أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الذرة المحايدة تمر بلحظة – عالم الفيزياء

في السباق نحو منصة الحوسبة الكمومية في المستقبل، كانت الذرات المحايدة أقل حظًا إلى حد ما. في حين أن البتات الكمومية (الكيوبتات) المبنية على ذرات محايدة تتمتع بالعديد من الخصائص الجذابة، بما في ذلك سهولة زيادة أعداد الكيوبتات وتنفيذ العمليات عليها بالتوازي، فقد تركز معظم الاهتمام على المنصات المنافسة. يتم تصنيع العديد من الآلات الكبيرة باستخدام الكيوبتات فائقة التوصيل، بما في ذلك تلك التي تم تطويرها في IBM, شراء مراجعات جوجل, أمازونو مایکروسافت. وقد اختارت شركات أخرى للأيونات، مثل هانيويل و ايون كيوأو الفوتونات، مثل اكسانادو.

ومع ذلك، ففي الأسابيع القليلة الماضية، دفعت العديد من التطورات الملفتة للنظر الذرات المحايدة نحو مقدمة المجموعة. أحدهم جاء من شركة ناشئة تُدعى Atom Computing، والتي أعلن في أواخر أكتوبر أنه سيكون قريبا آلة ذرة محايدة بسعة 1000 كيوبت جاهز للعملاء – أول جهاز كمي تجاري يتجاوز هذا الإنجاز. أما الآخرون فقد جاءوا من ثلاثة فرق من الباحثين الذين نشروا دراسات منفصلة في الطبيعة وصف منصات الذرة المحايدة ذات الضوضاء المنخفضة، وقدرات جديدة لتخفيف الأخطاء وإمكانات قوية للتوسع إلى أعداد أكبر من البتات الكمومية.

بالنسبة لأي منصة كيوبت، فإن أكبر العوائق أمام العمليات الكمومية القوية هي الضوضاء والأخطاء التي تسببها. يقول: "إن تصحيح الأخطاء هو في الحقيقة حدود الحوسبة الكمومية". جيف طومسون، عالم فيزياء بجامعة برينستون بالولايات المتحدة والذي قاد إحدى الدراسات الثلاث مع شروتي بوري من جامعة ييل بالولايات المتحدة. "إنه الشيء الذي يقف بيننا ويقوم بالفعل بإجراء حسابات مفيدة."

السبب وراء أهمية تصحيح الأخطاء هو أنه يجعل العمليات الحسابية ممكنة حتى لو كانت الأجهزة الأساسية عرضة للضوضاء. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية استراتيجية بسيطة لتصحيح الأخطاء تسمى رمز التكرار: قم بتخزين نفس المعلومات عدة مرات بحيث إذا كان هناك خطأ في بت واحد، فإن "تصويت الأغلبية" للبتات المتبقية سيظل يشير إلى القيمة الصحيحة. تعد خوارزميات تصحيح الأخطاء الكمومية في الأساس إصدارات أكثر تعقيدًا من هذا، ولكن قبل أن تتمكن المنصة من الاستفادة منها، يجب أن تستوفي أجهزتها بعض متطلبات الدقة الدنيا. بالنسبة للخوارزميات الكمومية التقليدية، فإن القاعدة الأساسية هي أن معدل الخطأ للحد الأدنى من وحدة الحساب الكمي ــ البوابة الكمومية ــ يجب أن يكون أقل من 1%.

خفض الضوضاء

الباحثون بقيادة ميخائيل لوكين من جامعة هارفارد بالولايات المتحدة الأمريكية الإبلاغ الآن أن الكمبيوتر الكمي ذو الذرة المحايدة قد وصل إلى هذا الحد، محققًا معدل خطأ قدره 0.5%. لقد وصلوا إلى هذا الإنجاز من خلال تنفيذ بوابات ثنائية الكيوبت بطريقة رائدة من قبل الفرق في ألمانيا و فرنسا، وآلتهم، التي طوروها مع زملائهم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) المجاور، تعمل على النحو التالي.

أولاً، يتم تبريد بخار ذرات الروبيديوم إلى درجة أعلى بقليل من الصفر المطلق. بعد ذلك، يتم التقاط الذرات الفردية والاحتفاظ بها بواسطة أشعة ليزر مركزة بإحكام في تقنية تعرف باسم الملقط البصري. تمثل كل ذرة كيوبتًا واحدًا، ويتم ترتيب المئات منها في مصفوفة ثنائية الأبعاد. يتم تخزين المعلومات الكمومية في هذه الكيوبتات – صفر أو واحد أو التراكب الكمي للاثنين – في مستويين مختلفين من الطاقة لذرات الروبيديوم.

ولتنفيذ بوابة ثنائية الكيوبت، يتم تقريب ذرتين من بعضهما البعض ويتم إضاءتهما في نفس الوقت بواسطة الليزر. تعمل الإضاءة على ترقية أحد إلكترونات الذرة إلى مستوى طاقة مرتفع يُعرف باسم حالة ريدبيرج. وبمجرد وصولها إلى هذه الحالة، تتفاعل الذرات بسهولة مع جيرانها القريبين، مما يجعل تشغيل البوابة ممكنًا.

لتحسين دقة العملية، استخدم الفريق تسلسل نبضي محسّن تم تطويره مؤخرًا لإثارة الذرتين إلى حالة ريدبيرج وإعادتهما إلى الأسفل. يعد تسلسل النبض هذا أسرع من الإصدارات السابقة، مما يمنح الذرات فرصة أقل للتحلل إلى الحالة الخاطئة، الأمر الذي قد يؤدي إلى كسر الحساب. وقد سمح الجمع بين هذا مع التحسينات التقنية الأخرى للفريق بالوصول إلى دقة تصل إلى 99.5% للبوابات ثنائية الكيوبت.

