معالج آي بي إم الكمومي

يمكن قطع طريق طويل، أو اختصاره إلى مسار قصير دون فقدان المعالم الرئيسية. في الحوسبة الكمومية، يلعب تطور الحالة مع مرور الوقت دور هذا الطريق: فهو يتطلب سلاسل أطول بشكل متزايد من العمليات، وسرعان ما يغرق في الضوضاء على المعالج الحقيقي. وجد الفيزيائيون طريقة لضغط كل خطوة من خطوات التطور في دارة مدمجة قابلة للضبط، مع الحفاظ على دقة تتجاوز 99%.

في غرفة هادئة لا يوجد فيها أي مغناطيس، لا يزال إلكترونان في مصيدة سيليكونية يشعران بارتعاش خفيف. هذا الارتعاش تخلقه نوى ذرات السيليكون والجرمانيوم، التي تدور بشكل عشوائي مثل إبر البوصلات المكسورة. في الماضي، كان يُعتبر هذا الارتعاش عائقًا، لكنه الآن أصبح أداة قياس بحد ذاته. قام فيزيائيون من مختبرات HRL بتصنيع جهاز يحتوي على ست نقاط كمومية، لكنهم استخدموا نقطتين فقط، تُعرفان بـ P5 وP6.

مختبر الكم يشبه مطبخًا ينتظر فيه الطباخ يومًا كاملًا حتى يبرد الموقد. الكيوبتات فائقة التوصيل لا تعمل إلا عند درجات حرارة تبلغ أجزاء من المئة من الكلفن، وكل دورة «تبريد – قياس – تدفئة» تستهلك يومًا. مجموعة من المهندسين بنت ثلاجة بحجم البطيخة وكتلة 3 كجم تنجز المهمة في ساعتين. في الداخل، بدلًا من البرج المعتاد بالأنابيب، تصميم مقلوب: أبرد نقطة في الأعلى، والمراحل الدافئة في الأسفل.

الثقب الأسود متاهة لا يمكن الخروج منها. لكن ماذا يحدث للمعلومات داخله؟ لاختبار ذلك، لم يذهب الفيزيائيون إلى أقرب ثقب، بل بنوا نسخة مصغرة منه على معالج كمومي. قام بدور المتاهة سلسلة من 32 كيوبتًا فائق التوصيل، حيث كل خطوة تقود إلى الأمام فقط — مثل ممر باتجاه واحد. أفق الحدث هو الحد الذي لا يعبره الضوء عائدًا.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا، حيث كل آلة هي كيوبت (بت كمومي يمكن أن يكون في تراكب من الحالات)، وقائد الأوركسترا هو المعالج المتحكم. يجب على القائد ليس فقط ضبط الإيقاع، بل أيضًا تغيير النوتة في الوقت المناسب إذا عزف العازف المنفرد بشكل غير متوقع. في السابق، كان هذا شبه مستحيل: أي تغيير في البرنامج قد يخل بالتوقيت الدقيق للعمليات الجارية، وينهار التجربة الكمومية.

السائل الذي يتدفق حول عائق يولّد دوامات وموجات صدمة. وصف سلوكها يعني حل معادلة لاخطية، حيث تعتمد سرعة التدفق على نفسها. الحواسيب الفائقة التقليدية تقضي أيامًا في هذا، بينما الحواسيب الكمومية لم تُستخدم تقريبًا حتى الآن: لغتها الطبيعية هي العمليات الخطية، بينما السائل «لاخطي» بطبيعته. مؤلفو العمل الجديد وجدوا طريقًا ملتويًا.

في عالم الجسيمات الكمومية، هناك "انطوائيون" — وهم الإنيونات. هذه شبه جسيمات لا تشبه الإلكترونات أو البروتونات المألوفة: إذا تم تبادل مكاني اثنين من هؤلاء "الانطوائيين"، فإنهما يتذكران هذه المناورة، وكأنهما يتركان أثرًا غير مرئي في الحالة الكمومية للنظام.

قد يتجمد فنجان القهوة الساخن أحيانًا أسرع من الماء البارد من الصنبور. هذه المفارقة، المعروفة بتأثير ميمبا (Mpemba effect)، ظلت لفترة طويلة مجرد فضول في الفيزياء الكلاسيكية. الآن، ساعد نظيرها الكمومي في اختبار وضبط المعالجات الكمومية — الأجهزة التي قد تصبح يومًا ما أساسًا لحواسيب فائقة القوة.

في قدر الحساء، كل حبة هي مغناطيس صغير يريد أن ينعكس في الاتجاه المعاكس لجاره. سخّن الحساء، فتبدأ المغناطيسات في التحرك بعشوائية، خاضعة للحرارة. ولكن كيف نعرف مدى تمردها عند كل درجة حرارة؟ بالنسبة للمواد العادية، يُحسب ذلك على حواسيب قوية عبر استعراض الاحتمالات.

إذا حملتَ فنجان قهوة بهدوء وثبات عبر الغرفة ثم عدت إلى نفس المكان، فلن يحدث شيء للمشروب. لكن في العالم الكمومي، الأمر مختلف: جسيم يقطع دائرة مماثلة لا يعود كما كان تمامًا. يكتسب "زيادة" خفية — طورًا هندسيًا يسميه الفيزيائيون طور بيري. هذه الإضافة تعتمد فقط على شكل المسار، وليس على زمن الرحلة.

كان الكون المبكر يشبه بالونًا يُنفخ بسرعة كبيرة — كان يتوسع بسرعة لدرجة أن الضوء لم يكن قادرًا على اللحاق بحوافه. ثم تحول هذا التسارع العنيف إلى توسع هادئ. توقف نفخ البالون وبدأ ينكمش ببطء. في لحظة تغيير الأنماط، لم يبقَ الفراغ فارغًا: فمنه، كما لو كان من مرجل محموم، تدفقت أزواج من الجسيمات. أعاد مؤلفو العمل الجديد إنتاج هذه العملية على حاسوب كمومي.

صفوف الأسلاك الممتدة من الغرفة الدافئة إلى الثلاجة التي تحتوي على الرقاقة الكمومية تذكرنا بمقسم هاتف متشابك من القرن الماضي. كان كل كيوبت يتطلب قناة تناظرية خاصة به لضبط دقيق، وكانت الكابلات تحمل حرارة زائدة وتتشابك تحت الأيدي. الآن وضع الباحثون محولاً رقمياً-تناظرياً مباشرة في المنطقة الباردة، بجوار الكيوبتات.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط اللحن العام. هكذا تقريبًا ينظر الفيزيائيون إلى الإلكترونات في الكوبرات (cuprates) — مواد سيراميكية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. الأبطال الرئيسيون هم ذرات النحاس والأكسجين. تقفز الإلكترونات بينها، وتتفاعل، وتُحدث تأثيرًا مذهلًا.

يشبه الحاسوب الكوانتي أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف دوره بإتقان، وإلا انهار اللحن. سابقًا، كانت إدارة الكيوبتات — "العازفين" الكوانتيين — تتطلب غرفة مليئة بالمعدات، وكل سلك إضافي كان يضيف ضوضاء.

ثماني عشرة خلية صغيرة اصطفت في صفين على قطعة من الجرمانيوم. كل خلية هي نقطة كمومية، مصيدة لإلكترون واحد، يعمل لفه المغزلي ككيوبت. سابقًا، كان من الممكن تجميع مثل هذه الأنظمة بضع قطع فقط، أما هنا فلدينا شبكة كاملة تعمل كمجموعة واحدة. التحكم بثمانية عشر جسيمًا في وقت واحد يشبه قيادة أوركسترا حيث يعزف كل موسيقي مقطوعته الخاصة لكنه يسمع القائد فقط.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره، لكن بمجرد أن يلوّح قائد الأوركسترا بعصاه بقوة زائدة، تختل آلات دقيقة بسبب الحرارة الزائدة. التحكم في الكيوبتات عند درجة حرارة 10 مكلفن (أبرد 300 مرة من الفريزر) — أشبه بقيادة أوركسترا في قاعة جليدية، حيث حتى النفس قد يفسد كل شيء.

يذوب مكعب الثلج في الشاي دون أثر. هكذا تنسى الأنظمة الكمومية عادة ماضيها بسرعة. ولكن في ظل الفوضى الشديدة، ينشأ تمركز الأجسام المتعددة — فتبدو الجسيمات وكأنها تتجمد، محافظةً على الذاكرة. استمرت التجربة على معالج IBM ذي 144 كيوبت لـ5000 دورة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف يؤدي دوره. لكن بين الحين والآخر يقتحم القاعة شعاع كوني، فيجفل عازف الكمان ويخرج عن الإيقاع. هذه الجسيمات القادمة من أعماق الفضاء تخترق الرقاقة، وتطلق إلكترونات زائدة، وتفسد الموسيقى الكمومية الهشّة. لمواجهة هذه الاضطرابات، بنى الفيزيائيون منصة اختبار خاصة.

قدر ماء على الموقد هو مجرد ماء، لكن داخل كل جزيء تدور رقصة مستمرة. ذرات الهيدروجين والأكسجين تهتز حتى عند الصفر المطلق، لأن العالم الكمومي هكذا. هذه الاهتزازات تغير كمية الحرارة التي يخزنها الماء وكيفية تدفقه. سابقًا، لمراعاتها، كان لا بد من تشغيل حسابات ثقيلة بشكل لا يصدق: كل ذرة تتحول إلى مروحة كاملة من نسخها، ويختنق الكمبيوتر.

داخل البروتون، تتشابك الكواركات مع بعضها عبر الغلوونات (gluons) كما لو كانت مرتبطة بنوابض. إذا حرّرت كواركًا واحدًا، يتمدد النابض وينقطع، مولّدًا كواركًا جديدًا. هكذا يعمل التفاعل القوي، ويكاد يكون من المستحيل حسابه في الزمن الحقيقي على حاسوب تقليدي: فالاحتمالات كثيرة جدًا ومتشابكة. على المسرح يظهر الحاسوب الكمومي.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف-كيوبت أن يعزف نغمته دون نشاز. لكن من وقت لآخر، يقتحم القاعة مارٌّ عابر — جسيم إشعاعي من الفضاء — ويُفقد العازفين الإيقاع. تُسمى هذه الأعطال اندفاعات الأخطاء، وهي تعيق العمليات الحسابية. أخذ العلماء معالجين متطابقين تقريبًا بأنواع مختلفة من التماسات في الكيوبتات (وصلات جوزيفسون).

تعد الحواسيب الكمومية واعدة بحل مسائل يتعذر على الآلات التقليدية حلها، لكن قلبها - الكيوبتات - يتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية قريبة من الصفر المطلق. عادةً ما يتم التحكم في الكيوبتات وقراءة حالتها من غرفة دافئة، عبر مدّ العديد من الكابلات عبر المبرد.

يشبه الكمبيوتر الكمومي أوركسترا حساسة: كل كيوبت هو عازف يسمع أدنى ضجيج ويخطئ. لعزف سيمفونية حسابية معقدة، تحتاج إلى مئات الآلات المتناغمة. لقد اتخذ المهندسون خطوة مهمة: فقد وضعوا أكثر من 500 كيوبت فائق التوصيل على شريحة واحدة بقطر ثلاث بوصات، وكأنك تضع أوركسترا سيمفونية كاملة على طبق عشاء.

داخل كل خلية تجري تفاعلات كيميائية باستمرار، وكأنها مطبخ صغير حيث تعمل البروتينات كطهاة تحضّر المواد الضرورية. لكن رؤية كيف يطبخ الطاهي بالضبط تعوقها حشود الجزيئات الأخرى حوله.

إلكترونان في أنبوب ضيق لا يريدان أن يكونا متجاورين. كلاهما يحمل شحنة سالبة، فيتنافران مثل مغناطيسين متقابلين بنفس القطبين. إذا كان الأنبوب رفيعًا جدًا، فلا يمكنهما الابتعاد جانبًا — فلا يبقى إلا أن يصطفا واحدًا خلف الآخر. يسمي الفيزيائيون هذا التوطين الفيجنري (Wigner localization): إذ تحتل الجسيمات مواقع ثابتة، وكأنها حبات عقد على خيط مشدود.

تعزف الأوركسترا داخل ثلاجة ضخمة. الموسيقيون هم الكيوبتات، الخلايا الأولية للكمبيوتر الكمومي. لكي يعزفوا بتناغم، نحتاج إلى الصمت: فالضوضاء الحرارية تطغى على اللحن. لذلك يتم تبريد قلب المعالج الكمومي إلى ما يقارب الصفر المطلق — ناقص 273 درجة مئوية. لكن يجب إخراج الموسيقى إلى الخارج، إلى الجمهور. الأسلاك الممتدة من البرد إلى الغرفة الدافئة تشبه ممرات طويلة حيث يتشوه الصوت ويخفت.

الكيوبت، قلب الحاسوب الكمومي، يشبه فقاعة صابون: أدنى نسمة هواء تجعلها تنفجر. على الأرض، تسحب الجاذبية الفقاعات إلى الأسفل مسببة اهتزازات، ويضيف الاضطراب الحراري للذرات ارتجاجاً. الانتروبيا — مقياس هذه الفوضى — تدمر المعلومات الكمومية.

تدور 98 أيون باريوم في المعالج الجديد هيليوس على طول مسار مغلق، مثل الأحصنة في دوامة الخيل. تسمح هذه البنية المعمارية لأي أيون بتبادل البيانات مع أي أيون آخر، مما يجعل النظام مرنًا وقويًا. وتعطي نبضات الليزر الأوامر بسرعة الضوء، مثل عصا قائد الأوركسترا. المشكلة الرئيسية في الحوسبة الكمومية هي الأخطاء. كلما زاد تعقيد المهمة، زادت فرصة الفشل.

في الأسلاك العادية، تتصادم الإلكترونات وتفقد طاقتها وتسخن – وهذه هي المقاومة. أما في الموصلات الفائقة، تتزامن بعض الإلكترونات في أزواج، مثل نجمين يدوران حول بعضهما بتناغم تام دون اصطدام. لكن هذه الأزواج تختبئ: لا يمكن رؤيتها مباشرة، بل نستدل عليها من خلال التناغم المثالي.

في العالم الكمومي، عادة ما تدمر الضوضاء السلوك المنظم، كما تطفئ الدفع العشوائية البندول. لكن على معالجات IBM الكمومية، اكتشف الفيزيائيون العكس: فالضوضاء المهيكلة قادرة على إطالة وحتى إنشاء تذبذبات إيقاعية. يشبه ذلك بندولاً يتأرجح بقوة أكبر بفعل دفعات غير منتظمة ولكنها متسقة داخليًا.

في قلب الموصل الفائق، تندمج الإلكترونات لتكوين أزواج كوبر وتتحرك دون مقاومة. ولكن إذا نشأت دوامة في هذا النظام المثالي — وهي منطقة صغيرة تختفي فيها الموصلية الفائقة — تظهر هناك إثارات خاصة: شبه جسيمات بوغوليوبوف. لفترة طويلة، اعتُبرت مرشحة لتكون فرميونات ماجورانا، وهي جسيمات تعتبر جسيمات مضادة لنفسها.

في مختبر مظلم، حيث تُبرَّد الرقائق فائقة التوصيل إلى أجزاء من الألف من الكلفن، يدور الكيوبت تحت تأثير مجال مغناطيسي. الكيوبت العادي يدور في اتجاه واحد. أما المضاد-كيوبت — توأمه المرآتي — فيدور في الاتجاه المعاكس. معًا يشكلان زوجًا يحسّ المجال بدقة مضاعفة مقارنة بأي زوج عادي. البوزيترون — الجسيم المضاد للإلكترون — له عزم جيرومغناطيسي بنفس القيمة المطلقة لكن بإشارة معاكسة.

في عام 2019، طرح مجموعة من المنظرين سؤالًا بسيطًا: ماذا يحدث إذا أُدمج في حاسوب كمومي عادي عنصر واحد غير قابل للعكس، أي بوابة "تلتهم" الاحتمال قليلًا؟ كان الجواب قاسيًا. أي بوابة من هذا القبيل، مهما كانت ضعيفة، تحوّل الآلة فورًا إلى جهاز قادر على حل مسائل من الصنف PostBQP = PP. هذا هو الصنف الذي يتضمن مسائل لا يمكن حلها في زمن معقول حتى على حاسوب كمومي.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.

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.