قام مهندسو برينستون بتمديد عمر الكيوبتات باستخدام تصميم جديد من التنتالوم والسيليكون يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة. يمكن أن يؤدي هذا التحسين إلى تمكين معالجات كمومية كبيرة ومستقرة قادرة على حل المشكلات في العالم الحقيقي.

اتخذ مهندسو برينستون خطوة مهمة نحو تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة من خلال إنشاء كيوبت فائق التوصيل يظل مستقرًا لمدة أطول بثلاث مرات من أقوى الإصدارات المتاحة اليوم.

قال أندرو هوك، رئيس مركز أبحاث الكم الوطني الممول فدراليًا، وعميد كلية الهندسة في جامعة برينستون والباحث الرئيسي المشارك في هذه الورقة: “إن التحدي الحقيقي، والشيء الذي يمنعنا من امتلاك أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة اليوم، هو أنك تبني كيوبتًا والمعلومات لا تدوم طويلًا”. “هذه هي القفزة الكبيرة القادمة للأمام.”

تم وصف هذا الاختراق في عدد 5 نوفمبر من مجلة طبيعة، حيث أفاد الفريق أن الكيوبت الخاص بهم يظل متماسكًا لأكثر من 1 مللي ثانية. ويمثل هذا أطول عمر تم إثباته على الإطلاق في الاختبارات المعملية وهو أفضل بحوالي خمسة عشر مرة مما يستخدم عادة في المعالجات ذات النطاق التجاري. ولتأكيد التحسن، قام الباحثون ببناء شريحة كمومية عاملة باستخدام التصميم الجديد، متغلبين على أحد القيود الرئيسية التي تمنع تصحيح الأخطاء بشكل موثوق وأنظمة كمومية واسعة النطاق.

وأوضح الفريق أن الكيوبت الخاص بهم يستخدم بنية مشابهة للأنظمة التي طورتها Google وIBM، مما يجعله متوافقًا مع تصميمات المعالجات الحالية. وقال هوك إن استبدال أجزاء من معالج Google Willow بمكونات برينستون يمكن أن يجعله يعمل بشكل أكثر فعالية 1000 مرة. وأضاف أن مزايا النهج الجديد تنمو بسرعة أكبر مع إضافة المزيد من الكيوبتات، مما يزيد من التأثير الإجمالي في الأنظمة الأكبر.

تصميم التوصيل والتشغيل متوافق مع أنظمة Google وIBM

من المتوقع أن تتعامل أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع التحديات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية التعامل معها، لكن الأجهزة الحالية لا تزال بعيدة عن تحقيق هذا الهدف. أحد أكبر القيود يأتي من الكيوبت نفسه، والذي عادةً ما يفقد معلوماته قبل اكتمال الحسابات المهمة.

تعد زيادة وقت التماسك، أو المدة التي يمكن للبت الكمي أن يحافظ فيها على حالته الكمومية، مطلبًا حاسمًا للتقدم. يعد التحسن الذي أظهرته وحدة برينستون الكمومية أكبر قفزة في زمن التماسك تم تحقيقها منذ أكثر من عشر سنوات.

لماذا يعد تماسك الكيوبت أكبر عائق أمام الحوسبة الكمومية؟

تستكشف العديد من المجموعات طرقًا مختلفة لتصميم الكيوبتات، لكن جهاز برينستون يعتمد على خيار معروف جيدًا يسمى الكيوبت المرسل. وتعتمد هذه الكيوبتات، التي تستخدمها أيضًا شركتا Google وIBM، على دوائر فائقة التوصيل تعمل في درجات حرارة شديدة البرودة. إنها توفر حماية قوية من الضوضاء البيئية وتعمل بشكل جيد مع عمليات التصنيع الحالية.

ومع ذلك، كان من الصعب للغاية زيادة وقت تماسك البتات الكمومية المرسلة. جوجل الأبحاث الحديثة وخلصوا إلى أن التقدم في معالجهم الأكثر تقدمًا أصبح الآن محدودًا بشكل أساسي بجودة المواد المستخدمة لبناء الكيوبتات.

Transmon Qubits: نقاط القوة والضعف وحدود المواد في Google

اتخذ فريق برينستون نهجًا ذا شقين لإعادة تصميم الكيوبت. أولاً، استخدموا معدنًا يسمى التنتالوم لمساعدة الدوائر الهشة في الحفاظ على الطاقة. ثانيًا، استبدلوا ركيزة الياقوت التقليدية بالسيليكون عالي الجودة، وهي المادة القياسية لصناعة الحوسبة. ولزراعة التنتالوم مباشرة على السيليكون، كان على الفريق التغلب على عدد من التحديات التقنية المتعلقة بالخصائص الجوهرية للمواد. ولكنهم انتصروا في نهاية المطاف، وفتحوا الإمكانات العميقة لهذا المزيج.

