تعلم الفيزيائيون زيادة قوة أجهزة الكمبيوتر الكمومية مع التغلب على الضوضاء

أعلنت مجموعة من الباحثين الأمريكيين من جامعة كولومبيا عن تطوير نهج يمكنه توسيع قدرات أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل كبير. نشرت في المجلة طبيعة تصف الورقة تقنية تجمع بين “الملاقط الضوئية” الليزرية والأسطح الخارقة – وهي لوحات خاصة تشكل الضوء – لإنشاء مصفوفات من الذرات المحايدة التي يمكن أن تعمل بمثابة كيوبتات.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية ودور الكيوبتات

تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية على البتات، والتي يمكن أن تكون إما 0 أو 1. في الحوسبة الكمومية، الوحدة الأساسية هي qubitوالتي، بفضل مبادئ ميكانيكا الكم، يمكن أن تكون في عدة حالات في وقت واحد. وهذا يمنح الأجهزة الكمومية إمكانات هائلة للقيام بمهام لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها، مثل محاكاة الأنظمة الجزيئية المعقدة، وتحسين الخدمات اللوجستية، وفك تشفير المعلومات المحمية.

ومع ذلك، في الممارسة العملية، تظل الأنظمة الكمومية قائمة غير مستقر وصاخب: كلما زاد عدد الكيوبتات، زادت صعوبة الحفاظ على حالتها دون أخطاء. إن التجارب الحالية التي تحتوي على بضع مئات من الكيوبتات تواجه بالفعل هذا الحد، ويتطلب الطريق إلى عشرات الآلاف منها أساليب جديدة.

الذرات المحايدة والملاقط البصرية

أحد الأساليب الواعدة هو كتل من الذرات المحايدة. يتم التقاط الذرات والاحتفاظ بها باستخدام أشعة ليزر مركزة تسمى ملاقط بصرية. تعمل هذه الملقطات مثل الفخاخ: فالضوء “يلتقط” الذرات الفردية ويحتفظ بها في المكان المناسب.

يمكن استخدام كل ذرة ككيوبت. تكمن المشكلة في أن الطرق التقليدية لإنشاء مصفوفات من هذه المصائد محدودة بحجم الأجهزة وتعقيدها. فهي تتطلب مكونات ضخمة ومكلفة، مثل مُعدِّلات الضوء المكانية أو المنحرفات الصوتية الضوئية، التي تخلق نقطة ليزر مركزة تلو الأخرى. وهذا يجعل من الصعب إنشاء صفائف من ملايين الملقط.

ثورة مع الأسطح الفوقية

تم اقتراح الحل في النموذج ملاقط بصرية ذات سطح ميتا. الأسطح الخارقة عبارة عن صفائح رقيقة تحتوي على ملايين العناصر النانوية التي تسمى “البكسلات”، والتي يمكن لكل منها تغيير طور الضوء أو اتجاهه.

عندما يمر شعاع الليزر عبر مثل هذه الأسطح الخارقة، تشكل وحدات البكسل الخاصة به آلاف أو حتى مئات الآلاف من بقع الضوء المركزة في وقت واحد. تعمل هذه البقع مثل الملقط، حيث تلتقط الذرات في مواقع محددة مسبقًا لتشكل المصفوفة المطلوبة.

يوضح أحد مؤلفي الدراسة: “يمكن اعتبار الأسطح الخارقة بمثابة تراكب لعدد كبير من العدسات المسطحة الموجودة في نفس المستوى، وتشكل كل منها نقطة بؤرية خاصة بها”.

ابتكر العلماء سطحًا خارقًا مقاس 3.5 ملم يحتوي على أكثر من 100 مليون بكسل، وهو قادر على توليد مجموعة من 360 ألف ملاقط، وهو أمر أكبر بمرتين من التكنولوجيا الحالية. يمثل هذا خطوة كبيرة نحو إنشاء أنظمة كمومية كبيرة جدًا.

الليزر والظروف القاسية

الأسطح الخارقة مصنوعة من نيتريد السيليكون وثاني أكسيد التيتانيوم، مما يسمح لها بمقاومة ضوء الليزر الشديد للغاية – أكثر من 2000 واط / مم²، وهو أكثر كثافة بحوالي مليون مرة من ضوء الشمس على سطح الأرض. هذه القوة تجعلها مناسبة لإنشاء صفائف ملاقط ثابتة في الممارسة المعملية.

هذه ليست مجرد فكرة نظرية: لقد استحوذ عليها الفريق بالفعل 1000 ذرة سترونتيوم في مجموعة من الملاقط، مما يثبت جدوى هذا النهج على نطاق يتجاوز الأنظمة الحالية بشكل كبير. يتم توزيع الذرات في تكوينات مختلفة – شبكة مربعة، ودائرة، وحتى هياكل أكثر تعقيدًا، مما يدل على مرونة الطريقة.

لماذا هذا مهم

حتى الآن، كان حبس صفائف كبيرة من الذرات محدودًا بالقدرات التقنية لأنظمة الليزر. لكن المنصة الجديدة تجمع بين ميزتين رئيسيتين:

• القدرة على إنشاء صفائف ضخمة من الذرات المحايدة دون الحاجة إلى مزامنة معقدة لعدد هائل من عناصر الليزر.
• قابلية التوسع، مما قد يؤدي إلى إنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية ذات عشرات الآلاف من الكيوبتات، وربما أكثر.

وهذا مهم بشكل خاص لأن المعالجات الكمومية الحديثة، حتى مع عدة مئات من الكيوبتات، تواجه مشكلة الأخطاء والضوضاء، مما يمنعك من إجراء حسابات مفيدة. لا يمكن للنهج الجديد زيادة حجم النظام فحسب، بل يمكنه أيضًا تبسيط بنيته، مما يقلل من عدد مصادر الأخطاء.

آفاق التطبيق

لا تقتصر مصفوفات الذرات المحايدة ذات الأسطح الخارقة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يمكن استخدامها من أجل:

• المحاكيات الكمومية — الأجهزة التي تحاكي الأنظمة الفيزيائية المعقدة.
• الساعة الذرية الضوئية — كرونومترات فائقة الدقة للملاحة والفيزياء الأساسية.
• أبحاث الفيزياء الأساسية — دراسة تفاعل الضوء والمادة على المستوى الكمي.

يتطلب كل مجال من هذه المجالات عددًا كبيرًا من الكيوبتات أو العناصر الكمومية المشابهة، مما يعني أن فوائد المنصة القابلة للتطوير واضحة.

لقد عبر الكمبيوتر الكمومي مرحلة مهمة من المشاكل النظرية إلى المشاكل العملية

قدمت شركة هيليوس – الكمبيوتر الكمي الأكثر دقة وقوة في العالم