أول كمبيوتر كمي لحزم 100 كيوبت يدخل السباق المزدحم
داخل نظام الحوسبة الكمومية IBM.

تُظهر الأجزاء الداخلية من كمبيوتر IBM الكمي تشابك الكابلات المستخدمة للتحكم وقراءة الكيوبتات الخاصة به.الائتمان: آي بي إم

أحدث شريحة حوسبة كمومية لشركة IBM ، تم الكشف عنها في 15 نوفمبر ، حققت إنجازًا هامًا من نوع ما: فهي تحزم 127 بتًا كميًا (كيوبت) ، مما يجعلها أول جهاز يصل إلى 3 أرقام. لكن هذا الإنجاز ليس سوى خطوة واحدة في أجندة قوية تعززها استثمارات بمليارات الدولارات في جميع أنحاء الصناعة.

شريحة “Eagle” هي خطوة نحو هدف IBM المتمثل في إنشاء معالج كمي بسعة 433 كيلوبت في العام المقبل ، يليه معالج يحتوي على 1121 كيوبت يسمى Condor بحلول عام 2023. وهذه الأهداف هي صدى لتلك الأهداف التي وضعتها صناعة الإلكترونيات لعقود من الزمن لتصغير رقائق السيليكون. ، كما يقول جيري تشاو ، رئيس مجموعة الحوسبة الكمومية التجريبية لشركة آي بي إم في مركز توماس جيه واتسون للأبحاث في يوركتاون هايتس ، نيويورك.

الشركات الأخرى – بما في ذلك شركتا التكنولوجيا العملاقتان Google و Honeywell ، وعدد كبير من الشركات الناشئة الممولة تمويلًا جيدًا – لديها خطط طموحة بالمثل. في النهاية ، يهدفون إلى جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على أداء مهام معينة بعيدة عن متناول حتى أكبر أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تستخدم التكنولوجيا الكلاسيكية.

“من الجيد أن يكون لديك أهداف طموحة ، ولكن ما يهم هو ما إذا كان بإمكانهم تنفيذ خططهم” ، هذا ما قاله منظّر المعلومات الكمومية جون بريسكيل John Preskill في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في باسادينا.

ميزة الكم

من خلال استغلال قوانين فيزياء الكم لمعالجة المعلومات الثنائية ، يمكن لدوائر الحوسبة الكمومية مثل رقاقة إيجل فعل حسابات لا يمكن محاكاتها بسهولة على الحواسيب الفائقة الكلاسيكية. ذكرت Google الشهيرة أنها حققت مثل هذه “الميزة الكمية” في عام 20191، باستخدام كيوبتات مصنوعة ، مثل آي بي إم ، مع حلقات فائقة التوصيل. أبلغ فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية (USTC) في خفي العام الماضي عن تحقيق ميزة كمية باستخدام كيوبتات ضوئية.2؛ هذا العام ، فعلت الشيء نفسه مع كيوبتات فائقة التوصيل3.

لكن الباحثين يحذرون من أن المهام التي أعطيت لهذه الآلات كانت مصطنعة. يقول الفيزيائي تشاو يانغ لو ، الذي شارك في قيادة جهود USTC: “الحالة الحالية للفن هي أنه لم تظهر أي تجربة ميزة كمية للمهام العملية حتى الآن”. يتطلب حل مشاكل العالم الحقيقي مثل محاكاة جزيئات الأدوية أو المواد باستخدام كيمياء الكم أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية أكبر وأكثر قوة بشكل كبير.

يعتقد مهندس الكم أندرو دزوراك في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني بأستراليا أنه مع وجود رقائق 1000 كيلوبت مثل كوندور المخطط لشركة آي بي إم ، فإن التكنولوجيا قد تبدأ في إثبات قيمتها. يقول: “من المأمول أن تتمكن من حل بعض المشكلات المفيدة وحتى ذات القيمة التجارية باستخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية في نطاق من ألف إلى مليون كيوبت”. “ولكن للقيام بأشياء تحويل نموذجي حقًا ، ستحتاج إلى ملايين من الكيوبتات الفيزيائية.”

تحديات رقاقة

تحتوي شريحة Eagle على ضعف عدد الكيوبتات تقريبًا مثل دائرة الكم الرئيسية السابقة لشركة IBM ، وهي الطائر الطنان بسعة 65 كيلوبت. يقول تشاو إن الزيادة تطلبت من الفريق حل العديد من المشكلات الهندسية. لتمكين كل كيوبت من التفاعل مع العديد من الآخرين ، اختار الباحثون ترتيبًا ، حيث يرتبط كل منهم باثنين أو ثلاثة من الجيران على شبكة سداسية. وللسماح بالتحكم الفردي في كل كيوبت بدون تشابك أسلاك لا يمكن التحكم فيه ، وضع الفريق الأسلاك والمكونات الأخرى على عدة طبقات مكدسة. يقول تشاو إنه لحل مشكلة “التغليف” هذه ، اعتمد الباحثون على خبرة البنى ثلاثية الأبعاد في الرقائق التقليدية. ويضيف أنه كان من المهم أيضًا العثور على المواد التي من شأنها أن تؤدي أداءً جيدًا في درجات الحرارة المنخفضة للغاية اللازمة لتعمل الكيوبتات فائقة التوصيل.

