أجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة بالفعل تقترب خطوة واحدة بفضل معالج السيليكون الجديد الذي يمكنه حزم ملايين الكيوبتات
يقول العلماء إنهم وصلوا إلى “نقطة انعطاف حرجة” بعد تطوير تقنية تجعل المعالجات الكمومية القائمة على السيليكون أكثر قابلية للتطبيق.
أنشأت شركة الحوسبة الكمومية Equal1 وحدة معالجة كمية (QPU) يمكن بناؤها باستخدام عمليات تصنيع أشباه الموصلات التقليدية. وهذا ينفي التعقيد والتكلفة التي ينطوي عليها عادةً إنتاج المعالجات الكمومية باستخدام مواد غريبة أو تقنيات معقدة.
كما طورت الشركة ما أطلق عليه الممثلون “شريحة التحكم الكمي الأكثر تعقيدًا التي تم تطويرها حتى الآن”. يمكن أن يعمل هذا في درجات حرارة منخفضة للغاية ويمهد الطريق لملايين الكيوبتات على شريحة واحدة، مما يعني أنها تستطيع التعامل مع عدد كبير من البتات الكمومية من المعلومات في وقت واحد مع الحفاظ عليها مستقرة ودقيقة لإجراء العمليات الحسابية.
على النقيض من ذلك، فإن أقوى الرقائق الكمومية اليوم لا تحتوي إلا على آلاف الكيوبتات، وهي مبنية بموصلات فائقة، وكلها تتطلب التبريد إلى ما يقرب من الصفر المطلق من أجل إجراء الحسابات الكمومية.
إن التقنيات الجديدة مجتمعة “تمهد الطريق للمرحلة التالية من الحوسبة الكمومية وإظهار أن أسرع طريقة للتوسع هي الاستفادة من البنية التحتية الحالية للسيليكون،” قال ممثلو Equal1 في إفادة.
الأمور غير العملية الكمومية
إن بناء الرقائق الكمومية عملية صعبة ومكلفة للغاية. على عكس رقائق الكمبيوتر العادية، التي تعتمد على البتات الثنائية لمعالجة المعلومات على هيئة 1 أو 0، تستخدم الرقائق الكمومية كيوبت، والتي ترتكز على مبادئ ميكانيكا الكم.
تتمتع البتات الكمومية بخصائص خاصة تسمح لها بالوجود في حالات متعددة في وقت واحد – وهي ظاهرة تسمى التراكب – والعمل معًا بطرق لا تستطيع البتات التقليدية القيام بها من خلال عملية تسمى تشابك. تتيح المعالجة المتوازية الناتجة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية حل المشكلات التي تتجاوز بكثير قدرات الأنظمة الكلاسيكية.
ومع ذلك، فإن الكيوبتات هشة بشكل لا يصدق. إنها تعمل فقط عندما يتم الاحتفاظ بها في حالة من التماسك، مما يعني أنها تحافظ على حالتها الكمومية لفترة كافية لإجراء الحسابات. يتم تعطيل التماسك بسهولة بسبب العوامل البيئية مثل التغيرات في درجات الحرارة أو الضوضاء الكهرومغناطيسية، ومن هنا الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، لتجنب التداخل.
متعلق ب: هل سيكون لدينا أجهزة كمبيوتر محمولة كمومية؟
عادة، يتم تصنيع الرقائق الكمومية أيضًا باستخدام مواد غريبة أو مصممة خصيصًا مثل المعادن فائقة التوصيل، والتي تتطلب عمليات تصنيع باهظة الثمن ومعقدة. يتمثل ابتكار Equal1 في استخدامها للسيليكون، وهو أحد أكثر المواد وفرة واستخدامًا على نطاق واسع في صناعة أشباه الموصلات.
يوفر السيليكون بيئة مستقرة للكيوبتات، خاصة عند استخدام مزيج من المواد يسمى الجرمانيوم السيليكون (SiGe). في دراسة نشرت في 2 ديسمبر لقاعدة بيانات ما قبل الطباعة arXivوأوضح علماء Equal1 أن SiGe يجمع بين استقرار السيليكون وقدرة الجرمانيوم على تعزيز الأداء الإلكتروني، مما يجعله مناسبًا تمامًا للتطبيقات الكمومية. والأهم من ذلك، أنه يمكن إنتاج رقائق SiGe باستخدام نفس العمليات والمصانع المستخدمة بالفعل لتصنيع رقائق الكمبيوتر التقليدية، ومن المحتمل أن تصنع معالجات كمومية. أرخص وأسهل في التوسع.
قال ممثلو Equal1 إن مصفوفتها SiGe 6-qubit – وهي جزء من الشريحة التي يتم فيها إنشاء الكيوبتات والتحكم فيها – قد حققت تقدمًا في مجالين رئيسيين: دقة عمليات البوابة الكمومية والسرعة التي يتم بها تنفيذ تلك العمليات.
على وجه التحديد، أظهرت الرقاقة دقة بوابة أحادية الكيوبت بنسبة 99.4% مع سرعة تشغيل تبلغ 84 نانو ثانية ودقة بوابة ثنائية الكيوبت بنسبة 98.4% مع سرعة تشغيل تبلغ 72 نانو ثانية. تعمل الدقة العالية، أو الدقة، في البوابات الكمومية على تقليل الأخطاء في الحسابات، بينما تقلل سرعات البوابة الأعلى من خطر فقدان الكيوبتات لخصائصها الكمومية أثناء العمليات. هذه العوامل تحديد دقة الحسابات الكمومية وقدرة الكيوبتات على الحفاظ على حالتها الكمومية لفترة كافية لإكمال العمليات المعقدة.
“توضح هذه النتيجة الفائدة الهائلة للبتات الكمومية السيليكونية – القدرة على تحقيق الأداء المطلوب للتوسع في مجالين رئيسيين – الدقة وسرعة البوابات الكمومية.” وقال نودار سامخارادزي، كبير مهندسي الكم في Equal1، في البيان.
وضع تدور على ذلك
ولضمان العمليات الكمية الموثوقة، يستخدم جهاز Equal1 “الكيوبتات الدورانية”. تعمل البتات الكمومية على تشفير المعلومات حالة دوران الإلكترون. في دراستهم، قال العلماء إن البتات الكمومية مناسبة بشكل خاص للتكامل مع السيليكون لأن السيليكون يوفر بيئة مستقرة لدوران الإلكترون. وهذا يقلل من خطر فقدان الكيوبتات لخصائصها الكمومية الدقيقة بسبب التداخل من البيئة المحيطة بها.
طورت Equal1 أيضًا شريحة تحكم كمومية تستخدم بنية متعددة البلاط؛ يقسم هذا التصميم الشريحة إلى مربعات متعددة يمكن أن تعمل بشكل شبه مستقل. تعتبر هذه البنية أساسية لتوسيع نطاق الأنظمة الكمومية لأنها تسمح بتوزيع وظائف التحكم عبر الشريحة، وتجنب الاختناقات التي يمكن أن تحدث عند الاعتماد على وحدة معالجة واحدة.
تعمل وحدة التحكم عند درجة حرارة 300 ملي كلفن، وهي درجة حرارة أعلى بقليل الصفر المطلق – مما يسمح لها بإدارة الكيوبتات بشكل فعال مع الحفاظ على الظروف اللازمة للتماسك. وقال ممثلو Equal1 إن وحدة التحكم تتميز أيضًا بتقنية تصحيح الأخطاء المعتمدة على الذكاء الاصطناعي (AI)، مما يتيح إجراء تعديلات في الوقت الفعلي تحافظ على استقرار ودقة العمليات الكمومية.
وأضافت إيلينا بلوخينا، كبيرة المسؤولين العلميين في الشركة، في البيان: “يمثل اليوم نقطة انعطاف حاسمة لشركة Equal1 وصناعة الحوسبة الكمومية”. “لطالما اعتقدت Equal1 أن السيليكون هو وسيلة لتوسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية، واليوم، مع هذه النتائج الرائدة عالميًا في مجال الكيوبتات ورقاقات التحكم، فقد اتخذنا خطوة كبيرة نحو هذه الرؤية.”
