الكسندر بوريسينكو— مرشح العلوم الفيزيائية والرياضية، باحث رئيسي في مجموعة “القياسات الكمية الدقيقة” بمركز الكم الروسي وباحث في مختبر “بصريات الأنظمة الكمية المعقدة” بالمعهد الفيزيائي الذي سمي باسمه. ب.ن. ليبيديف راس. على مدى السنوات الخمس الماضية، شارك في الحوسبة الكمومية، بما في ذلك أيونات الإيتربيوم. يعد ألكساندر أحد مبتكري أقوى كمبيوتر كمي في روسيا (في الوقت الحالي) – وهو كمبيوتر كمي بسعة 50 كيلوبت.

وخاصة لموقع قناة العلوم، شرح ألكسندر بوريسينكو مبدأ تشغيل الكمبيوتر الكمي.

ما هو الكيوبت والتراكب؟

قليل من الناس يفهمون فيزياء الكم على الفور. لكن يمكننا إعطاء تشبيهات أقرب إلى الواقع. لنبدأ بالمفاهيم الأساسية للكمبيوتر الكمومي.

كوبيت هو، من حيث المبدأ، أي نظام كمي له مستويان، وحالتان، ويمكن التبديل بين هاتين الحالتين. يمكن مقارنة الكيوبت بـ عملة لها وجهان: الوجه والذيل.

وهناك شيء من هذا القبيل تراكب، فهو يشير إلى كيوبت واحد. لذا ألقينا قطعة نقود ولا نعرف على أي وجه ستستقر. فبينما هو في حالة طيران ولم يتم تحديد حالته، فهو في حالة تراكب. في الحوسبة الكمومية يمكن إظهار ذلك على النحو التالي: «الرؤوس والذيول والرؤوس الذيول» في وقت واحد بنسبة معينة أو «0، 1 و0-1» معًا. وفقط عندما تسقط حالتها «المتوقع» بإحدى طريقتين (الرؤوس أو الذيول). في نهاية الحسابات، تقع جميع العملات المعدنية على الطاولة، ونرى العملة التي هي في أي حالة.

من خلال رمي قطعة نقود عدة مرات، يمكنك حساب النسبة «نسر» و «ذيول» كانت في طور الطيران. في نهاية القياس، من المهم أن يتم إسقاط الحالة الكمومية – يحدث انهيار الدالة الموجية: عندما تبرز قيمة واحدة من الرؤوس والذيول.

ملحوظة: انهيار الدالة الموجية –تغيير لحظي في وصف الحالة الكمومية (الدالة الموجية) لجسم ما يحدث أثناء القياس. يبدو الأمر كما لو أن قطعة عملة معدنية “تجمدت” في الهواء، وعند ملاحظتها أصبحت على الفور صورة أو كتابة.

التشابك الكمي هو أساس الحوسبة

الخاصية المهمة الثانية —التشابك الكمي. دعونا نتخيل ذلك تعتمد حالة إحدى العملات على حالة العملة الأخرى. حتى لو تم فصل العملات المعدنية على مسافة طويلة، فإنها، مجازيًا، ستشعر ببعضها البعض: لديهم حالة واحدة لا يمكن فصلها فيما بينهم. لنفترض أننا قمنا في البداية بإعداد حالة نحصل فيها على نفس القيم على عملتين معدنيتين. ثم، بالنظر إلى عملة واحدة، نعلم أن العملة الثانية في نفس اللحظة لها قيمة معينة. يتم إعداد مثل هذه الحالات من خلال عمليات متشابكة.

تستخدم الحوسبة الكمومية مزيجًا من هذه العمليات ذات الكيوبت الواحد، والتي تسمح لنا بإنشاء حالة تراكب، حيث نتصرف على عملة واحدة، وعمليات ثنائية الكيوبت، حيث يمكننا ربط حالات العملات المختلفة، وفي النهاية نقوم بإجراء قياس الإسقاط.

ما هي ميزة الحوسبة الكمومية؟

إذا أضفنا بتًا واحدًا في جهاز كمبيوتر كلاسيكي، فسيكون هذا تغييرًا ضئيلًا إلى حد ما. وإذا قمنا في نظام كمي بزيادة السجل بمقدار كيوبت واحد، فإننا نصنع نظامًا للأبعاد ليس 2^n (اثنان أس n)، ولكن 2^(n + 1) (اثنان أس n زائد واحد)، أي أن هناك زيادة أسية في قوة الكمبيوتر. ولهذا السبب يتقاتل جميع العلماء من أجل عدد الكيوبتات.

تنمو قوة النظام بشكل كبير مع عدد الكيوبتات مع الحفاظ على موثوقية عالية للعمليات.

