها طاقة الدوران معززة بست مرات أكثر من تلك الموجودة في الموصلات الفائقة التقليدية.

- وي، أستاذ مشارك في الفيزياء وعلم الفلك

المادة تحت المجال المغناطيسي شوهد كذلك إجراء عملية انتقالية، مما يشير إلى استخدامه كموصل فائق ثلاثي، مما قد يؤدي إلى مكونات حوسبة كمومية أكثر قوة. لقد أصبح بشكل أساسي أكثر قوة في مجال مغناطيسي مرتفع منه في مجال مغناطيسي منخفض. 

علاوة على ذلك، ومن خلال استخدام مواد غير مغناطيسية لواجهات أكثر نظافة، تعمل هذه التقنية الجديدة أيضًا بشكل طبيعي على قمع مصادر فك الترابطوهو ما يمثل تحديًا في الحوسبة الكمومية.

كما أثبت الباحثون قدرة الموصل الفائق ليتم تحويلها إلى رنانات الموجات الدقيقة عالية الجودة ومنخفضة الفقد، والتي تعد مكونات مهمة للحوسبة الكمومية. على هذا النحو، يمكن أن يؤدي هذا إلى كيوبتات فائقة التوصيل منخفضة الخسارة. 

وبالنظر إلى أن الحد من عدم الترابط أو فقدان المعلومات الكمومية في نظام الكيوبت هو التحدي الأكبر في الحوسبة الكمومية، فإن هذا البحث يمكن أن يساعد في تطوير مكونات حوسبة كمومية أكثر موثوقية وقابلة للتطوير. وفقا لوي:

"لقد حققنا ذلك باستخدام مواد أرق بدرجة واحدة من تلك المستخدمة عادة في صناعة الحوسبة الكمومية."

تتمتع رنانات الموجات الدقيقة هذه بعامل جودة يصل إلى مليون.

وقبل أسبوع من ذلك، نشر فريق بقيادة جامعة كاليفورنيا أيضًا دراسة تقدم مواد جديدة تبشر بالخير في مجال الحوسبة الكمومية. 

احتفظت المادة بخصائص التوصيل الفائق تحت مجالات مغناطيسية أعلى بكثير من المعتاد وأظهرت تأثير الصمام الثنائي فائق التوصيل. هذا التأثير، الذي يسمح بتدفق تيار أكبر في اتجاه واحد، يُرى عادةً في الموصلات الفائقة اللولبية ونادرًا ما يُرى في الموصلات الفائقة التقليدية.

للحث على السلوك اللولبي في الموصل الفائق التقليدي، أنشأ الباحثون طبقة جزيئية كيرالية وبنية ذات طبقات تحتوي على مادة ثنائية الأبعاد ثاني كبريتيد التنتالوم (TaS2).

عرضت هذه الدراسة إمكانية تعزيز كفاءة واستقرار الحوسبة الكمومية وجعل الإلكترونيات التقليدية أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

الابتكارات في التحكم في Qubit وقابلية التوسع

مع امتلاك أجهزة الكمبيوتر الكمومية القدرة على "تغيير العالم بشكل جذري"، كان هناك سباق في جميع أنحاء العالم لبناء جهاز كمبيوتر كمي عملي.

ومع ذلك، فإن أحد أكبر التحديات التي تعيق نمو أجهزة الكمبيوتر الكمومية هو قابلية التوسع، مما يعني أن أجهزة الكمبيوتر الكبيرة بما يكفي يمكنها معالجة مشكلات الحياة الواقعية. للحصول على حاسوب كمي يمكنه معالجة المشكلات المفيدة، نحتاج إما إلى المزيد من الكيوبتات أو إلى طريقة موثوقة لتقليل الأخطاء التي تحدث أثناء العمليات الحسابية.

لذلك، قام الباحثون في اليابان بمعالجة المشكلة عن طريق زيادة العدد المقبول من الكيوبتات وتقليل العدد المطلوب من الكيوبتات.

قبل بضعة أشهر، نجح الباحثون في عرض دائرة فائقة التوصيل يمكنها التحكم في العديد من الكيوبتات في درجات حرارة منخفضة.

