توسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام كيوبتات أحادية الذرة

كيوبتات الذرة الواحدة: عصر جديد للحوسبة الكمومية

الحواسيب الكمومية آلاتٌ بالغة التعقيد، تستغلّ اختلافاتٍ دقيقةً في سلوك الذرات الفردية في العمليات الحسابية. وبالتالي، فهي تستفيد من طبيعة الكون ذاتها، وتكشف عن رؤى جديدة، على مستوى الذرات والجسيمات الفردية.

ومن المرجح أن تكون مثل هذه الأفكار مطلوبة لبناء أجهزة كمبيوتر كمية على نطاق واسع، لأن كلما كان النظام أكثر تعقيدًا، زادت صعوبة بناء نظام كبير بما يكفي للاستخدامات العملية.

تمكن باحثون في جامعة سيدني بأستراليا مؤخرًا من تشفير بيانات حسابية كمية متعددة في ذرة واحدة، مما قد يؤدي إلى إحداث ثورة في الحجم المادي لبتات الحوسبة الكمية (المعادل الكمي لبتات أجهزة الكمبيوتر "العادية").

ونشروا نتائجهم في المجلة العلمية المرموقة Nature Physics¹، تحت عنوان "مجموعة بوابة الكم العالمية لبتات جوتسمان-كيتايف-بريسكيل المنطقية".

جعل كيوبت موثوقًا

في الوقت الحالي، يتم إنتاج الكيوبتات إما من خلال طريقة تسمى "الأيون المحاصر"، أو باستخدام مواد فائقة التوصيل شديدة البرودة.

المصدر الشرق الأوسط

كلتا الطريقتين لها حدودها:

• تحتوي الأيونات المحاصرة على عدد قليل من البتات الكمومية، ولكنها أكثر موثوقية وتنتج أخطاء أقل.
• تحتوي المواد الفائقة الموصلية على عدد أكبر من البتات الكمومية، ومن المتوقع أن يكون من الأسهل توسيع نطاقها، ولكنها أكثر عرضة للخطأ.

في كلتا الحالتين، يؤثر معدل الخطأ على نسبة البتات الكمومية الفيزيائية إلى المنطقية، أو كمية البتات الكمومية الفيزيائية المطلوبة لإنشاء بت كمومي وظيفي من وجهة نظر الحوسبة.

مع تزايد عدد الكيوبتات المفيدة (أو المنطقية)، يزداد عدد الكيوبتات المادية المطلوبة. ومع تزايد هذا العدد، يصبح العدد الهائل من الكيوبتات اللازمة لإنشاء آلة كمية مفيدة كابوسًا هندسيًا.

لذا، فإن جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكثر مقاومة للأخطاء ربما يكون أهم مهمة للباحثين في هذا المجال في الوقت الحالي، لأنه من شأنه أن يزيل العائق الرئيسي أمام بناء أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة واسعة النطاق.

مرر للتمرير →

تقليص حجم البتات الكمومية

استخدم الباحثون الأستراليون نظام الحوسبة الكمومية المكون من أيونات محاصرة (مع ذرة مشحونة من الإيتربيوم)، وشكل من أشكال ترميز البيانات يسمى كود جوتسمان-كيتايف-بريسكيل (GKP).

GKP هو نوع من الأكواد يُتوقع أن يُساعد في تصحيح الأخطاء في الحواسيب الكمومية. لكن إنشاء واحد عمليًا كان صعبًا حتى ذلك الحين.

والمفتاح هنا هو إنشاء "بوابة منطقية"، وهي عبارة عن مفتاح معلومات يسمح لأجهزة الكمبيوتر - الكمومية والكلاسيكية - بأن تكون قابلة للبرمجة.

وباستخدام برنامج التحكم الكمي الذي طورته شركة Q-CTRL، وهي شركة ناشئة تابعة لمختبر التحكم الكمي، قام الباحثون بتشفير البيانات في ذرة واحدة، ثلاثية الأبعاد.

في الأساس، يتم تخزين مجموعتين من البيانات على هيئة اهتزاز ذرة واحدة، مجموعة واحدة على هيئة الاهتزاز من "اليسار إلى اليمين"، ومجموعة أخرى على هيئة الاهتزاز من "الأعلى والأسفل".