الحوسبة الكمومية مفيدة لأنها تم إنجازها «موازي». هنا يمكننا أن نرسم تشبيهًا بالدخول في المتاهة. كيف نشق طريقنا من خلال ذلك؟ في الإصدار الكلاسيكي، سوف نتحقق أولاً من مسار واحد، ثم نصل إلى طريق مسدود، ثم نتراجع خطوة واحدة، ونرى ما هي المسارات الأخرى الموجودة. من خلال البحث سنجد طريقة للخروج. لكن الكمبيوتر الكمي يجعل الأمر أبسط وأسرع: فهو يتحقق من جميع المسارات في نفس الوقت.

هنا يمكننا رسم تشبيه بالماء. عندما نسكب كمية كبيرة من الماء، فمن الطبيعي أن يجد مسارًا يمكن أن يتدفق من خلاله. المسار النهائي الأمثل هو حيث يخرج الماء من متاهةنا. في هذا التشبيه، يصبح المسار واضحًا على الفور.

في فيزياء الكم، هذا هو المسؤول تدخل— واحدة من الظواهر الكمومية الرئيسية الكامنة وراء تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية. فهو يسمح لك بالتحكم في احتمالات حالات الكيوبت، مما يعزز النتائج الضرورية ويمنع نتائج الحساب غير الضرورية.

كيف يبدو الكمبيوتر الكمي وماذا يمكنه أن يفعل؟

تبدو معظم أجهزة الكمبيوتر الكمومية متشابهة إلى حد كبير. هذه غرفة كبيرة مع المعدات. إذا تحدثنا عن نظامنا، فإن الكمبيوتر الكمي المعتمد على أيونات الإيتربيوم -171 موجود في معهد P. N. Lebedev الفيزيائي التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، في مختبر مشترك مع مركز الكم الروسي. هذه غرفة بها طاولة خاصة بقياس 1.5 م في 3.5 م، توجد عليها العناصر البصرية والإلكترونيات المختلفة.

نقوم بالتقاط العديد من أيونات الإيتربيوم في مصيدة بول، وتصطف في سلسلة، وبواسطة نبضات الليزر يمكننا التأثير على السلسلة بأكملها أو الجزيئات الفردية بشكل مستقل. يتيح التعرض لنبضة ليزر، أولاً، تبريد الجزيئات إلى درجات حرارة منخفضة (وهذا ضروري لتقليل الضوضاء)، وثانيًا، إجراء عمليات كمومية، وثالثًا، قراءة الحالة بعد تنفيذ خوارزمية كمومية.

الآن لقد تمكنا من صنع نظام يحتوي على 50 كيوبت. إذا كان عادةً جسيم واحد يشفر كيوبتًا واحدًا، فإننا نستخدم أربعة مستويات في كل جسيم، وهو ما يعادل اثنين من الكيوبت. وبهذه الطريقة، يمكننا تخزين ومعالجة المعلومات بشكل أكثر كفاءة من خلال الحوسبة الكمومية. قمنا بالتقاط 25 جسيمًا من أيون الإيتربيوم وقمنا بتشفير 50 ​​كيوبت.

وبنفس الوقت جداً من المهم مدى الموثوقية التي يمكننا بها تنفيذ العمليات. الجميع يريد أن تكون الموثوقية واحدة – 100٪. وهنا أقل قليلاً. بالنسبة للعمليات ذات الكيوبت الواحد – حوالي 0.999، للعمليات ذات الكيوبتتين – 0.95، أي أسوأ قليلاً مما نود.

يمتلك العالم الآن أجهزة كمبيوتر كمومية ذات موثوقية أكبر. لكننا في مستوى جيد إلى حد ما مقارنة بالآخرين. ملكنا استغرق تجميع نظام 50 كيوبت خمس سنوات: تدريجيا، سنة بعد سنة، ويستمر في التحسن.

مكانة روسيا في السباق الكمي

السباق الكمي مستمر منذ 20 عامًا. ولا يزال الأمريكيون هم القادة. الصين وروسيا – نحن نحاول اللحاق بالركب. لدى الأوروبيين أيضًا أنظمة جيدة جدًا.

بشكل عام، كان العلماء يعملون بشكل تجريبي على الحوسبة الكمومية منذ العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. تم عرض أول عمليات ثنائية الكيوبت قبل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. وفي هذا الصدد، بدأنا متأخرين بشكل كبير عن الأميركيين والأوروبيين، لكننا تمكنا من اللحاق بهم بشكل جيد على مدى السنوات الخمس الماضية. كل هذه الدراسات كانت مستحيلة لولا خارطة طريق الحوسبة الكمومية، والتي تتولى شركة روساتوم الحكومية مسؤولية تنفيذها. وبلغ إجمالي مبلغ التمويل للفترة 2020-2024 24 مليار روبل.

