تم التغلب على واحدة من أكبر العقبات التقنية المتبقية في السباق لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية عملية، وفقًا لخبراء في هذا المجال، مما قد يفتح الطريق أمام أول أنظمة كاملة النطاق بحلول نهاية هذا العقد.
أحدث علامة على التفاؤل المتزايد في السعي المستمر منذ عقود لأجهزة الكمبيوتر العملية القائمة على مبادئ ميكانيكا الكم تأتي في أعقاب ادعاء جوجل بأنها تجاوزت مرحلة مهمة في التغلب على عدم الاستقرار المتأصل في الأنظمة الكمومية.
وقد جذبت النتائج الاهتمام في عالم الحوسبة الكمومية منذ نشرها لأول مرة بشكل غير رسمي في أغسطس. وفي يوم الاثنين، ظهروا في مجلة Nature الخاضعة لمراجعة النظراء.
وأصدرت جوجل أيضًا تفاصيل عن الشريحة الكمومية الجديدة الأكثر قوة التي صنعتها لتنفيذ العرض التوضيحي، والتي قالت إنها ستساعدها على توسيع نطاق التكنولوجيا الحالية للوصول إلى فائدة عملية.
وقد قارن الخبراء في هذا المجال إنجاز جوجل بإنجاز علمي آخر، وهو أول تفاعل نووي متسلسل من صنع الإنسان في عام 1942. وكان هذا الإنجاز متوقعًا أيضًا من الناحية النظرية منذ فترة طويلة، ولكنه استغرق تقدمًا ثابتًا في المعدات على مدار سنوات عديدة لجعله عرضًا عمليًا ممكنًا. .
وقال ويليام أوليفر، أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، عن العرض الكمي الذي قدمته جوجل: “لقد تم اقتراح هذا نظريًا في التسعينيات”. “لقد كنا ننتظر هذه النتيجة لسنوات عديدة.”
وقال سكوت آرونسون، أستاذ علوم الكمبيوتر في جامعة تكساس في أوستن: “غالباً ما يستغرق الأمر عقوداً من الزمن حتى تتمكن الهندسة من اللحاق بهذه النظرية، وهذا ما نراه هنا”.
منذ أن تم اقتراح فكرة الحواسيب الكمومية لأول مرة، كان أحد أكبر العوائق هو بناء أنظمة مستقرة بما يكفي للتعامل مع عمليات الحوسبة واسعة النطاق.
وهي تعتمد على التأثيرات الكمومية مثل التراكب، حيث توجد الجسيمات في أكثر من حالة في نفس الوقت، والتشابك، حيث تتفاعل الجسيمات في الحالة الكمومية مع بعضها البعض. لكن البتات الكمومية، أو الكيوبتات، التي بنيت عليها الأنظمة، تحتفظ بحالتها الكمومية لأجزاء صغيرة فقط من الثانية، مما يعني أن أي معلومات تحتفظ بها تُفقد بسرعة.
كلما زاد عدد الكيوبتات المشاركة في الحساب، وزاد عدد العمليات الحسابية التي يتم إجراؤها، زاد “الضجيج” الذي يزحف مع تفاقم الأخطاء. لقد أمل العلماء منذ فترة طويلة في مواجهة ذلك باستخدام تقنية تعرف باسم تصحيح الأخطاء، والتي تتضمن تشفير نفس المعلومات في أكثر من كيوبت واحد بحيث يحتفظ النظام ككل بما يكفي من المعلومات لإجراء عملية حسابية متماسكة، حتى عندما تقوم الكيوبتات الفردية بفك ترابطها. “.
ومع ذلك، لكي ينجح تصحيح الأخطاء، لا تزال الكيوبتات الفردية بحاجة إلى أن تكون ذات جودة عالية بما يكفي لجعل مخرجاتها المجمعة مفيدة، بدلاً من أن تتحول إلى “ضجيج”.