"في الواقع، نقوم بتخزين اثنين من البتات المنطقية القابلة لتصحيح الخطأ في أيون محاصر واحد وإظهار التشابك بينهما.

فاسيلي ماتسوس – طالب دكتوراه في كلية الفيزياء وجامعة سيدني نانو

بناء بوابة منطقية أحادية الذرة

ولإنجاز هذا العمل الفذ في فيزياء الكم، استخدموا مجموعة معقدة من الليزر في درجة حرارة الغرفة لإبقاء الذرة المفردة في الفخ، مما يسمح بالتحكم في اهتزازاتها الطبيعية واستخدامها لإنتاج رموز GKP المعقدة.

المصدر فيزياء الطبيعة

إن جزء "درجة حرارة الغرفة" مهم للغاية، لأنه يجعل أداءه أسهل وأرخص بطبيعته من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الفائقة التوصيل التي تتطلب درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق والهيليوم السائل.

"أظهرت تجاربنا أول تحقيق لمجموعة بوابة منطقية عالمية لبتات GKP.

لقد قمنا بذلك من خلال التحكم بدقة في الاهتزازات الطبيعية، أو التذبذبات التوافقية، للأيون المحاصر بطريقة تمكننا من التلاعب ببتات GKP الفردية أو ربطها كزوج.

الدكتور تينغري تان - معهد جامعة سيدني للنانو

نحو حواسيب كمية قابلة للتطوير

إن الجمع بين عناصر التحكم في درجة حرارة الغرفة، وبوابة منطقية أحادية الذرة، وكود تقليل الأخطاء هو ما يجعل هذا الاكتشاف مهمًا للغاية.

يفتح هذا معًا الطريق أمام نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الأيونات المحاصرة والتي قد يكون من الأسهل بكثير بناؤها وأسهل بكثير في التوسع.

"حققت تجاربنا إنجازًا رئيسيًا، إذ أظهرت أن عناصر التحكم الكمومية عالية الجودة هذه توفر أداة رئيسية للتلاعب بأكثر من كيوبت منطقي واحد.

"ومن خلال إظهار بوابات الكم العالمية باستخدام هذه البتات الكمومية، أصبح لدينا الأساس للعمل نحو معالجة المعلومات الكمية على نطاق واسع بطريقة عالية الكفاءة من حيث الأجهزة."

الدكتور تينغري تان - معهد جامعة سيدني للنانو

بالتوازي مع ذلك، اكتُشفت مؤخرًا عدة اكتشافات جديدة تُظهر إمكانية ربط الحواسيب الكمومية معًا. فإذا ازدادت قوة كل منها، واقتربت الشبكات الكمومية من الواقع، فقد يُسهم ذلك في إحداث طفرة في سعة البتات الكمومية القابلة للاستخدام.

الحواسيب الكمومية تفتح آفاقًا جديدة في الفيزياء

من المرجح أن تُحدث أجهزة الكمبيوتر الكمومية الموسعة ثورة في مجال التشفير والبحث العلمي، وذلك بفضل قدرتها الهائلة على حل المشكلات المعقدة التي يصعب للغاية حسابها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الثنائية.

ولكنها قد تفتح أيضًا بشكل غير مباشر طريقًا جديدًا تمامًا لعلماء الفيزياء لدراسة عالم الكم.

هذا ما يظهر من التحليلات التي أجريت على أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بشركة جوجل من قبل الباحثين في جامعة برينستون، وجامعة كورنيل، وجامعة بيردو، وجامعة نوتنغهام (المملكة المتحدة)، والجامعة التقنية في ميونيخ (ألمانيا)، وجوجل للأبحاث، وفقًا لمنشور جديد في مجلة Nature.²بعنوان "تصور ديناميكيات الشحنات والأوتار في نظريات مقياس الشبكة (2 + 1)D".

نظرية قياس القياس

يتيح الكمبيوتر الكمومي من جوجل للباحثين تجربة واختبار ما يسمى "نظرية مقياس الشبكة" (LGT)، وهو نوع من نظرية المجال الكمي التي تفترض وجود حقول قياس (الحقول التي تتوسط القوى، مثل المجال الكهرومغناطيسي) وبوزونات القياس (الجسيمات الأولية التي تحمل هذه القوى).

المصدر الطبيعة

وأظهر الفريق كيف تتصرف الجسيمات و"الأوتار" غير المرئية التي تربطها، وكيف تتقلب، وحتى تنكسر.

المصدر الطبيعة

وأكد الباحثون في تلك الدراسة أن هذه "الأوتار" يمكن قياسها وملاحظتها باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

"باستخدام قوة المعالج الكمومي، قمنا بدراسة ديناميكيات نوع معين من نظرية القياس ولاحظنا كيف تتطور الجسيمات و"الأوتار" غير المرئية التي تربطها بمرور الوقت."

بيدرام روشان - جوجل الكم AI

ومن خلال خلق مواقف خاضعة لسيطرة شديدة لمراقبة التأثيرات الكمومية، دون الحاجة إلى مستويات الطاقة العالية للغاية لمسرعات الجسيمات، أصبح من الواضح أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد تصبح أدوات رئيسية في أبحاث الفيزياء الأساسية.

"يظهر عملنا كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تساعدنا في استكشاف القواعد الأساسية التي تحكم كوننا.

ومن خلال محاكاة هذه التفاعلات في المختبر، يمكننا اختبار النظريات بطرق جديدة".

مايكل ناب، أستاذ ديناميكيات الكم الجماعية في كلية العلوم الطبيعية بجامعة ميونخ التقنية

مستقبل أجهزة الكمبيوتر الكمومية القابلة للتطوير

لم تُفهم إمكانات الحواسيب الكمومية بالكامل بعد، إذ تُعاد صياغتها باستمرار انطلاقًا من مبادئها الأساسية، تمامًا كما حدث في بداية الحواسيب التي انتقلت من البطاقات المثقوبة إلى الصمامات المفرغة، ثم ترانزستورات السيليكون. إلا أن وتيرة التغيير أسرع بكثير.

وهذا يعني أننا قد نشهد قريبًا جدًا تقدمًا كبيرًا في تصنيع أجهزة كمبيوتر كمية أكبر وأقوى، والتي قد يتم ربطها معًا أيضًا للحصول على قدرات أكبر.

قد يفتح هذا الطريق ليس فقط لقدرات حوسبة أعلى بكثير، بل لفهم جديد تمامًا للمادة والفيزياء الكمومية، على سبيل المثال، حالة جديدة تمامًا للمادة مثل "الحالة الطوبولوجية" التي تم عرضها مؤخرًا بواسطة فرق الحوسبة الكمومية في مايكروسوفت (شريحة ماجورانا-1).

الاستثمار في الحوسبة الكمومية

هانيويل / كوانتينيوم

في حين أن الكمبيوتر الكمومي من جوجل قد يكشف عن رؤى جديدة حول نظرية الفيزياء الكمومية، فإن اكتشاف كيوبت محتمل مكون من ذرة واحدة باستخدام تقنية الأيونات المحاصرة يبدو أنه يجعل هذه الطريقة أقرب إلى الجدوى التجارية من أجهزة الكمبيوتر الكمومية الفائقة التوصيل.

Quantinuum هي نتيجة اندماج Honeywell Quantum Solutions وCambridge Quantum.

تظل شركة هانيويل هي المساهم الأكبر في الشركة (من المرجح أن تصل ملكيتها إلى 52٪) بعد جولة لجمع التبرعات تقدر قيمتها بـ 5 مليارات دولاريُقال إن مؤسس الشركة، إلياس خان، يمتلك حوالي ٢٠٪ من أسهمها. ومن بين المساهمين الآخرين، شركة JSR Corporation، وميتسوي، وأمجين، وآي بي إم، وجيه بي مورغان.

طرح عام أولي محتمل لشركة Quantinuum في المستقبل، ربما كجزء من عملية إعادة هيكلة أكبر للشركة، وتقدر قيمتها بنحو 20 مليار دولار و قد يحدث بين عامي 2026 و2027.

لا تعد الحوسبة الكمومية الجزء المركزي من أعمال شركة هانيويل، بل إنها تركز بشكل أكبر على المنتجات في مجال الفضاء والأتمتة والمواد الكيميائية المتخصصة.

ومع ذلك، قد يستفيد كل من هذه المجالات من الحوسبة الكمومية، وخاصة الكيمياء الحسابية والأمن السيبراني الكمي، مما قد يمنح هانيويل ميزة على منافسيها.

النموذج الرئيسي للشركة في الوقت الحالي هو H2، وهي شريحة 56 كيوبت محاصرة بالأيونات، مع دقة بوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 99.895%.

لقد سعت الشركة إلى تحقيق حوسبة عالية الجودة مع الحد الأدنى من الأخطاء، أكثر من مجرد إضافة أكبر عدد ممكن من البتات الكمومية، مما أدى إلى إنشاء ما يسمى "الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء".

تُسمى هذه الطريقة من قبل الشركة "بتات كيوبية أفضل، نتائج أفضل"، حيث تحقق كمية مماثلة من البتات الكيوبية نتائج أكثر موثوقية بمقدار 100 إلى 1,000 مرة.

المصدر الكميات

يمكن أن يحدث هذا فرقًا ملحوظًا في التشفير المقاوم للكميات المطلوب بشكل عاجل، مع شركة الدفاع Thales (HO.PA -0.96٪) التعاون بالفعل مع Quantinuum وأيضا  البنوك الدولية HSBC و JP مورغان.

تقدم Quantinuum أيضًا كيمياء الحوسبة الكمومية الخاصة بها إنكوانتو، قابلة للاستخدام في التطبيقات الدوائية وعلوم المواد والمواد الكيميائية والطاقة والفضاء الجوي.

مثل العديد من شركات الحوسبة الكمومية الأخرى، تقدم Quantinuum خدمة Helios، وهي خدمة "الأجهزة كخدمة"مما يسمح للمستخدمين بالاستفادة من الحوسبة الكمومية دون الحاجة إلى التعامل مع تعقيد تشغيل النظام بأنفسهم.

وقعت شركة Quantinuum في نوفمبر 2024 شراكة مع شركة Infineon الألمانية، أكبر شركة مصنعة لأشباه الموصلات في أوروبا. ستقدم شركة Infineon تكنولوجيا الفوتونيات المتكاملة والإلكترونيات التحكمية للمساعدة في إنشاء الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الأيونات المحاصرة.

مع اقتراب الفوتونيات المتكاملة من التطبيقات العملية، بات واضحًا مدى أهمية هذه الشراكة لمستقبل شركة كوانتينيوم. في هذه المرحلة، يبدو أن الخطوة التالية للشركة ستكون إطلاق أول شريحة فوتونية-كمية في العالم مُركزة على الذكاء الاصطناعي.

في الأشهر المقبلة، ستشارك Quantinuum نتائج التعاون الجاري، مع تسليط الضوء على الإمكانات الرائدة للتقدم القائم على الكم في مجال الذكاء الاصطناعي التوليدي.

ستعمل قدرة Gen QAI المبتكرة على تعزيز وتسريع استخدام الأطر العضوية المعدنية لتوصيل الأدوية، مما يمهد الطريق لخيارات علاج أكثر كفاءة وشخصية، وسيتم الكشف عن التفاصيل عند إطلاق Helios.

أعلنت شركة Quantinuum عن تحقيق اختراق في مجال الذكاء الاصطناعي الكمي التوليدي مع إمكانات تجارية هائلة

إن المزيد من حالات الاستخدام المستمرة قد تعمل على تعزيز القيمة المستقبلية للشركة بشكل كبير، وبالتالي، تعزيز قيمة شركة هانيويل فيها، والأرباح المحتملة التي يمكن للمستثمرين تحقيقها منها.

(يمكنك قراءة المزيد عن بقية أنشطة هانيويل الصناعية في مجال الأتمتة والفضاء والمواد المتقدمة في التقرير المخصص للشركة).

أحدث أخبار وتطورات أسهم هانيويل (HON)

الدراسات المرجعية

<sup>ماتسوس، ف. ج.، فالاهو، س. أ، ميليكان، م. ج. وآخرون. مجموعة بوابات كمية عالمية لبتات جوتسمان-كيتايف-بريسكيل المنطقية. مجلة الطبيعة والفيزياء (٢٠٢٥). https://doi.org/10.1038/s41567-025-03002-8
2. كوكران، تا، جوبست، ب.، روزنبرغ، إي. وآخرون. تصور ديناميكيات الشحنات والأوتار في نظريات مقياس الشبكة (2 + 1)D. Nature 642، 315 – 320 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08999-9</sup>