أفضل ما في العالمين: الحواسيب الكمومية “الهجينة” قد تكون في متناول اليد، كما يقول الباحثون

على الرغم من كل إمكاناتها، تواجه أجهزة الكمبيوتر الكمومية صعوبة في نمذجة التفاعلات بين عائلتين من وحدات البناء التي تشكل أساس كوننا. هل يمكنك تخيل طاهٍ يكافح من أجل وصف كيفية صنع السكر والحليب للكعك؟ لكن ربما وجد الباحثون طريقة للتغلب على هذا التحدي من خلال نمذجة كمبيوتر كمي نظري “هجين” يَعِد بدمج أفضل ما في العالمين. يتم تجميع الجسيمات الأساسية التي تشكل الكعكة الكونية لوجودنا إما على شكل فرميونات أو بوزونات. بعبارات أبسط، الفرميونات هي جسيمات المادة، بما في ذلك الإلكترونات والبروتونات، وتشمل البوزونات جسيمات تتوسط القوة، مثل الفوتونات (الضوء) التي تحمل القوة الكهرومغناطيسية. تعتبر أجهزة الكمبيوتر الكمومية رائعة في نمذجة الفرميونات، لأنها أكثر انفصالًا، تمامًا مثل الكيوبتات التي تعمل على تشغيل الحوسبة الكمومية. لكن البوزونات أكثر صرامة لأنها يمكن أن تشغل نفس الحالة الكمومية و”التداخل”، مما يعني أنه يمكن للمرء أن يمتلك كومة كمية من البوزونات اللانهائية. (ScienceAlert) يمكن لإطار نظري جديد تجاوز هذه المشكلة وزيادة شحن الحوسبة الكمومية، وذلك بفضل دراسة جديدة أجراها فريق من الفيزيائيين والمهندسين وعلماء الكمبيوتر، بقيادة إليانور كرين، محاضرة الحوسبة الكمومية في كلية كينجز في لندن. كما وصفوا في مجلة Physical Review X ، طور الباحثون استراتيجية حوسبة كمومية هجينة تتضمن تقنيتين موجودتين: الكيوبتات التي تشغل أجهزة الكمبيوتر الكمومية، ومرنانات تجويف الموجات الدقيقة، وهي صناديق صغيرة تحتوي على مجالات كهرومغناطيسية متذبذبة. وتُستخدم هذه الأخيرة بالفعل في الموصلات الفائقة، لكن الباحثين يتصورون استخدامها في العمليات الحسابية لتخزين المعلومات الكمومية. لتكرار عمل البوزونات، يجب أن تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية العديد من الكيوبتات، والتي تكون منفصلة مثل الفرميونات، ولكن توسيع نطاق ذلك يؤدي أيضًا إلى زيادة معدل الخطأ. يمكن أن يؤدي دمج الرنانات إلى تجنب هذه المشكلة، مما يوفر اختراقًا: “نظرًا لأن هذا (الإطار الهجين) يختصر العمل ألف مرة، فإن مشاكل الكيمياء والمواد ذات القيمة العملية يمكن أن تصبح في متناول الآلات التي يتم بناؤها اليوم، قبل وقت طويل من وصول أجهزة الكمبيوتر الكبيرة المصححة للأخطاء”، كما يقول الباحثون في الملخص الشائع لعملهم. فوتون ينثر إلكترونًا، ويعرض واحدة من التفاعلات العديدة بين الفرمون والبوزون التي تحكم فيزياء الجسيمات الكامنة وراء وجودنا. (مجلات APS) عند وضع حجر الأساس للتكامل الرقمي السلس للنظام الهجين، فإن الأمر يشبه إلى حد ما تقديم اثنين من مشجعي Star Trek من مناطق مختلفة من العالم وجعلهم يتواصلون من خلال Klingon كلغة مشتركة. لتقديم خط أساس للمقارنة بين الحوسبة الكمومية التقليدية والهجينة، طور الباحثون نماذج لمقسم الأشعة، الذي يقسم الضوء أو يجمعه، بالإضافة إلى اثنين من الأكوان الصغيرة المبسطة للغاية. على سبيل المثال، نموذج قياس الأبعاد (2+1)⁢ “صعب السمعة” يشتمل فقط على بعدين للمكان وبُعد للزمن، مما يعيدنا إلى أيام بونج أو سونيك. قد يبدو هذا أمرًا مخيبًا للآمال نظرًا للضجة الإعلامية حول الحوسبة الكمومية، لكنه في الواقع مكان علمي رائع. إن نمذجة الأشياء في بعد مكاني