لكن قوة المعالجة للدائرة الكمومية لا تتعلق فقط بعدد الكيوبتات الموجودة بها. ويعتمد ذلك أيضًا على مدى سرعة عملها ومدى مقاومتها للأخطاء التي قد تؤدي إلى التدافع في الحساب ، على سبيل المثال بسبب التقلبات العشوائية. يقول تشاو إنه لا يزال هناك مجال للتحسين في جميع هذه النواحي للكيوبتات فائقة التوصيل.

يعتبر التعامل مع الأخطاء أمرًا صعبًا بشكل خاص ، لأن قوانين الفيزياء تمنع أجهزة الكمبيوتر الكمومية من استخدام طرق تصحيح الأخطاء الخاصة بالآلات الكلاسيكية ، والتي تتطلب عادةً الاحتفاظ بنسخ متعددة من كل بت.

بدلاً من ذلك ، يهدف الباحثون إلى بناء “كيوبتات منطقية” – حيث يمكن تحديد جميع الأخطاء تقريبًا وتصحيحها – من الترتيبات المعقدة للعديد من الكيوبتات المادية. تتطلب الإجراءات المقترحة حتى الآن عادةً أن يحتوي كل كيوبت منطقي على حوالي 1000 كيوبت فيزيائي ، على الرغم من أن هذه النسبة تعتمد على الدقة الجوهرية – مقاومة الخطأ – للكيوبتات المادية ، كما يقول دزوراك.

تصحيح الاخطاء

تأمل بعض الأساليب الأخرى لبناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية في الاستفادة من الكيوبتات ذات معدلات الخطأ الجوهرية المنخفضة. هذه إحدى الميزات المحتملة لاستخدام الأيونات المحاصرة مثل الكيوبتات ، كما فعلت شركة IonQ ، التي خرجت من البحث في جامعة ميريلاند في كوليدج بارك ، والتي جمعت الشهر الماضي أكثر من 600 مليون دولار عندما أصبحت أول كمية بحتة- شركة كمبيوتر للتداول علنًا في بورصة نيويورك – وهي صفقة قدرت الشركة بنحو 2 مليار دولار. Rigetti Computing ، وهي شركة ناشئة في بيركلي ، كاليفورنيا ، تم طرحها للاكتتاب العام أيضًا هذا العام ، بقيمة 1.5 مليار دولار.

أعلن كريستوفر مونرو ، المؤسس المشارك لشركة IonQ ، والفيزيائي بجامعة ميريلاند ، وزملاؤه الشهر الماضي عن وجود كيوبت منطقي متسامح مع الأخطاء مصنوع من 13 كيوبت أيون محاصر فقط.4، على الرغم من أن Dzurak يقول أن درجة تصحيح الخطأ الخاصة به كانت “لا تزال بعيدة إلى حد ما عما هو مطلوب لجهاز كمبيوتر كمي مفيد ، والذي يحتاج إلى معدلات خطأ منطقية أقل بكثير من واحد في المليون”.

في غضون ذلك ، حقق فريق Google معدلات خطأ منطقية مماثلة باستخدام 21 كيوبت فائقة التوصيل5: مرة أخرى ، “نتيجة مهمة” ، كما يقول دزوراك ، لكنها لا تزال بعيدة عن المطلوب لحل مشكلة تصحيح الخطأ.

لكن تشاو يحذر من التركيز كثيرًا على الوصول إلى كيوبتات منطقية. يقول: “لن يكون لدينا موقف نقلب فيه مفتاحًا ونقول” تصحيح الخطأ قيد التشغيل “. “يعد تحسين أداء الكيوبت قصة أكثر أهمية من إنشاء كيوبتات منطقية وقسمة كل شيء على ألف.”

إشارة دفعة

تحاول شركة IBM وغيرها اكتساب فهم مفصل للضوضاء المرتبطة بالخطأ في الدائرة ، ثم استخراجها – مثل إلغاء الضوضاء لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الصوتيات.

يقول تشاو ، بعيدًا عن الأجهزة على مستوى كوندور ، من المرجح أن تصبح تصميمات الدوائر معيارية ، مع العديد من الشرائح المرتبطة من خلال “الوصلات البينية الكمية”. لم يتضح بعد أفضل طريقة للقيام بذلك – ربما باستخدام إشارات تردد الميكروويف المستخدمة حاليًا لإدخال البيانات وإخراجها إلى كيوبتات فائقة التوصيل ، أو ربما عن طريق تحويل المعلومات الكمومية إلى إشارات تعتمد على الضوء. يقول تشاو: “إنه مجال بحث جديد تمامًا”.

يعتقد العديد من الباحثين أن أول تطبيقات العالم الحقيقي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية من المحتمل أن تكون في مجالات متخصصة نسبيًا ، مثل محاكاة الجزيئات والمواد ، ومشاكل التعلم الآلي والتحسين في الصناعات بما في ذلك التمويل. للوصول إلى هذه المرحلة ، “أتوقع أن نرى تحسنًا تدريجيًا في الأداء بدلاً من قفزة مفاجئة إلى الأمام” ، كما يقول بريسكيل. “من المحتمل أن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن نتمكن من تشغيل تطبيقات مفيدة.”

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *