برودة الدماغ الكمومي ✎ سريع

الأصل: "The electronic interface for quantum processors"
arXiv:1811.01693 · 2018-11-05 · arXiv non-exclusive · تحليل مستقل · 2 دقيقة
تعد الحواسيب الكمومية بسرعات غير مسبوقة، لكن معالجاتها تحتاج إلى إلكترونيات خاصة تعمل في البرد.

📄 معروضة نسخة «بسيط» — «متقدم» غير جاهزة بعد. أضفه إلى المفضّلة للمساعدة في تسريعها.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي على آلة غير مرئية. فبدلًا من الكمانات والأبواق، لدينا كيوبتات، وهي جسيمات هشة يسهل إخراجها عن الإيقاع بأدنى حرارة أو ضوضاء. ولكي تعزف أوركسترا من ملايين هؤلاء الموسيقيين بتناغم، يجب أن يقف قائد الأوركسترا ليس في قاعة دافئة، بل في البرد القارس، بجوارهم.

درجة الحرارة داخل المعالج الكمومي غالبًا ما تكون أقل من درجة حرارة الفضاء الخارجي: حوالي –273 درجة مئوية، أي أعلى بدرجة واحدة فقط من الصفر المطلق.

اليوم، تجلس إلكترونيات التحكم خارج المبرّد (cryostat) — وهو ثلاجة خاصة تعيش فيها الكيوبتات. تنتقل الإشارات عبر الأسلاك، لكن كل سنتيمتر إضافي من الكابل يضيف تأخيرًا وضوضاء، كما لو كان قائد الأوركسترا يلوّح بعصاه عبر ممر طويل. بالنسبة لعشرات الكيوبتات، هذا أمر محتمل، لكن بالنسبة لآلاف منها، لم يعد كذلك. الحل هو نقل وحدات التحكم إلى نفس البرودة التي يعمل فيها المعالج. يجب أن تكون هذه الإلكترونيات المبرّدة اقتصادية: فهي لا يحق لها تسخين الكيوبتات ولو بجزء من الألف من الدرجة.

تفرض أنواع مختلفة من الكيوبتات — فائقة التوصيل، والدورانية (spin-based)، والكيوبتات الباردة الذرية — متطلباتها الخاصة. بعضها يحتاج إلى نبضات فائقة السرعة، والبعض الآخر يحتاج إلى جهود ثابتة فائقة الدقة. يدرس المهندسون خيارات متعددة: من رقائق دقيقة خاصة مصممة على غرار الترانزستورات العادية، إلى دوائر رقمية على شريحة واحدة يمكن وضعها بجوار الكيوبت. الأمر الأصعب هو الجمع بين استهلاك منخفض للطاقة وسرعة عالية، لأن أشباه الموصلات في البرد الشديد تتصرف بشكل مختلف عن سلوكها في درجة حرارة الغرفة.

يجب أن تستهلك شريحة تحكم واحدة لألف كيوبت طاقة أقل من مصباح LED في مصباح يدوي صغير.

إذا نجح المهندسون، ستصبح الإلكترونيات المبرّدة هي قائد الأوركسترا القادر على إدارة أوركسترا من ملايين الكيوبتات. عندها ستتولى الحواسيب الكمومية مهام لا تستطيع الآلات التقليدية تحملها: من البحث عن أدوية جديدة إلى فك شيفرات العمليات الجزيئية الأكثر تعقيدًا. وكل ذلك بفضل دوائر تعمل في البرد، حيث يتحول الهواء نفسه إلى جليد.

عند درجة حرارة الهيليوم السائل (–269 درجة مئوية)، تصبح العديد من المعادن فائقة التوصيل وتفقد مقاومتها الكهربائية، مما يساعد في إنشاء دوائر فائقة السرعة واقتصادية للتحكم في الكيوبتات.

العلماء
Emmy NoetherDavid DeutschErwin SchrödingerJohn Stewart BellLouis de BroglieLov Grover
المفاهيم
حاسوب كمومي قابل للتوسع تحجيم معالج آي بي إم الكمومي مركز البيانات تعقيد تكلفة حسابية كوبيت فائق التوصيل عتبة الخطأ فاينمان ذاكرة قراءة خلية ذاكرة كيوبت منطقي طب مبرد ترانسمون قياس ميكروويف مبرد حاسوب فائق واجهة دماغ-حاسوب إلكترونيات فائقة التوصيل