لا تزال أجهزة الكمبيوتر الكمومية تشغل مساحات كبيرة جدًا ولم تحل بعد المشكلات المفيدة. ولكن هناك دراسات نظرية تظهر أنه إذا قمنا بزيادة الطاقة أكثر قليلا، فستكون هناك فائدة عملية قريبا جدا. لذلك، يستثمر الجميع بنشاط في هذا المجال – في تطوير جهاز كمبيوتر الكم.

يوجد في روسيا أربع منصات رئيسية يتم من خلالها تنفيذ التطورات (وهي ذات صلة أيضًا بالممارسة العالمية):

• من يونان
• على ذرات محايدة،
• على الفوتونات،
• على الدوائر فائقة التوصيل.

لدينا مجموعات قوية في كل مجال من المجالات، وتظهر النتائج الجيدة في كل منها. هذا ملهم!

ما الذي يمكن أن يفعله الكمبيوتر الكمي؟

تقوم مجموعة من زملائنا من مركز الكم الروسي بإنشاء خوارزميات كمومية. إنهم يتفاعلون معنا بنشاط: ويقدمون تطوراتهم، ونقوم باختبار هذه الخوارزميات ونرسل النتيجة مرة أخرى. بهذه الطريقة يتم إنشاء شيء جديد. على سبيل المثال، نستخدم qudits، مما يسمح بترميز أكثر كثافة ويسمح لنا بتوسيع نطاق النظام بشكل أكثر كفاءة.

ملاحظة: Qudits هي أنظمة كمومية خاصة يمكن أن تكون في أكثر من حالتين في نفس الوقت. في الأساس، الكيوبت هو نسخة محسنة من الكيوبت.

لقد نشرنا هذا العام بحثًا علميًا شرط في مجلة رائدة في الفيزياء ، حيث نوضح أنه باستخدام هذا التشفير الأكثر كثافة، يمكننا تنفيذ بوابة Toffoli بكفاءة أكبر، وهي أحد العناصر القياسية للحوسبة الكمومية. لقد أثبتنا أنه في نظامنا يمكننا إظهار عدد قياسي من البتات الكمومية المشاركة في هذه الخوارزمية. وهذا يعني أنه حتى النظام الذي ليس على أعلى مستوى من حيث الخصائص، بسبب الابتكارات المحلية المثيرة للاهتمام، يمكن أن يظهر أفضل النتائج في جميع أنحاء العالم. ولم تكن هذه النتيجة لتتحقق لو لم يكن لدينا أنظمتنا الخاصة لتشغيل الخوارزميات عليها.

هذه في الواقع مهمة كبيرة. من المهم جدًا أن يكون لديك في البداية نوع من أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الأقل من أجل تصحيح أخطاء الخوارزميات ودراستها عمليًا. لأن، عندما يكون لدينا في لحظة رائعة حاسوب كمي قوي، سنحتاج إلى أن نكون قادرين على البرمجة عليه. للقيام بذلك، يجب أن يكون لديك خبرة في العمل مع أنظمة الكم، لأن أجهزة الكمبيوتر هذه لها خصائصها الخاصة. يجب أن تكون قادرًا على تكييف الخوارزميات وتحسينها لجهاز معين.

تتعلق المشكلات التي قمنا بحلها بالفعل على جهاز الكمبيوتر الخاص بنا بنمذجة الجزيئات ومشاكل التحسين وتحليل الأرقام باستخدام خوارزمية شنور. لقد اختبرنا أيضًا العديد من الخوارزميات الأساسية، والتي تمثل اللبنات الأساسية لخوارزميات أكثر تعقيدًا.

منذ عامين علىمنتدى تقنيات المستقبل أطلق فلاديمير فلاديميروفيتش بوتين الخوارزمية الكمومية باستخدام منصة سحابية. اقترب الرئيس من الكمبيوتر، وضغط على زر، وتم إرسال المهمة إلى الخادم وتنفيذها في الوقت الفعلي على حاسوبنا الكمي.

هل وصل عصر الكم؟

توجد أجهزة كمبيوتر كمومية، لكنها لا تزال صاخبة ومنخفضة الطاقة. نحن في ما يسمى عصر NISQ. يبدأ الاختصار بالكلمة الإنجليزية صاخبة — “صاخبة”. أي أن الأنظمة صاخبة وتحتوي على عدد صغير من الكيوبتات.

ملحوظة: عصر NISQ يرمز إلى العصر الكمي المتوسط ​​الحجم الصاخب، وهو ما يعني العصر الكمي المتوسط ​​الضجيج أو عصر الأجهزة الكمومية الصاخبة متوسطة الحجم.

في رأيي، سيكون لدينا أنظمة قوية ومنخفضة الضوضاء خلال 10 سنوات. هذا هو تقريبًا الوقت الذي سيستغرقه المطورون لتحقيق نتائج جيدة حقًا.

اقرأ عن الماضي والحاضر والمستقبل لتقنيات الكم في الجزء الثاني من المادة على موقع قناة العلوم.