واحد أمر بسيط للغاية، كما أن نمذجة الأشياء في الأبعاد الثلاثة (+1) لكوننا المعروف تمثل تحديًا كبيرًا. يقول الباحثون: “لأن هذا (الإطار الهجين) يختصر العمل ألف مرة، فإن مشاكل الكيمياء والمواد ذات القيمة العملية يمكن أن تصبح في متناول الآلات التي يتم بناؤها اليوم، قبل وقت طويل من وصول أجهزة الكمبيوتر الكبيرة المصححة للأخطاء”. ربما من المدهش أن تكون نظريات (2+1) ذات صلة بالعالم الحقيقي. على سبيل المثال، الجرافين الذي يُقال إنه أقوى مادة معروفة هو في الواقع ثنائي الأبعاد. تعتبر التفاعلات ثنائية الأبعاد أيضًا حيوية في كيفية تدفق الإلكترونات في المواد فائقة التوصيل، مع آثار كبيرة على تخزين الطاقة. بشكل عام، يقترح الباحثون أن الحوسبة الكمومية الهجينة يمكن أن تكون أكثر دقة، وقريبًا. على سبيل المثال، لمطابقة أجهزة الكيوبت-بوزون بدقة تصل إلى 99.9% لكل بوابة – وهي دقة البوابة المنطقية في تعديل الحالة الكمومية للكيوبت – سيحتاج كمبيوتر الكيوبت فقط من أعلى مستوى إلى دقة لكل بوابة بنسبة 99.9999 بالمائة على الأقل. تعرض هذه “التسعات” العديدة فرقًا قدره ثلاثة أوامر من حيث الحجم ولا يمكن تحقيقها حاليًا. نظام تقليدي من الكيوبتات وبواباتها، في الأعلى، مقابل نسخة هجينة مبسطة، في الأسفل. حتى عند الدقة البالغة 99.9 بالمائة، والتي تبدو عالية، يمكن أن تتراكم العديد من الأخطاء الفردية بسرعة وتحول الناتج إلى “ضوضاء” عديمة الفائدة. (مجلات APS) يمكن أن تساعد أجهزة Qubit-boson في إلقاء الضوء على العديد من الألغاز البارزة، مثل تفاعلات الفونونات (أشباه الجسيمات من الطاقة الاهتزازية) والإلكترونات، مما يوفر مخططًا أساسيًا للموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. يمكن لهذا العمل أيضًا منع أخطاء الحوسبة الكمومية عن طريق اقتطاع العديد من بوابات الكيوبت المنطقية التي يجب ربطها معًا، مما يؤدي إلى تحرير المزيد من الموارد عن طريق التخلص من “الكيوبتات الملحقة” التي تستخدم للكشف عن الأخطاء. مهما كانت الاستراتيجية، فإن عواقب الحوسبة الكمومية قد تكون مؤثرة في تشكيل العالم: “إن فهم كيفية نقل النباتات لأشعة الشمس لتحويلها إلى طاقة، وكيف تحمل بعض المواد الكهرباء دون خسارة، أو كيف ترتبط الأدوية بأهدافها، يمكن أن يوفر خلايا شمسية وشبكات كهرباء وأدوية أفضل”. ربما يكون الجانب الأكثر إثارة للاهتمام في هذا العمل هو توفره الواضح في مكان قريب، كما يؤكد الباحثون، لأنه إطار قابل للتطبيق: إذا تمكن المرء “ببساطة” من الجمع بين الكيوبت والمذبذب، فيمكن للمرء تحقيق نتائج حوسبة كمومية أفضل بشكل تآزري عن طريق تقليل استخدام الموارد. تعتبر الكيوبتات والمذبذبات شائعة. يقول أنتوني سيافاريلا، عالم الأبحاث الحسابية في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا: “من وجهة نظري، فإن الجانب الأكثر تشجيعًا في هذا الاقتراح هو مدى تواضع متطلبات الأجهزة. ويمكن تلبية هذه المتطلبات بواسطة أجهزة على المدى القريب دون انتظار تصحيح الخطأ الكمي”. “يوفر هذا العمل هدفًا ملموسًا لتطوير الأجهزة، كما أن دقة البوابة المطلوبة قريبة مما تحققه الأجهزة الموجودة بالفعل.” تم نشر البحث في Physical Review X. تم التحقق من صحة هذه المقالة بواسطة فيونا ماكدونالد وحررت بواسطة فيونا ماكدونالد. وبينما نفخر بعمليتنا، فإننا بشر فقط. إذا اكتشفت خطأ، يرجى إعلامنا بذلك.