في هذه التجربة، دائرة فائقة التوصيل تم إنذار للتحكم في عدة كيوبتات عبر كابل واحد باستخدام تقنية الإرسال المتعدد بالموجات الدقيقة. تتمتع هذه الدائرة بإمكانية تحسين كثافة إشارات الميكروويف لكل كابل بنحو 1,000 ضعف. هذا الإنجاز من شأنه أن يزيد بشكل كبير عدد الكيوبتات القابلة للتحكم، ويساهم في تطوير حواسيب كمومية واسعة النطاق.

لتقليل الأجهزة اللازمة لدمج البتات الكمومية والإلكترونيات في درجة حرارة الغرفة، طُوِّرت "إلكترونيات تبريد" مبتكرة. "إلكترونيات التبريد" هي إلكترونيات للتحكم في البتات الكمومية وقراءتها، تعمل في درجات حرارة منخفضة جدًا بالقرب منها. 

لقد ثبت أيضًا أن الإلكترونيات المبردة تعمل بترددات ساعة عالية السرعة عند أربع درجات فوق الصفر المطلق. ينصب التركيز الآن على تقليل استهلاك الطاقة لتقليل الحرارة المتولدة بجوار الكيوبتات. 

هناك تركيز آخر للباحثين اليابانيين وهو إيجاد طرق لتصحيح أخطاء المعالجة. وفي خضم ذلك، طور باحثون من جامعة برينستون تقنية تصنيع للحوسبة الكمومية الخالية من الأخطاء.

في هذا البحث، ابتكر العلماء طبقة فائقة التوصيل فوق عازل طوبولوجي، ثنائي تيلوريد التنغستن (WTe2). استخدمت هذه التقنية "بذرة" من المعدن المترسب (البلاديوم) فوق سطح العازل لتشكيل بنية بلورية جديدة، Pd7WTe2، ذات مقاومة معدومة.

تعمل تقنية نشر الذرات بنجاح مع مجموعة متنوعة من المكونات، بما في ذلك ثنائي تيلورايد الموليبدينوم (MoTe2).

وبينما هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات لتحديد ما إذا كان هذا موصلًا فائقًا طوبولوجيًا، يعتقد الباحثون أنه من الممكن إنشاء موصلات فائقة جديدة من خلال طريقتهم العامة.

معالجة عدم الترابط وتحسين الأداء

حدث تقدم آخر في الحوسبة الكمومية في وقت سابق من هذا العام عندما قدم الباحثون نهجًا جديدًا للدوائر فائقة التوصيل. يتمتع هذا النهج بالقدرة على إطالة وقت تشغيل الكمبيوتر الكمي بشكل كبير.

كما لاحظنا، يتم مقاطعة التشغيل المستمر لمثل هذا الكمبيوتر نظرًا لمدى سهولة زعزعة استقرار الحالة الكمومية للكيوبت. وهذا ما يسمى فك الترابط ويؤدي إلى أخطاء في الحسابات. يحدث هذا بسبب التفاعلات مع الكيوبتات الأخرى وبيئتها.

ولأن البتات الكمومية فائقة التوصيل تمكن من التبديل بين الحالات المختلفة في أقصر فترة زمنية، فهي محور الأبحاث المتنامية. ولكن في حين أنها يمكن أن تعزز وقت التبديل، إلا أنها أيضًا أكثر عرضة لفك الترابط في وقت قصير يصل إلى ميلي ثانية.

لذلك، اقترحت مجموعة دولية من الباحثين تصميم تقاطع جوزيفسون، والذي يسمى "فلورمون". يستخدم هذا التصميم رقاقتين من النحاس بسماكة ذرة واحدة، وهي مادة فائقة التوصيل تعتمد على النحاس.

"يقوم Flowermon بتحديث الفكرة القديمة المتمثلة في استخدام الموصلات الفائقة غير التقليدية للدوائر الكمومية المحمية ويجمعها مع تقنيات التصنيع الجديدة وفهم جديد لتماسك الدوائر فائقة التوصيل."

