حاسوب كمومي قابل للتوسع

أمين مكتبة في مستودع الكتب النادرة يأخذ مجلدًا من الرف ويعيده إلى مكانه دون أن يوقظ قطة نائمة بالقرب منه. هذا تقريبًا ما تفعله الذاكرة الكمومية الجديدة: تلتقط فوتونًا، تخفيه في اهتزاز ميكانيكي لجسر سيليكوني صغير، وتعيده عند أول طلب. الشبكات الكمومية تعد باتصالات آمنة وحوسبة موزعة، لكنها تفتقر إلى عقدة قادرة على تخزين الفوتونات عند طول موجة الألياف البصرية.

في قاعة صاخبة، يحاول مترجم التقاط كل كلمة، لكن الحفيف والصدى يشوشان المعنى. هكذا تقريبًا تحسب الطرق الحاسوبية التقليدية الأنظمة الكمومية المعقدة: كلما زاد عدد الجسيمات وقويت ارتباطاتها، زادت سرعة غرق الحسابات في الضوضاء. اقترحت مجموعة من الفيزيائيين نهجًا جديدًا — "مولّد شرودنغر". فهو لا يكتفي بالاستماع، بل يتعلم تفكيك التداخلات المتقاطعة، مستخرجًا الإشارة النقية.

البيانات في الإنترنت تسافر بسرعة الضوء سرعة الضوء عبر الألياف الضوئية. في الشبكات التقليدية، التأخيرات ليست حرجة، لكن الاتصال الكمومي يحتاج إلى تزامن مثالي: يجب أن تصل جسيمات الضوء المحملة بالمعلومات المشفرة إلى الكاشف في نفس اللحظة. المشكلة هي أنها بعد أن تسلك مسارات مختلفة، تفقد التزامن - تمامًا كمكونات طبق يتم إعدادها في أوقات مختلفة وتنتظر بعضها البعض.

معايرة المعالج الكمومي عمل رتيب يتطلب دقة متناهية: يجب معايرة كل بصريًا طيفيًا كيوبت — البت الكمومي، وحدة الحساب الأولية — تمامًا كما يضبط صانع الساعات عشرات التروس لتحقيق حركة مثالية للآلية. يتعب الإنسان ويخطئ، وثمن عدم الدقة هنا مرتفع بشكل خاص.

مصيدة غير مرئية من ضوء الليزر تحتجز 11 ألف ذرة — رقم قياسي في الهندسة الكمومية. في السابق، كان الفيزيائيون يتعاملون مع عشرات من هذه الجسيمات؛ أما الآن فقد وصل العدد إلى الآلاف. كل ذرة تصبح كيوبتًا — بتًا كموميًا، يكون صفرًا وواحدًا في آنٍ واحد، مثل عملة تدور على حافتها. مفتاح النجاح هو سطح ميتا مسطح بحجم عملة معدنية. يعمل كعدسة بدون زجاج ضخم، يُركب خارج حجرة التفريغ.

يشبه الترانزستور الحقلي العادي صنبورًا بمقبض حساس للغاية: أدره قليلًا، يتدفق الماء. في الأعماق الباردة للحاسوب الكمومي، حيث يُبرَّد كل شيء تقريبًا إلى الصفر المطلق، يجب أن يفتح هذا الصنبور بدقة عند الأمر. لكن المهندسين في هذه الدراسة وجدوا أن الصنبور لديه خدعة: إذا ضغطت على المقبض بقوة ثم سلطت عليه ضوءًا، فإنه يعلق في وضع جديد ويبقى ثابتًا من تلقاء نفسه، دون جهد مستمر.

تخيل مكتبة لا تحتوي على كتب، بل على جميع التركيبات الممكنة لعشرات الجسيمات الكمومية. عدد هذه التركيبات يتضاعف ككرة الثلج: أضف جسيمًا واحدًا فيتضاعف الحجم. لخمسين جسيمًا، عدد الأرفف يتجاوز عدد الذرات في الكون المرئي. كان يُعتقد سابقًا أن البحث في هذه الفوضى عن حالات مناسبة للقياسات فائقة الدقة هو بمثابة الفوز باليانصيب.

نردان دائمًا ما يسقطان بنفس الطريقة، مهما كانت المسافة بينهما. في الفيزياء الكمومية، يُسمى هذا السلوك تشابكًا، وهو المورد الأساسي لحواسيب المستقبل والاتصالات الآمنة. لكن المشكلة أن ليس كل تشابك يسهل رصده. بعض أشكاله — مثل حبر غير مرئي: الارتباط موجود، لكن الفحص القياسي (ويُسمى «معيار الإيجابية تحت النقل الجزئي») يُظهر صفحة بيضاء.

البت الكمومي (الكيوبت) بناء شديد الحساسية. حتى الحرارة الضعيفة تدمره، كما تقلب دفعة عشوائية كأساً من الكريستال. لحماية هذه المعلومات الهشة، ابتكر الفيزيائيون بنية كمومية ثلاثية الأبعاد تذكرنا بالدمى الروسية المتداخلة.

صيادٌ يُلقي شبكته في مياه راكدة هادئة. كلما طال الحبل، ضعُف إحساسه بأدقّ حركة للسمكة — فالموجة تتبدد في الطريق. لكن ماذا لو لم يكن الإشارة تخفت بل تتصاعد؟ هذا تقريبًا هو الخدعة التي يصفها مؤلفو العمل على مجموعة من الجسيمات موضوعة في مجال ذي تدرّج قوة "مدرَّج" خاص.

المعالج الكمومي يشبه تقاطعًا مزدحمًا: كلما زاد عدد السيارات، زادت صعوبة تجنب الاصطدامات. في العالم الكمومي، تلعب الكيوبتات دور السيارات — وهي حاملات المعلومات الأولية التي، على عكس البتات التقليدية، يمكن أن تكون صفرًا وواحدًا في آن واحد. اليوم، أفضل الكيوبتات هي فائقة التوصيل، فهي تعمل عند درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي، وتتطلب تجاورًا وثيقًا لتبادل الإشارات.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يدخل في اللحظة المناسبة تمامًا. في السابق، لعزف مقطوعة معقدة، كان لا بد من إعادة جلوس الآلات الموسيقية باستمرار — وهذا يستغرق وقتًا طويلًا ويسبب ضوضاء. المخطط الجديد المسمى «بنية التكافؤ» يُبقي الجميع في أماكنهم، والقائد فقط يغير النوتات.

من أكبر المسائل غير المحلولة في الفيزياء الحديثة توحيد النسبية العامة، التي تصف انحناء الزمكان تحت تأثير الأجسام الضخمة، مع ميكانيكا الكم، التي تحكم سلوك الجسيمات في العالم المتناهي الصغر. على مقاييس طول بلانك — وهي مسافات أصغر بمليارات المرات من حجم الذرة — تتوقف القوانين المألوفة عن العمل.

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.

بدلاً من ملايين الجسيمات المثبتة بإحكام، نستخدم 10,000 ذرة تعمل مثل خرزات على معداد كمومي. كل خرزة قادرة على أن تكون صفرًا وواحدًا في نفس الوقت. لكن الأهم هو أنه إذا تسلل خطأ أثناء الحساب، يمكن تحريك الذرات فيزيائيًا: تمامًا مثل إعادة ترتيب المعْدَاد أثناء العمل، لكي لا يفسد العطل النتيجة. هذه الحيلة تتم باستخدام ملاقط ليزرية، يتم التحكم بها بواسطة التحليل الطيفي — فن تحليل الضوء.

يشبه تعدين البيتكوين يانصيبًا: يجرّب المعدّنون مليارات الأرقام للعثور على رقم محظوظ واحد. الحاسوب التقليدي يفعل ذلك بشكل أعمى، مستهلكًا الكهرباء. أما الحاسوب الكمومي فيمكنه تجربة الاحتمالات بشكل أسرع — كما لو كان يبحث عن إبرة في كومة قش بهزّ الكومة كلها دفعة واحدة. في دراسة جديدة، حسب الباحثون تكلفة مثل هذا «الهزّاز» الكمومي في الواقع.

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.

نجح الحاسوب الكمومي IBM Heron R3 في مهمة تراجع أمامها الأسلوب التقليدي. يتعلق الأمر بإيجاد الحالة الأساسية — أدنى مستوى طاقي لنظام من 49 بتًا كموميًا. الأسلوب التقليدي SCI (selected configuration interaction) يفحص الاحتمالات، لكنه لم يجد الإجابة الصحيحة في هذه المهمة. أما الخوارزمية الكمومية، المبنية على أخذ العينات وقطرية كريلوف، فقد نجحت.

الضوء، عند مروره عبر عدسة، ينحني قليلاً. بالنسبة للحاسوب البصري، هذا مثل مرآة مشوّهة للرسام: الصورة موجودة، لكن التفاصيل تموج. آلة إيزينغ التي تعمل بأشعة الضوء تحل مسائل مثل ترتيب الأمتعة أو مسار ساعي البريد. لكن حتى الآن، كان عليها أن تنظر فقط إلى منطقة صغيرة وأكثر استواءً في "مرآتها". أي عدسة تشوّه الضوء، مثل زجاج النافذة الذي يشوّه المنظر خارجه.

يجري الضوء عبر متاهة من المرايا ومقسمات الأشعة، لكنه في نهاية المسار لا يكتفي بالوميض على الكاشف، بل يغيّر نفسه. في الحاسوب الفوتوني الجديد، أُضيفت وحدات غير خطية إلى الدوائر الخطية المألوفة، وأصبح بإمكان الضوء تنفيذ أي عملية كمومية، وليس جزءًا منها فقط. في السابق، كانت الأجهزة الكمومية البصرية تشبه بيانو لا يمكن العزف عليه إلا بالمفاتيح البيضاء.

الكيوبتات في الحاسوب الكمومي تشبه الموسيقيين في الأوركسترا: كل واحد يجب أن يسمع الآخرين، وإلا انهارت الموسيقى. ولكن إذا تم توصيل الموسيقيين بأسلاك بشكل دائم، فسيبدأون في إزعاج بعضهم البعض — هكذا تنشأ في الرقاقات فائقة التوصيل تفاعلات غير مرغوب فيها تفسد الحسابات. يبحث المهندسون عن طريقة تمنح الكيوبتات حرية التواصل دون إحداث ضوضاء.

على رقاقة سيليكون تشبه حيًا سكنيًا، تعيش الكيوبتات — إلكترونات ذات سبين — في «منازل» منفصلة. سابقًا، كان الجيران يتواصلون فقط عبر السياج، أما الآن فقد شُقّ طريق بينهم: عبره ينتقل الكيوبت إلى أي من المحطات الأربع. الطريق هو ناقل يُنقل عبره الإلكترون دون فقدان حالته الكمومية. في المحطة، تلتقي الكيوبتات وتنفذ عمليات: واحد يدير سبين الآخر، كمفتاح في قفل.

في مختبر هادئ، على طاولة، يقف جهاز بحجم فرن ميكروويف. داخله، ينزلق ملف بسلاسة صعودًا وهبوطًا، بينما يقرأ حاسوب الإشارات الكهربائية. هكذا تبدو النسخة المكتبية من ميزان كيبل-بليز، وهو جهاز يربط الكتلة بالثوابت الكمومية. سابقًا، كان هذا الميزان يشغل غرفة بأكملها ويتطلب فريقًا من المهندسين. الآن، جمع مهندسون من جامعة تسينغهوا نسخة توضع على طاولة المختبر.

الكمبيوتر الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص. ما دامت الآلات قليلة، يمكن لقائد الأوركسترا أن يوجه كلًا منها على حدة. لكن عندما يصل عدد الموسيقيين إلى الآلاف، تصبح الأوامر الفردية عبئًا لا يُحتمل. وجد فيزيائيون من برينستون وشيكاغو طريقة لقيادة الأوركسترا كلها دفعة واحدة دون أن تفقد الموسيقى تعقيدها.

عادةً ما تُحفظ الأجهزة الكمومية في المبرِّدات (cryostats) — وهي ترموسات كبيرة تكون درجة حرارتها أقل من تلك الموجودة في الفضاء الخارجي. أيون الإربيوم، المحبوس في مصيدة صغيرة على رقاقة سيليكون، يكسر هذا التقليد. فهو يعمل مباشرة على الطاولة، في درجة حرارة الغرفة، ويتذكر الحالة الكمومية لنصف ملي ثانية.

إنشاء نبضة ضوئية بعدد دقيق ومحدد مسبقًا من الفوتونات — مهمة تشبه سك 100,000 قطعة نقدية دون أي عيب. حتى وقت قريب، تمكن الفيزيائيون من التحكم في بضع عشرات فقط من هذه الكمات الضوئية. تقنية "الآلة البصرية" تتغلب على هذا الحاجز: العدسات الافتراضية، مثل قواطع دقيقة في مخرطة ميكانيكية، تزيل "الضبابية" الكمومية وتضمن أن كل "حزمة" منتجة تحتوي على عدد محدد بدقة من الفوتونات.

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.

ثلاجة ضخمة بحجم خزانة ملابس تُصدر أزيزًا، محافظةً على درجة حرارة داخلها أبرد من الفضاء الخارجي. في قلبها توجد شريحة سيليكونية تحتوي على حلقات فائقة التوصيل متناهية الصغر — الكيوبتات. لكن لكي تعمل الشريحة، تمتد إليها عشرات الكابلات النحاسية السميكة من درجة حرارة الغرفة. كل كابل من هذه الكابلات يعمل كباب مفتوح للثلاجة: فهو يُدخل الحرارة ويُشوِّه الإشارات الكمومية الهشة.

كيوبتان فائقا التوصيل على رقاقة واحدة يعزفان بنقاء عازفين منفردين في أوركسترا. كل منهما هو ترانزمون، وهو كيوبت أقل حساسية لضوضاء الشحنة. وهما مرتبطان عبر مبرد قابل للضبط، وهو عنصر مساعد يضبط قوة التفاعل بينهما. وقد جعل فريق من IQM Quantum Computers هذا الثنائي يعزف دون أي نغمة كاذبة.

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.

المعالج الكمومي فائق التوصيل يشبه مدينة صغيرة مجهرية محبوسة في ثلاجة تبريدية: شوارع من خطوط فائقة التوصيل، وأحياء من الكيوبتات. كل ساكن يحتاج إلى الهدوء والبرودة، لكن توسيع المدينة داخل كريوستات واحد يشبه بناء ناطحات سحاب في فناء ضيق — الأسلاك تسخن الوسط، وتزداد الضوضاء، ويهدد التماسك بالانهيار.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي على آلة تتعطل من أدنى حرارة. القائد هو المعالج الكمومي، والموسيقيون هم الكيوبتات، الحاملات الهشة للمعلومات الكمومية. لكي يعزفوا بتناغم، نحتاج إلى طاقم كامل من الموالفين، يجلسون في الغرفة المجاورة ويرسلون الأوامر عبر جدار عازل للصوت.

المعالج الكمومي الواحد يشبه عازفًا منفردًا. يمكنه عزف لحن بسيط، لكنه يحتاج إلى أوركسترا كاملة لأداء سيمفونية. لحل المشكلات التي تتطلب حسابات هائلة، يجب ربط المعالجات في شبكة. ولكن كيف نجعلها تتبادل المعلومات الكمومية دون فقدان؟ في هذا العمل الجديد، اقترح المهندسون بنيةً تعتمد على مفاتيح ضوئية (أجهزة تغيّر مسار شعاع الضوء) لربط عدد كبير من المعالجات.

الحاسوب الخارق الذي يحاكي سلوك البلازما الليزرية يشبه مطبخًا يطبخ فيه مئات الطهاة طبقًا واحدًا. إذا احتشد عشرة أشخاص حول موقد واحد ولم يقف أحد بجانب الآخر، تتوقف العمل. وكذلك في الحسابات: تتجمع جسيمات البلازما في مناطق معينة من الفضاء، تاركة مناطق أخرى شبه فارغة. المعالجات التي حصلت على المناطق "الساخنة" تعمل بأقصى جهد، بينما تنتظر البقية.

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.