التقنيات الناشئة cs.ET

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.

في سبتمبر 2024، لم يكن على خشبة المسرح في قاعة الحفلات في لينتس سوى الأوركسترا فحسب. فإلى جانب الموسيقيين، عملت منشأة تولد أزواجًا من الفوتونات المتشابكة: ليزر بطول موجة 405 نانومتر يصطدم ببلورة غير خطية وينقسم إلى فوتونين بطول موجة 810 نانومتر، ينطلقان إلى محطتي قياس: أليس وبوب.

تعزف الأوركسترا قبل الحفل. كل عازف يلتقط الإيقاع الجماعي، فيولد النظام في القاعة. وعلى نحو مماثل، يعمل الحاسوب الكمومي الخزاني: فالكيوبتات، مثل العازفين، تتفاعل مع بعضها البعض، محوّلة الإشارة الفوضوية إلى لحن يمكن التنبؤ به. الحوسبة الخزانية معروفة منذ زمن. الشبكات الصدوية التقليدية تتطلب ضبطًا دقيقًا وموارد كبيرة.

البت الكمومي، أو الكيوبت، يشبه عملة تدور على طاولة ويمكن أن تكون وجهًا أو كتابًا في نفس الوقت. لكي يفهم الحاسوب ما ظهر، يجب إيقاف العملة والنظر إليها. سابقًا، كان هذا الإيقاف يتم بتأخير: تُلتقط البيانات، وتُنقل إلى حاسوب عادي للمعالجة، ثم تُعرف النتيجة فقط بعد ذلك. خلال هذا الوقت، كان الكيوبت قد يغير حالته، فيفسد الجواب. وجد المهندسون طريقة للنظر إلى العملة دون إيقافها.

على الطاولة حفنة من مغناطيسات دائرية. ما دامت لا تُلمس، تبقى مبعثرة كما هي. لكن بمجرد تمرير نبضة تيار قصيرة عبرها، ينقلب كل قرص: يتبادل القطب الشمالي مكانه مع الجنوبي. وفي أثناء ذلك، تدفع الأقراص المتجاورة بعضها بحقولها، مثل أشخاص في طابور مزدحم، فتترتب الحفنة كلها في نمط يعتمد على الجهة التي هبت منها الرياح المغناطيسية ومدى دفء الجو.

في أعماق العين، داخل طبقة رقيقة من الخلايا، تعمل آلة جزيئية صغيرة. تلتقط الضوء وتحوله إلى إشارة يفهمها الدماغ كصورة. لكن في بعض الأحيان يحدث خطأ مطبعي في مخططات هذه الآلة — يتغير حرف واحد من الشفرة الوراثية، ويولد الإنسان أعمى. ظل العلماء لفترة طويلة غير قادرين على فهم لماذا تكسر بعض الأخطاء المطبعية الآلة تمامًا، بينما تعمل أخطاء أخرى على إبطائها قليلًا فقط.

في الليل، لا ينطفئ الدماغ. بدلاً من ذلك، يراجع أحداث اليوم، مثل أمين المكتبة الذي يرتب الكتب على الرفوف. ولكن من أين تأتي الصور الغريبة، وأحياناً العبثية، في الأحلام؟ اعتقد الكثيرون أنها مجرد ضجيج عشوائي لا أهمية له. يُظهر نموذج حاسوبي جديد أن العشوائية لا تعيق، بل تساعد. يأخذ الدماغ الإشارات العشوائية ويحولها إلى خبرة مفيدة.

المادة العادية تنهار بصمت. في البداية تتمزق داخلها خيوط جسرية غير مرئية، وعندها فقط يظهر شق يمكن رؤيته بالعين. مهندسون من جامعة كارنيغي ميلون علّموا المادة أن «تتكلم» عن هذه الأضرار الخفية. طبعوا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد شبكة تشبه أقراص العسل، لكن بنمط أكثر تعقيدًا. أضافوا إلى الراتنج أنابيب كربون نانوية — موصلات متناهية الصغر بسمك بضعة ذرات.

المُضخِّم الجزيئي (molecular amplifier) يشبه مزلاج الباب: إشارة ضعيفة تفتح الطريق أمام إشارة قوية. في الخلايا الحية، تعمل هذه المُضخِّمات باستمرار، لكنها دائمًا ما تستهلك وقودًا. فهل يمكن تضخيم الإشارة دون إنفاق طاقة؟ اتضح أن نعم — إذا قمنا مسبقًا بـ«شدّ الزنبرك»، أي تجهيز الجزيئات بحيث يكون من المفيد لها إعادة الترتيب عند ظهور المفتاح المناسب.

أوركسترا يعزف كل عازف فيها دوره، لكنه لا يسمع إلا جاره. ما إن يخطئ أحدهم حتى تتدحرج موجة الأخطاء عبر القاعة كلها. هكذا تعمل آلات إيزينج — أجهزة خاصة لحل المسائل التي تتطلب إيجاد الخيار الأفضل من بين العديد. عناصرها، أو «السبينات»، مترابطة، وإذا حُدِّثت في آن واحد، تبدأ بالتداخل مع بعضها مثل موسيقيين دخلوا في غير موعدهم. عادةً تُحدَّث السبينات تباعًا، لكن هذا بطيء.

يلتقط جهاز الراديو محطة واحدة فقط لأن دائرته الرنانة مضبوطة على تردد تلك المحطة. وبطريقة مشابهة تعمل الدوامات المغناطيسية في نوع جديد من عناصر الحوسبة. كل دوامة هي "قمة مغناطيسية" صغيرة داخل وصلة نفقية (جهاز يغير مقاومته حسب المغنطة). يمكن للدوامة أن تدور في اتجاه أو آخر، وهذا الاتجاه هو ذاكرتها، أي ما يعادل الواحد أو الصفر.

تعمل الرقائق العصبية بشكل مختلف عن الحواسيب التقليدية، المبنية وفق مخططات فون نيومان بذاكرة ومعالج منفصلين. تعتمد الرقائق على شبكة من خلايا بسيطة تشبه العصبونات، ومثل الماء الذي يملأ أي وعاء بانتظام، تجد الحل بسهولة دون خطوات زائدة. والرقاقة نفسها، مثل دماغنا، تقوم على الكربون – الأساس الكيميائي للحياة.

في الحساء المغلي، تتصادم الجزيئات بصورة عشوائية وتدخل في تفاعلات. لكن إذا قسنا كيفية تغير تركيزاتها، تظهر أنماط منتظمة. تعمل الشبكات الكيميائية الكربونية على هذا المبدأ — وهي خلائط من الجزيئات تقوم تلقائياً بـ 'طهي' المعلومات، محولة كل تفاعل إلى عملية حسابية أولية. في السابق، كانت تُستخدم فقط لنمذجة الطبيعة.

التواصل مع الخلايا العصبية الحية يشبه ضبط جهاز راديو قديم: المهم ليس فقط التقاط الموجة الصحيحة، بل أيضًا توجيه الهوائي بدقة.