- أوري فول، عالم فيزياء في معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في ألمانيا.

وفقًا لحسابات الفريق، يُمكن لتصميمهم تقليل الضوضاء، وبالتالي زيادة زمن تماسك البتات الكمومية أضعافًا مضاعفة. مع ذلك، كان هذا مجرد بحث نظري، ويعتزم الفريق استخدام نتائجه لتحسين البتات الكمومية فائقة التوصيل لاحقًا.

لمعالجة أداء أجهزة الكمبيوتر الكمومية، في العام الماضي، قام فريق من الباحثين من جامعة مينيسوتا توين سيتيز أيضًا بتطوير صمام ثنائي فائق التوصيل قابل للضبط والذي لا يمكنه المساعدة في توسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية فحسب، بل يمكنه أيضًا تحسين أنظمة الذكاء الاصطناعي. 

الصمام الثنائي هو جهاز يسمح بتدفق التيار في اتجاه واحد. على الرغم من أنها تُصنع عادةً باستخدام أشباه الموصلات، إلا أن الباحثين كانوا يستكشفون صنع الثنائيات باستخدام الموصلات الفائقة، والتي تسمح بنقل الطاقة دون فقدان أي طاقة على طول الطريق.

يقول المؤلف الرئيسي للبحث فلاد بريبياج، وهو أستاذ مشارك في كلية الفيزياء بجامعة مينيسوتا: علم الفلك، وأشار:

"نريد أن نجعل أجهزة الكمبيوتر أكثر قوة، ولكن هناك بعض القيود الصارمة التي سنتجاوزها قريبًا باستخدام المواد وطرق التصنيع الحالية لدينا." 

التحدي الأكبر أمام تعزيز قوة الحوسبة هو تبديد الطاقة، لذلك اختار الفريق استخدام تقنيات فائقة التوصيل.

جهاز الصمام الثنائي فائق التوصيل بني باستخدام ثلاثة تقاطعات جوزيفسون. في حين تم تصنيعها من خلال قطع من المواد غير فائقة التوصيل في وسط الموصلات الفائقة، كان لدى الباحثين هنا الموصلات الفائقة متصلة بطبقات من أشباه الموصلات. 

مكّن هذا التصميم الفريد الباحثين من التحكم في سلوك الجهاز باستخدام الجهد. كما يمكنه معالجة إشارات كهربائية متعددة في آنٍ واحد، على عكس الثنائيات التقليدية التي لا تتعامل إلا مع مدخل ومخرج واحد لكل منها. تتيح هذه الميزات للثنائي الفائق التوصيل إمكانية استخدامه حتى في الحوسبة العصبية المستوحاة من الدماغ.

في الحوسبة العصبية، تم تصميم الدوائر الكهربائية لنسخ كيفية عمل الخلايا العصبية في الدماغ البشري لتحسين الأداء.

وفقًا لموهيت جوبتا، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية، فإن هذا الثنائي فائق التوصيل الجديد أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من غيره من الثنائيات فائقة التوصيل. وبشكل أكثر تحديدًا، ولأول مرة، يأتي مزودًا بسلسلة من البوابات للتحكم في تدفق الطاقة. لم تُدمج هذه الميزة في ثنائي فائق التوصيل من قبل، ولكن هذه الدراسة "أظهرت إمكانية إضافة بوابات وتطبيق مجالات كهربائية لضبط هذا التأثير". 

علاوة على ذلك، كانت المواد المستخدمة في هذا البحث أكثر ملاءمة للصناعة وقادرة على تقديم وظائف جديدة.

التقنية المستخدمة في هذه الدراسة يمكن أن تزيد من ذلك يمكن استخدامها مع أي موصل فائق، مما يجعله مرنًا للغاية ومتوافقًا مع تطبيقات الصناعة. يمكن لهذه الصفات أن تساعد في توسيع نطاق تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية لاستخدامها على نطاق أوسع.

في الوقت الحالي، جميع أجهزة الحوسبة الكمومية المتوفرة بسيطة جدًا مقارنةً باحتياجات التطبيقات العملية. لذا، فإن التوسع ضروري للحصول على جهاز حاسوب قوي بما يكفي لمعالجة مشاكل مفيدة ومعقدة.

