الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي

بينما تنشأ عناصر الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي في عالم رياضي بحت، فقد تشير التجارب في أنظمة القاعة الكمية الكسرية إلى إمكانية إنشاء هذه العناصر في العالم الحقيقي، باستخدام أشباه موصلات مصنوعة من زرنيخيد الغاليوم عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق وتخضع لمجالات مغناطيسية قوية.

ما هو الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي

الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي هو كمبيوتر كمي نظري اقترحه الفيزيائي الروسي الأمريكي أليكسي كيتاييف في عام 1997، ويستعمل أشباه الجسيمات في أنظمة ثنائية الأبعاد تسمى (anyons)، والتي تمر خطوطها العالمية حول بعضها البعض لتشكيل ضفائر في زمكان ثلاثي الأبعاد، أي أحد الأبعاد الزمنية بالإضافة إلى بعدين مكانيين.

تشكل هذه الضفائر البوابات المنطقية التي يتكون منها الكمبيوتر، حيث تتمثل ميزة الكمبيوتر الكمي القائم على الضفائر الكمومية على استخدام جزيئات الكم المحاصرة في أن الأول أكثر استقرارًا، حيث يمكن أن تتسبب الاضطرابات التراكمية الصغيرة في حدوث حالات كمومية (decohere) وإدخال أخطاء في الحساب.

لكن مثل هذه الاضطرابات الصغيرة لا تغير الخصائص الطوبولوجية للضفائر، وهذا يشبه الجهد المطلوب لقطع خيط وإعادة ربط الأطراف لتشكيل جديلة مختلفة، على عكس الكرة التي تمثل جسيمًا كميًا عاديًا في الزمكان رباعي الأبعاد، وتصطدم بجدار.

الأيونات في الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي

الأيونات هي أشباه جسيمات في فضاء ثنائي الأبعاد، حيث أن الأيونات ليست فرميونات ولا بوزونات، لكنها مثل الفرميونات لا يمكنها احتلال نفس الحالة، وبالتالي لا يمكن أن تتقاطع أو تندمج الخطوط العالمية لاثنين من الأيونات، مما يسمح لمساراتهما بتكوين ضفائر مستقرة في الزمكان، ويمكن أن تتكون أيونات من إثارة في غاز إلكترون بارد ثنائي الأبعاد في مجال مغناطيسي قوي جدًا وتحمل وحدات كسرية من التدفق المغناطيسي.

تسمى هذه الظاهرة بتأثير هول الكمي الكسري، حيث أنه في أنظمة المختبرات النموذجية يحتل غاز الإلكترون طبقة رقيقة شبه موصلة محصورة بين طبقات من زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم، وعندما يتم مضفر أيونات، فإن تحول الحالة الكمومية للنظام يعتمد فقط على الطبقة الطوبولوجية لمسارات أيون، والتي يتم تصنيفها وفقًا لمجموعة الضفائر.

لذلك، فإن المعلومات الكمية المخزنة في حالة النظام تكون قوية ضد الأخطاء الصغيرة في المسارات، وفي عام 2005 اقترح بعض العلماء جهاز قاعة كمومية من شأنه أن يحقق كيوبت طوبولوجيًا، وفي تطور رئيسي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية ادعو أنهم أنشأوا ولاحظوا أول دليل تجريبي لاستخدام تأثير هول الكمي الكسري لإنشاء أيونات فعلية، على الرغم من أن آخرين اقترحوا يمكن أن تكون نتائجهم نتاج ظواهر لا تنطوي على أي شخص.

لم يتم تأكيد أي حيوان أبيليان، وهو نوع مطلوب لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية تجريبياً، حيث تم العثور على أدلة تجريبية محتملة، لكن الاستنتاجات لا تزال محل خلاف، وفي عام 2018 ادعى العلماء مرة أخرى أنهم عزلوا جسيمات ماجورانا المطلوبة، ولكن تم التراجع عن الاكتشاف، إذ لم يُظهر أحد بشكل مقنع وجود حتى شبه جسيم واحد (وضع ماجورانا صفر).

الفرق بين الكومبيوتر الطوبولوجي والكمبيوتر الكمي القياسي

• تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية الطوبولوجية مكافئة في القوة الحسابية للنماذج القياسية الأخرى للحساب الكمي، ولا سيما نموذج الدائرة الكمومية ونموذج آلة تورينج الكمومية، أي أن أيًا من هذه النماذج يمكنه محاكاة أي من النماذج الأخرى بكفاءة.

• ومع ذلك، قد تكون بعض الخوارزميات أكثر ملاءمة لنموذج الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي، على سبيل المثال تم تطوير خوارزميات لتقييم كثير حدود جونز لأول مرة في النموذج الطوبولوجي، وتم تحويلها وتوسيعها لاحقًا في نموذج الدائرة الكمومية القياسي.

• على الرغم من أن الضفائر الكمومية هي بطبيعتها لا تتحرك، وجيدة أكثر من الجسيمات الكمومية المحاصرة، هناك حاجة للتحكم في الأخطاء التي تسبب التقلبات الحرارية، والتي تنتج أزواجًا عشوائية من أيونات تتداخل مع الضفائر المجاورة، حيث إن التحكم في هذه الأخطاء هو ببساطة مسألة فصل الأيونات إلى مسافة ينخفض ​​فيها معدل تداخل الشوارد إلى ما يقرب من الصفر.

• قد تكون محاكاة ديناميكيات الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي طريقة واعدة لتنفيذ الحساب الكمي المتسامح مع الأخطاء حتى مع مخطط معالجة المعلومات الكمومية القياسي، حيث درس روسندورف وهارينجتون وجويال نموذجًا واحدًا، مع نتائج محاكاة واعدة.

حسابات الكومبيوتر الطوبولوجي مقابل الكمبيوتر الكمي القياسي

وللارتقاء إلى مستوى كبير، يجب أن يوفر الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي الخصائص الحسابية الفريدة التي وعد بها تصميم الكمبيوتر الكمي التقليدي، والذي يستخدم الجسيمات الكمومية المحاصرة، وفي عام 2000 أثبت بعض العلماء أن الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي يمكنه من حيث المبدأ إجراء أي حسابات يمكن أن يقوم بها الكمبيوتر الكمومي التقليدي، والعكس صحيح.

ووجدوا أن جهاز الكمبيوتر الكمي التقليدي، في ظل تشغيل دوائره المنطقية خالية من الأخطاء سيعطي حلاً بمستوى مطلق من الدقة، في حين أن جهاز الحوسبة الكمومية الطوبولوجية مع تشغيل لا تشوبه شائبة سيعطي الحل بمستوى محدود فقط من صحة، ومع ذلك يمكن الحصول على أي مستوى من الدقة للإجابة عن طريق إضافة المزيد من التقلبات الجديلدة إلى الكمبيوتر الكمومي الطوبولوجي في علاقة خطية بسيطة.

بمعنى آخر يمكن أن تحقق زيادة معقولة في العناصر في درجة عالية من الدقة في الإجابة، حيث تتم الحسابات الفعلية بواسطة حالات الحافة لتأثير هول الكمي الكسري، وهذا يجعل النماذج ذات البعد الواحد مهمة، في أحد أبعاد الفراغ، حيث يتم تعريف الأيونات جبريًا.