حاسوب فائق

الفنان يرسم بسرعة بالفحم — ويصبح الوجه في الصورة معروفًا. علماء الفيزياء الفلكية يواجهون مشكلة مشابهة: الطيف النجمي هو صورته الفردية، تكشف درجة الحرارة والتركيب وقوة الجاذبية. حتى وقت قريب، كانت هذه الصورة تتطلب «رسمًا زيتيًا» متقنًا — كود الانتقال الإشعاعي (radiative transfer) في ظروف الخروج عن التوازن الحراري المحلي (non-LTE).

الحاسوب العادي يدفع الكهرباء عبر مسارات نحاسية، وكل عملية هي طابور: أولًا واحدة ثم أخرى. أما الضوء فيعرف طريقة مختلفة. في حزمة واحدة يمكن خلط عشرات الإشارات دون أن تتعارض، مثل أصوات مختلفة في جوقة تُسمع في آن واحد لكن كلٌّ منها يُسمع بوضوح. الشريحة الجديدة FieldCore تستخدم خمسة من هذه "الأصوات" دفعة واحدة. الأول: لون الحزمة؛ فالأطوال الموجية المختلفة تحمل بيانات مختلفة.

يدخل القاضي قاعة المحكمة دون أن ينظر إلى الأدلة — ويصدر الحكم فوراً. هكذا يعمل المستشعر الكمومي الجديد: فهو لا يقيس الإشارة بل يقرر مباشرة إلى أي صنف تنتمي. في الاستشعار الكمومي التقليدي، الأمر يشبه التحقيقات: أولاً تجمع الأدلة (تقيس الإشارة)، ثم تحللها. لكن العلماء اقترحوا مساراً مختلفاً — دمج القياس الكمومي والحوسبة الكمومية في دائرة واحدة.

يفرز الحاسوب التقليدي البيانات كما يفرز الإنسان حبات الرمل ذات الألوان المختلفة بدقة. أما المعالج الكموي فيستلهم من الطبيعة: فكما تحلل قطرة ماء ضوء الشمس إلى قوس قزح، لتعرض جميع الألوان دفعة واحدة، تلتقط الخوارزمية الجديدة جوهر كميات هائلة من المعلومات في لحظة.

التنبؤ بالطقس يشبه محاولة توقع أين ستتدحرج صخرة على منحدر، إذا عرفت شكل كل نتوء وقوة الرياح. أخطأت في البداية — وبعد أسبوع يتحول الخطأ إلى عاصفة كاملة. في السابق، كانت التوقعات الدقيقة تتطلب حواسيب ضخمة وحسابات تستمر أيامًا. الآن ظهر نموذج Sonny الذي يفعل الشيء نفسه على بطاقة رسوميات واحدة. يعمل Sonny على خطوتين.

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.

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.

الكمبيوتر العادي يرى العالم مسطحًا: الأعداد بالنسبة له مجرد نقاط على خط. لكن الصورة الملونة أو المشهد ثلاثي الأبعاد يتطلب أكثر من ذلك — أربعة أعداد تصف الموضع والدوران معًا. تسمى هذه المجموعات الرباعية بالكواتيرنيونات (quaternions)، وحتى الآن كانت الإلكترونيات تتعامل معها بشكل غير مباشر، بتفكيكها إلى أجزاء ثم إعادة تجميعها. الرقاقة الجديدة تغير النهج.

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.

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.

الذرات، مثل سرب من اليراعات التي تزامن وميضها، قادرة على إصدار الضوء في انسجام تام. هذه الظاهرة، التي تسمى الانبعاث الفائق (superradiance)، تؤدي إلى زيادة غير خطية في شدة الضوء: مئة ذرة تصدر إشعاعًا متماسكًا تعطي توهجًا أكثر سطوعًا بعشرة آلاف مرة من ذرة واحدة. استخدم الفيزيائيون هذا التأثير لإنشاء محرك حراري من نوع جديد جذريًا.

ثلاثة آلاف متر فوق مستوى سطح البحر، وجدار صخري شاق. المتسلق الكلاسيكي يتسلق على طول مسار واحد، خطوة بخطوة، وكثيراً ما يعلق في حد أدنى محلي: فجوة صغيرة لا يوجد منها ممر إلى الأعلى. أما متسلق الكم فيتصرف بشكل مختلف: فهو قادر على القفز فوق الوادي والهبوط في حوض الطاقة المجاور، حيث المسار أفضل. المشهد الطاقي هو رسم بياني لطاقة جميع التشكيلات الممكنة للنظام.

في المبرد (cryostat) المبرَّد إلى عشرات الميلي كلفن، تعيش كيوبتات فائقة التوصيل. عددها قليل: عشرات، وبالكاد مئات. التداخل المتبادل والضوضاء الحرارية يمنعان تكديس المزيد. ولاختراق تشفير RSA-2048، نحتاج من عشرة آلاف إلى عشرة ملايين كيوبت فيزيائي. الفجوة خمس مراتب من حيث الحجم، مثل الفرق بين دراجة هوائية وصاروخ.

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.

في عام 2023، أطلقت مجموعة من الباحثين في مختبر أوك ريدج الوطني على الحاسوب العملاق ثيتا محاكاة لدائرة كمومية من 61 كيوبت. لتخزين متجه حالتها، كانت ستلزم ذاكرة بحجم 32 إكسابايت، أي أكثر من السعة الإجمالية لجميع الأقراص الصلبة على كوكب الأرض. لكن بفضل ضغط البيانات، تمكنوا من الاكتفاء بـ 768 تيرابايت.

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.