قالت ناتالي دي ليون، المديرة المشاركة لمبادرة برينستون الكمية والباحثة الرئيسية المشاركة في الكيوبت الجديد، إن رقائق التنتالوم والسيليكون لا تتفوق على التصميمات الحالية فحسب، بل من الأسهل أيضًا إنتاجها بكميات كبيرة. وقالت: “إن نتائجنا تدفع حقًا إلى أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا”.

وقال ميشيل ديفوريت، كبير علماء الأجهزة في شركة Google Quantum AI، التي مولت البحث جزئيًا، إن التحدي المتمثل في إطالة عمر الكائنات الحية الحوسبة الكمومية أصبحت الدوائر “مقبرة” للأفكار للعديد من علماء الفيزياء. قال ديفوريت، الحائز على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025: “كانت لدى ناتالي الشجاعة حقًا لمتابعة هذه الاستراتيجية وإنجاحها”.

تم تمويل البحث في المقام الأول من قبل المراكز الوطنية لأبحاث علوم المعلومات الكمومية التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، ومركز التصميم المشترك للميزة الكمومية (C2QA)، وهو المركز الذي أداره هوك من عام 2021 إلى عام 2025، والذي يشغل فيه الآن منصب كبير العلماء. المؤلفون الرئيسيون المشاركون في هذه الورقة هم باحث ما بعد الدكتوراه فاراناك بهرامي وطالب الدراسات العليا ماثيو ب. بلاند.

كيف يقلل التنتالوم من فقدان الطاقة ومعدلات الخطأ

قال هوك، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في أنتوني HP Lee ’79 P11 P14، إن قوة الكمبيوتر الكمي تتوقف على عاملين. الأول هو العدد الإجمالي للبتات الكمومية المرتبطة ببعضها البعض. والثاني هو عدد العمليات التي يمكن لكل بت كمي تنفيذها قبل أن تتولى الأخطاء. ومن خلال تحسين جودة البتات الكمومية الفردية، تعمل الورقة الجديدة على تطوير كليهما. وعلى وجه التحديد، يساعد الكيوبت الأطول أمدًا في حل أكبر العقبات التي تواجه الصناعة: القياس وتصحيح الأخطاء.

المصدر الأكثر شيوعًا للخطأ في هذه البتات الكمومية هو فقدان الطاقة. يمكن للعيوب السطحية الصغيرة المخفية في المعدن أن تحبس وتمتص الطاقة أثناء تحركها عبر الدائرة. يؤدي هذا إلى فقدان الكيوبت للطاقة بسرعة أثناء العملية الحسابية، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء تتضاعف مع إضافة المزيد من الكيوبتات إلى الشريحة. عادةً ما يحتوي التنتالوم على عدد أقل من هذه العيوب مقارنة بالمعادن الأكثر استخدامًا مثل الألومنيوم. كما أن الأخطاء الأقل تسهل على المهندسين تصحيح الأخطاء التي تحدث.

مطاردة العيوب الخفية وخسائر الركيزة

قدم هوك ودي ليون، وهو أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر، لأول مرة استخدام التنتالوم للرقائق فائقة التوصيل في عام 2021 بالتعاون مع الكيميائي في جامعة برينستون روبرت كافا، أستاذ الكيمياء في راسل ويلمان مور. على الرغم من عدم وجود أي خلفية له في الحوسبة الكمومية، فقد استوحى كافا، وهو خبير في المواد فائقة التوصيل، من محاضرة ألقاها دي ليون قبل بضع سنوات، وأجرى الاثنان محادثة مستمرة حول مواد الكيوبت. وفي نهاية المطاف، أشار كافا إلى أن التنتالوم يمكن أن يوفر المزيد من الفوائد وجوانب سلبية أقل. وقال كافا في إشارة إلى دي ليون والفريق الأوسع: “ثم ذهبت وفعلت ذلك”. “هذا هو الجزء المذهل.”

اتبع الباحثون من المختبرات الثلاثة حدس كافا وقاموا ببناء دائرة التنتالوم فائقة التوصيل على الركيزة الياقوت. أظهر التصميم زيادة كبيرة في وقت التماسك، وذلك تمشيا مع الرقم القياسي العالمي.

من الياقوت إلى السيليكون: قفزة كبيرة في تصنيع الكيوبت

الميزة الرئيسية للتنتالوم هي أنه قوي بشكل استثنائي ويمكنه تحمل التنظيف القاسي اللازم لإزالة التلوث من عملية التصنيع. “يمكنك وضع التنتالوم فيه حامضوقال بهرامي، المؤلف الرئيسي المشارك في البحث الجديد: “لا تزال الخصائص لا تتغير”.

