الكيوبت الطوبولوجي الكمي

طور العلماء أجهزة يمكنها إنشاء خصائص كمومية تخيلها العلماء لما يقرب من قرن من الزمان، ولكنهم لم يتمكنوا من إنتاجها بشكل لا لبس فيه في العالم الحقيقي حتى الآن.

ما هو جهاز الكيوبت الطوبولوجي الكمي

تم اختراع جهاز يقوم باختراق علمي رئيسي يوضح اللبنات الأساسية المراوغة لبت كمومي طوبولوجي، أو كيوبت، والذي سعت إليه مايكروسوفت منذ فترة طويلة باعتباره المسار الواعد لتطوير كمبيوتر كمي قابل للتطوير سيطلق جيلًا جديدًا من قدرات الحوسبة التي لم يتم تصورها بعد.

المدهش هو أن البشر تمكنوا من هندسة نظام لإظهار واحدة من أكثر أجزاء الفيزياء غرابة في الكون، حيث يتوقع الاستفادة من هذا للقيام بما لا يمكن تصوره تقريبًا من أجل الدفع باتجاه آلة كمومية تتسامح مع الأخطاء والتي ستمكّن من الحساب على مستوى جديد تمامًا أقرب إلى الطريقة التي تعمل بها الطبيعة.

بناءً على عقدين من البحث العلمي والاستثمارات الحديثة في المحاكاة والتصنيع، صمم فريق أزور كوانتم أجهزة تسمح لهم بإحداث مرحلة طوبولوجية من المادة محجوزة بواسطة زوج من أوضاع ماجورانا الصفرية، إذ ان  هذه الاستثارات الكمومية لا توجد عادة في الطبيعة ويجب إقناعها بالظهور في ظل ظروف دقيقة بشكل لا يصدق.

سعى العلماء إلى إنشاء هذه الإثارة ومراقبتها منذ ظهورها لأول مرة في عام 1937. وفي الآونة الأخيرة أدركوا أن أوضاع صفر ماجورانا يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في حماية المعلومات الكمية وتمكين الحسابات الموثوقة.

المشاكل التي تواجه الكيوبت الكمي الطوبولوجي

حتى مع قدرات الحوسبة الهائلة اليوم فإن بعض هذه المشكلات تتجاوز حدود أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، والتي تتطلب سنوات أو عقودًا أو عمر الكون لحلها، على النقيض من ذلك تسعى أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى استخدام ميكانيكا الكم، وهي نفس القوانين والمعادلات الرياضية التي تصف كيف تتصرف الجسيمات دون الذرية لمعالجة المعلومات بطرق جديدة تمامًا، وعلى نطاق لم يكن من الممكن الوصول إليه سابقًا.

قال بعض الباحثين إن معرفة كيفية إطعام العالم أو علاجه من تغير المناخ سيتطلب اكتشافات أو تحسينًا للجزيئات التي لا يمكن ببساطة القيام بها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية الحالية، وهذا هو المكان الذي تبدأ فيه آلة الكم.

الحالات الكمومية، بطبيعتها هشة للغاية وعرضة للاضطراب، مما يجعل من الصعب الحفاظ على حالة يمكن فيها للكيوبتات إجراء العمليات الحسابية بشكل موثوق، ولتقديم مزايا أكثر من الحوسبة الكلاسيكية، تحتاج الكيوبتات أيضًا إلى معالجة المعلومات بسرعة، ولا يمكن أن تكون مكونات الآلة الكمومية كبيرة جدًا، مما يجعل الأنظمة المبنية على أنواع معينة من الكيوبتات صعبة القياس.

يتمثل أحد التحديات في تطوير جهاز كمبيوتر كمومي في أن الكيوبتات تنهار بسهولة وتتلاشى عندما تواجه ضجيجًا بيئيًا مثل الحرارة أو الجسيمات دون الذرية الشاردة أو المجالات المغناطيسية، حيث يتم فقد المعلومات ولم تعد الكيوبتات مفيدة للحساب.

تبدأ الأخطاء في الحدوث، حيث يجب على الكمبيوتر الكمومي أن يكرس المزيد من الكيوبتات غير الموثوقة لتصحيحها، إذ يبدو الأمر أشبه بمحاولة إبقاء غرفة كاملة من الأطباق تدور على عيدان تناول الطعام عندما يتسبب أصغر اضطراب في عدم توازن أحد الأطباق ويبدأ في الاصطدام بجميع الأطباق الأخرى.