وعلى الرغم من أن منصات أخرى حققت دقة مماثلة، إلا أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الذرة المحايدة يمكنها إجراء المزيد من العمليات الحسابية بالتوازي. في تجربتهم، قام لوكين وفريقه بتطبيق بوابة ثنائية الكيوبت على 60 كيوبت في وقت واحد ببساطة عن طريق إضاءتها بنفس نبضة الليزر. يقول لوكين: "هذا يجعل الأمر مميزًا للغاية، لأنه يمكننا الحصول على دقة عالية ويمكننا القيام بذلك بالتوازي مع تحكم عالمي واحد فقط. ولا يمكن لأي منصة أخرى أن تفعل ذلك في الواقع.

محو الأخطاء

بينما قام فريق لوكين بتحسين تجربته لتلبية عتبة الإخلاص لتطبيق خطط تصحيح الأخطاء، وجد طومسون وبوري، بالتعاون مع زملائهم في جامعة ستراسبورغ، فرنسا، طريقة لتحويل أنواع معينة من الأخطاء إلى عمليات مسح، وإزالتها من النظام تمامًا . وهذا يجعل تصحيح هذه الأخطاء أسهل بكثير، مما يخفض عتبة نجاح أنظمة تصحيح الأخطاء.

يشبه إعداد طومسون وبوري إعداد فريق جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث يتم وضع ذرات فردية شديدة البرودة في ملاقط بصرية. والفرق الرئيسي هو أنهم استخدموا ذرات الإيتربيوم بدلاً من الروبيديوم. يمتلك الإيتربيوم بنية أكثر تعقيدًا على مستوى الطاقة من الروبيديوم، مما يجعل العمل معه أكثر صعوبة ولكنه يوفر أيضًا المزيد من الخيارات لتشفير الحالات الكمومية. في هذه الحالة، قام الباحثون بتشفير "صفر" و"واحد" للكيوبتات الخاصة بهم في حالتين شبه مستقرتين، بدلاً من أدنى مستويين تقليديين للطاقة. على الرغم من أن هذه الحالات شبه المستقرة لها عمر أقصر، فإن العديد من آليات الخطأ المحتملة قد تخرج الذرات من هذه الحالات إلى الحالة الأساسية، حيث يمكن اكتشافها.

تعد القدرة على حذف الأخطاء بمثابة نعمة كبيرة. تقليديًا، إذا كان أكثر من نصف البتات في رمز التكرار يحتوي على أخطاء، فسيتم إرسال المعلومات الخاطئة. يوضح طومسون: "لكن مع نموذج المحو، فهو أقوى بكثير لأنني أعرف الآن الأجزاء التي بها خطأ، لذا يمكنني استبعادها من تصويت الأغلبية". "لذا كل ما أحتاجه هو أن يتبقى جزء واحد جيد."

وبفضل تقنية تحويل المحو، تمكن طومسون وزملاؤه من اكتشاف حوالي ثلث الأخطاء في الوقت الفعلي. على الرغم من أن دقة البوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 98% أقل من دقة جهاز فريق جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلا أن طومسون يشير إلى أنهم استخدموا طاقة ليزر أقل بحوالي 10 مرة لتشغيل بوابتهم، وستؤدي زيادة الطاقة إلى تعزيز الأداء مع السماح أيضًا سيتم اكتشاف جزء أكبر من الأخطاء. تعمل تقنية مسح الأخطاء أيضًا على خفض عتبة تصحيح الأخطاء إلى أقل من 000%؛ وفي السيناريو الذي يتم فيه تحويل جميع الأخطاء تقريبًا إلى عمليات مسح، وهو ما يقول طومسون إنه أمر ممكن، يمكن أن تصل العتبة إلى 99%.

محو الخطأ المتعدد

في باقة النتيجة ذات الصلةقام باحثون في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بالولايات المتحدة (Caltech) أيضًا بتحويل الأخطاء إلى عمليات مسح. آلة الذرة المحايدة القائمة على السترونتيوم هي نوع أكثر تقييدًا من الكمبيوتر الكمي المعروف باسم المحاكي الكمي: في حين يمكنهم إثارة الذرات حتى حالة ريدبيرج وإنشاء تراكبات متشابكة بين الأرض وحالات ريدبيرج، فإن نظامهم لديه حالة أرضية واحدة فقط، مما يعني أنهم لا يستطيعون تخزين المعلومات الكمومية على المدى الطويل.

يوفر كيوبت الذرة المحايد الجديد مزايا للحوسبة الكمومية

ومع ذلك، فقد قاموا بإنشاء هذه التراكبات المتشابكة بدقة غير مسبوقة: 99.9%. كما قاموا أيضًا بعمل تراكب ضخم لا يتكون من ذرتين فقط، بل 26 ذرة، وقاموا بتحسين دقة القيام بذلك عن طريق مسح بعض الأخطاء. يقول: "لقد أظهرنا بشكل أساسي أنه بإمكانك إدخال هذه التقنية بشكل هادف إلى عالم الأجسام المتعددة". آدم شو، طالب دكتوراه في مجموعة مانويل إندريس في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.

تُظهِر التطورات الثلاثة معًا قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الذرة المحايدة، ويقول الباحثون إنه يمكن دمج أفكارهم في آلة تعمل بشكل أفضل من تلك التي تم عرضها حتى الآن. ويختتم لوكين كلامه قائلاً: "إن حقيقة ظهور كل هذه الأعمال معًا، هي إشارة إلى أن شيئًا مميزًا على وشك الحدوث".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/neutral-atom-quantum-computers-are-having-a-moment/