- بريبياج

هذه يحمل أهمية خاصة اليوم مع نمو استخدام الذكاء الاصطناعي بشكل كبير. هذه دفع ذلك الناس إلى البحث عن خوارزميات لأجهزة الكمبيوتر أو آلات الذكاء الاصطناعي التي يمكنها التفوق على أداء أجهزة الكمبيوتر التقليدية. وأشار بريبياج إلى أن هذه الدراسة تُطوّر الأجهزة اللازمة لتمكين أجهزة الكمبيوتر الكمومية من تنفيذ هذه الخوارزميات. 

تم تمويل البحث في المقام الأول من قبل وزارة الطاقة الأمريكية مع دعم جزئي من مؤسسة العلوم الوطنية وأبحاث مايكروسوفت.

تقليص البتات الكمومية باستخدام مواد ثنائية الأبعاد دون التأثير على الأداء

أدى البحث والتطوير المستمر إلى قيام العلماء ببناء كيوبتات فائقة التوصيل أصغر بكثير من الكيوبتات المعتادة. تم بناء هذه الكيوبتات فائقة التوصيل باستخدام مواد ثنائية الأبعاد.

لتجاوز سرعة وقدرة الحواسيب التقليدية، يجب أن تكون كيوبتات الحواسيب الكمومية على نفس الطول الموجي. ولتحقيق ذلك، يضطر الباحثون عادةً إلى التضحية بحجم هذه الكيوبتات، التي تُقاس حتى اليوم بالمليمترات، على عكس نظيراتها الكلاسيكية، التي تقلصت ترانزستوراتها إلى النانومتر.

لتقليل حجم البتات الكمومية بحيث لا يكون لها بصمة مادية كبيرة مع الحفاظ على أدائها، قام جيمس هون، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة كولومبيا، بعرض مكثف بتات كمومية فائق التوصيل صغير الحجم حقًا.

في السابق، استخدم المهندسون المكثفات المستوية لبناء رقائق الكيوبت. هنا، لوحات مشحونة يتم تعيين جنبا إلى جنب، وبينما يمكن أن تكون مكدسة لتوفير المساحة، قد يتداخل ذلك مع تخزين معلومات الكيوبت.

لذا، قام طالبا الدكتوراه لدى هون، أنجالي راجيندرا وأبهيناندان أنتوني، بوضع طبقة عازلة من نتريد البورون بين لوحين مشحونين من ثنائي سيلينيد النيوبيوم فائق التوصيل. بسمك ذرة واحدة فقط، ترتبط هاتان الطبقتان معًا بقوى فان دير فالس، وهي تفاعل ضعيف بين القوى الكهروستاتيكية. 

ثم تم دمج المكثفات مع دوائر الألمنيوم لإنشاء شريحة. تحتوي هذه الشريحة على اثنين من الكيوبتات، وكانت سماكتها 35 نانومتر فقط، أي أصغر بـ 1,000 مرة من تلك المنتجة باستخدام الطرق التقليدية.

وعندما تم تبريدها، حصلت الكيوبتات على نفس الطول الموجي. ولوحظ أيضًا أنهم متشابكون ويعملون كوحدة واحدة. هذا التماسك الكمي، على الرغم من أنه قصير الأجل (ما يزيد قليلاً عن ميكروثانية واحدة)، يعني أنه يمكن معالجة الحالة الكمومية للكيوبت وقراءتها عبر النبضات الكهربائية. بحسب هون:

"نحن نعلم الآن أن المواد ثنائية الأبعاد قد تحمل المفتاح لجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ممكنة. لا يزال الوقت مبكرًا جدًا، لكن مثل هذه النتائج ستحفز الباحثين في جميع أنحاء العالم على التفكير في تطبيقات جديدة للمواد ثنائية الأبعاد. ونأمل أن نرى المزيد من العمل في هذا الاتجاه للمضي قدما".