وفي ورقتهم البحثية التي نشرت في مجلة Nature، قال باحثو جوجل إنهم تجاوزوا هذه العتبة المهمة لأول مرة. ومع انتقالهم من شبكة 3×3 من الكيوبتات إلى 5×5 و7×7، انخفض معدل حدوث الأخطاء بمقدار الضعف في كل خطوة، على حد قولهم.
ذكرت شركة جوجل في أوائل العام الماضي أنها اتخذت الخطوة الأولى المبدئية نحو التصحيح الفعال للأخطاء. وقال جوليان كيلي، مدير الأجهزة الكمومية في جوجل، إن النتائج الأخيرة التي توصلت إليها تمثل دليلاً أقوى بكثير على قدرتها على التغلب على عدم الاستقرار المتأصل في النظام من خلال توسيع نطاق التكنولوجيا إلى آلاف الكيوبتات التي ستكون ضرورية لإجراء حسابات مفيدة. .
وقال هارتموت نيفين، رئيس قسم الكم في جوجل، إن الخطوات التالية ستكون تقليل معدل الخطأ في مجموعاتها المترابطة من الكيوبتات بشكل أكبر، ومن ثم إظهار قدرتها على ربط أكثر من مجموعة من هذه المجموعات من الكيوبتات لإجراء عمليات حوسبة مفيدة.
لقد جاء التقدم في تصحيح الأخطاء من التحسينات المطردة في الأجهزة. وعلى وجه الخصوص، قالت جوجل إن التحول إلى تصنيع الكيوبتات في منشآتها الخاصة قد أحدث تغييرًا كبيرًا في الجودة. وقالت الشركة إن الكيوبتات الجديدة حافظت على حالتها الكمومية لما يقرب من 100 ميكروثانية، أو واحد على عشرة آلاف من الثانية، وهي فترة زمنية ضئيلة، لكنها لا تزال أفضل بخمس مرات من أداء أجهزتها السابقة.
وإلى جانب المزيد من الاستقرار، فإن جلب تقنيات الإنتاج الجديدة والتصنيع على نطاق واسع إلى الحقل يعد أيضًا بخفض التكاليف. وقال نيفين إن جوجل تهدف إلى خفض تكلفة المكونات بمقدار 10 أضعاف بحلول نهاية العقد، مما يجعل تكلفة النظام الكمي الذي يعمل بكامل طاقته في تلك المرحلة حوالي مليار دولار.
وقال بعض المنافسين إن اعتبارات التصميم المهمة لا تزال تؤثر على التقدم وقد تسبب مشاكل على طول الطريق.
وقد شككت شركة آي بي إم، التي تتسابق مع جوجل لبناء أول نظام كمي واسع النطاق ومتسامح مع الأخطاء، في مدى التطبيق العملي لنوع الكود الذي تستخدمه جوجل للتعامل مع تصحيح الأخطاء. يتضمن ذلك، المعروف باسم الكود السطحي، تنسيق المعلومات عبر شبكة كبيرة ثنائية الأبعاد من البتات الكمومية.
وتوقع جاي جامبيتا، رئيس قسم الحوسبة الكمومية في شركة آي بي إم، أن هذا النوع من التعليمات البرمجية سيتطلب من جوجل بناء أنظمة بمليارات الكيوبتات لإجراء عملية حسابية عملية. وقال إن شركة IBM تحولت إلى نوع مختلف من التعليمات البرمجية المعيارية التي من شأنها أن تعمل مع عدد أقل من الكيوبتات.
ومع ذلك، فإن قرارات التصميم المختلفة تجلب تحدياتها الخاصة. تتضمن تقنية IBM وضع الكيوبتات في نمط ثلاثي الأبعاد بدلاً من شبكة مسطحة، مما يتطلب نوعًا جديدًا من الموصلات التي قالت IBM إنها تأمل في إنتاجها بحلول عام 2026.
وقال نيفين من جوجل إن الشركة تعتقد أن التقنيات التي أظهرتها في أحدث أبحاثها أظهرت أنها يمكن أن تصل إلى نطاق عملي، وأنها ستحتاج إلى حوالي مليون كيوبت لإنتاج نظام كامل النطاق.