معالجة المشاكل التي تواجه الكيوبت الطوبولوجي الكمي

قرر أزور كوانتم أن معالجة هذه المشكلات الواقعية الملحة تتطلب أجهزة كمبيوتر كمومية توظف مليون كيوبت أو أكثر، وحتى الآن استخدمت العروض العامة للحوسبة الكمومية القائمة على البوابة أقل من 130، ويتوقع خبراء مايكروسفت أن العديد من كيوبتات اليوم لها قيود تجعل من الصعب تحقيق النطاق اللازم لدعم التطبيقات الكمومية التجارية.

لهذا السبب ركز أزور كوانتم على تطوير كيوبتات طوبولوجية، والتي من المتوقع أن تكون أسرع وأصغر وأقل عرضة لفقدان المعلومات من الأنواع الأخرى للكيوبتات قيد التطوير حاليًا، إذ تعتقد مايكروسفت أن إنشاء كيوبت طوبولوجي أكثر استقرارًا هو أوضح وأسرع طريق لبناء آلة كمومية على نطاق صناعي.

أسباب تطوير الكيوبتات الكمومية

• تتبع صناعة الكم حاليًا العديد من الأساليب المختلفة لتطوير الكيوبتات، فعندما يمكن الحفاظ على الكيوبتات في الحالة المثلى، يمكن للكمبيوتر الكمومي أن يستغل نظريًا خصائص ميكانيكا الكم، مثل التراكب والتشابك والتداخل لحل مشكلات معينة مع العديد من المتغيرات والحلول الممكنة في جزء صغير من الوقت الذي تستغرقه أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، لكن لا يوجد كمبيوتر كمي حتى الآن على نطاق يمكنه أن يفي بوعد حل مشاكل العالم الحقيقي المعقدة.

• تمكن عملاء أزور كوانتم اليوم من تحقيق فوائد مبكرة ولكنها ذات مغزى من تكنولوجيا الكم، مثل استخدام مبادئ الكم في الخوارزميات الكلاسيكية لتسريع حلول التحسين، إذ يمكنهم أيضًا البدء في تعلم كيفية برمجة حلول كمومية دائمة يمكن اختبارها وتشغيلها على الجيل الحالي للصناعة من الأجهزة الكمومية، وركز كل قرار وكل استثمار على هدف واحد طويل المدى في تطوير آلة كم ودعم نظام بيئي يسمح بحل المشكلات الواقعية على مستوى المؤسسة باستخدام التكنولوجيا.

• تم تصميم آلة الكم هذه للعمل جنبًا إلى جنب مع موارد الحوسبة الكلاسيكية في أزور كوانتم لتزويد العملاء بإمكانات جديدة، على سبيل المثال قد تكون شركة كيميائية قادرة على تصميم محفزات جديدة في غضون أسابيع بدلاً من عقود في المختبر، وقد يكون العلماء قادرين على كشف أسرار الطبيعة للحصول على الضوء بشكل أكثر استدامة وتحسين الخلايا الكهروضوئية للحصول على طاقة أنظف.

كيفية إنشاء حماية طوبولوجية

• لإنشاء حماية طوبولوجية، يمكن تشفير المعلومات الكمومية في زوج من أوضاع صفر ماجورانا مفصولة ماديًا هذا يجعل الكيوبت الطوبولوجي أكثر مناعة ضد الضوضاء البيئية، والتي لا يمكنها التفاعل مع المعلومات أو تدميرها عندما تواجه واحدة فقط.

• إن الطريقة الوحيدة لإلغاء تأمين المعلومات الكمومية هي النظر إلى الحالة المشتركة لكلا وضعي صفر ماجورانا في نفس الوقت، إذ إن أخذ هذه القياسات بطريقة استراتيجية يمكّن العمليات الكمية ويخلق حماية متأصلة للكيوبت.

• لقد احتاج الباحثون إلى توضيح كيفية إنشاء المرحلة الطوبولوجية التي تمنح مزايا الاستقرار والسرعة والحجم هذه بشكل موثوق، فلقد طوروا عملية تقوم فيها بوضع طبقات من المواد شبه الموصلة وفائقة التوصيل على جهاز بطريقة دقيقة للغاية من الناحية الذرية.

• وفي ظل وجود حقول مغناطيسية وجهد معين يمكن للأجهزة إنتاج طور طوبولوجي بزوج من أوضاع صفرية ماجورانا تتميز بتوقيعات الطاقة المنبهة التي ستظهر في أي من طرفي الأسلاك النانوية في ظل الظروف المناسبة وفجوة طوبولوجية قابلة للقياس.

• عند استكشاف الأبنية التي ستلبي متطلبات تشغيل التطبيقات الكمية العملية، توصل خبراء الكم في إلى الاعتقاد بأن الكيوبت الطوبولوجي هو اللبنة الوحيدة التي فحصت جميع المربعات الثلاثة لجهاز كمبيوتر كمي يمكنه تحقيق المقياس اللازم للاستخدام العملي.