وبمجرد إزالة الملوثات، توصل الفريق بعد ذلك إلى طريقة لقياس المصادر التالية لفقد الطاقة. معظم الخسارة المتبقية جاءت من الركيزة الياقوتية. لقد استبدلوا الياقوت بالسيليكون، وهي مادة متاحة على نطاق واسع بنقاوة عالية للغاية.

أدى الجمع بين هاتين المادتين أثناء تحسين تقنيات التصنيع والقياس إلى واحدة من أكبر التحسينات الفردية في تاريخ الإرسال. ووصف هوك العمل بأنه «إنجاز كبير على الطريق نحو تمكين الحوسبة الكمومية المفيدة».

نظرًا لأن التحسينات تتزايد بشكل كبير مع حجم النظام، قال هوك إن استبدال الصناعة الحالية بتصميم برينستون بشكل أفضل من شأنه أن يمكّن جهاز كمبيوتر افتراضيًا بسعة 1000 كيوبت من العمل بشكل أفضل بنحو مليار مرة.

نحو تحسينات بمقدار مليار مرة في الأنظمة الكمومية المتدرجة

يجمع العمل بين الخبرة العميقة في تصميم الأجهزة الكمومية وعلوم المواد. تتخصص مجموعة هوك في بناء وتحسين الدوائر فائقة التوصيل؛ يركز مختبر دي ليون على قياس الكم والمواد وعمليات التصنيع التي تدعم أداء الكيوبت؛ وقد أمضى فريق البحث في كافا ثلاثة عقود في طليعة المواد فائقة التوصيل. لقد أدى الجمع بين خبراتهم إلى نتائج لا يمكن تحقيقها بمفردهم. وقد جذبت هذه النتائج الآن اهتمام الصناعة.

وقال ديفوريت، عالم جوجل، وهو أيضًا أستاذ الفيزياء في جامعة كاليفورنيا-سانتا باربرا، إن الشراكات بين الجامعات والصناعة مهمة للنهوض بحدود التكنولوجيا. وقال: “هناك علاقة متناغمة إلى حد ما بين الصناعة والبحث الأكاديمي”. إن مختبرات الجامعة في وضع جيد يسمح لها بالتركيز على الجوانب الأساسية التي تحد من أداء الكمبيوتر الكمي، في حين تقوم الصناعة بتوسيع نطاق هذه التطورات إلى أنظمة واسعة النطاق.

التعاون بين الجامعات والصناعة يسرع الابتكار الكمي

وقال دي ليون: “لقد أظهرنا أن ذلك ممكن في السيليكون”. “إن حقيقة أننا أظهرنا ما هي الخطوات الحاسمة، والخصائص الأساسية المهمة التي ستمكن هذه الأنواع من أوقات التماسك، تجعل الآن من السهل جدًا على أي شخص يعمل على معالجات متدرجة اعتمادها.”

المرجع: “أعمار المللي ثانية وأوقات التماسك في البتات الكمومية ثنائية الأبعاد” بقلم ماثيو ب. بلاند، فاراناك بهرامي، جيرونيمو جي سي مارتينيز، بال إتش بريستيغارد، باسل إم سميثام، أثارف جوشي، إليزابيث هيدريك، شاشوات كومار، أمبروز يانغ، ألكسندر سي. باكبور-تبريزي، أبورف جيندال، راي دي تشانغ، غوانغمينغ تشينغ، نان ياو، روبرت ج. كافا، ناتالي بي. دي ليون وأندرو أ. هوك، 5 نوفمبر 2025، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-025-09687-4

الورقة “عمر مللي ثانية وأوقات التماسك في البتات الكمومية ثنائية الأبعادتم نشره في مجلة Nature في 5 نوفمبر. إلى جانب دي ليون، وهوك، وكافا، وبهرامي، وبلاند، يشمل المؤلفون جيرونيمو جي سي مارتينيز، وبال إتش بريستيجارد، وباسل إم سميثام، وأثارف جوشي، وإليزابيث هيدريك، وأليكس باكبور تبريزي، وششوات كومار، وأبورف جيندال، وراي دي تشانغ، وأمبروز يانغ، وجوانجمينج تشينج، ونان ياو. تم دعم هذا العمل بشكل أساسي من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، ومكتب العلوم، والمراكز الوطنية لأبحاث علوم المعلومات الكمومية، ومركز التصميم المشترك لميزة الكم (C2QA)، وتم دعمه جزئيًا من قبل Google Quantum AI.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.