بفضل بنيتها الفريدة، حققت المواد الكمومية ثنائية الأبعاد (2D) تقدمًا كبيرًا في علم المواد. على عكس المواد ثلاثية الأبعاد، فإن المواد الكمومية ثنائية الأبعاد يبلغ سمكها ذرة واحدة أو بضع ذرات فقط، ويمكن للإلكترونات أن تتحرك في الاتجاهات الثلاثة.

تشمل بعض المواد الشائعة ثنائية الأبعاد السيليسين والجرافين والجرمانين والستانين والفوسفورين وثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية (TMDCs) ونيتريد البورون السداسي (h-BN).

في حين أن هذه المواد توفر خصائص وإمكانات متنوعة للتطبيقات التكنولوجية التحويلية، فإنها تواجه تحديات من حيث التوليف والتكامل وقابلية التوسع التي تحتاج إلى يتم التغلب عليها قبل يمكن تحقيق إمكاناتهم الكاملة.

الشركات الرئيسية التي تقود ثورة الحوسبة الكمومية

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الشركات البارزة التي تعمل في مجال الموصلات الفائقة والحوسبة الكمومية:

# 1. الأبجدية (جوجل)

Alphabet يتم استثمارها بشكل كبير في أبحاث الحوسبة الكمومية من خلال شركتها الفرعية Google Quantum AI. أنشأ القسم معالجًا كميًا فائق التوصيل يسمى Sycamore، والذي، في عام 2019، كان قادرا على إكمال عملية حسابية في 200 ثانية كانت ستستغرق 10,000 عام حتى بالنسبة لحاسوب عملاق قوي. منذ ذلك الحين، نما المعالج الكمي Sycamore بشكل كبير يحمل الآن 70 كيوبتمما يجعلها أقوى بـ 241 مليون مرة من طرازها السابق.

تبلغ القيمة السوقية لشركة التكنولوجيا العملاقة 2.06 تريليون دولار، وأسهمها (GOOGL: ناسداك) يتم تداوله عند 165.68 دولارًا أمريكيًا، مرتفعًا بنسبة 18.56% منذ بداية العام. بالنسبة للربع الثاني من عام 2، أعلنت شركة Alphabet عن زيادة بنسبة 2024% في صافي دخلها إلى 28.6 مليار دولار، في حين نما إجمالي الإيرادات بنسبة 23.6% إلى 14 مليار دولار. أعلنت الشركة الأم لشركة Google أيضًا عن توزيع أرباح نقدية بقيمة 84.74 دولارًا أمريكيًا للسهم الواحد.

# 2. شركة NVIDIA

تستكشف NVIDIA الحوسبة الكمومية والموصلات الفائقة من خلال الشراكات والتعاون. وفي مارس من هذا العام، أعلنت الشركة عن تسريع جهودها في مجال الحوسبة الكمومية في مواقع الحوسبة الفائقة الوطنية في ألمانيا واليابان وبولندا باستخدام منصة NVIDIA CUDA-Q™ مفتوحة المصدر.

شهدت أسهم NVIDIA، الشركة الرائدة في مجال الذكاء الاصطناعي، أداءً رائعًا هذا العام، ويتجلى ذلك في ارتفاعها بنسبة 161.24% حتى الآن في عام 2024. وقد أدى هذا الارتفاع إلى تداول أسهم NVDA عند 129.45 دولارًا أمريكيًا، مما يرفع القيمة السوقية للشركة إلى 3.188 تريليون دولار أمريكي. وأعلنت شركة صناعة الرقائق عن تحقيق رقم قياسي في الربع الأول من عام 1، حيث بلغت إيراداتها 2024 مليار دولار أمريكي.

خاتمة

لذا، يعمل الباحثون والمنظمات والشركات حول العالم على تطوير الحوسبة الكمومية، التي تتميز ببراعة في حل المشكلات المعقدة. ويساهم التركيز على تقنية الموصلات الفائقة، تحديدًا، في تحقيق تقدم كبير، ويقربنا من تحقيق كامل إمكانات هذه التقنية التحويلية. 

انقر هنا للتعرف على الوضع الحالي للحوسبة الكمومية.