ارتفاع حرارة الحوسبة الكمومية: العلماء يحققون وظيفة الكيوبت فوق 1K
مصر:إيهاب محمد زايد
لعقود من الزمن، عانى السعي وراء الحوسبة الكمومية من الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، مجرد أجزاء من الدرجة فوق الصفر المطلق (0 كلفن أو -273.15 درجة مئوية).
وذلك لأن الظواهر الكمومية التي تمنح أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدراتها الحسابية الفريدة لا يمكن تسخيرها إلا عن طريق عزلها عن دفء العالم الكلاسيكي المألوف الذي نعيش فيه.
تتطلب البتة الكمومية الواحدة أو “qubit”، أي ما يعادل البتة الثنائية “صفر أو واحد” الموجودة في قلب الحوسبة الكلاسيكية، جهاز تبريد كبير لتعمل. ومع ذلك، في العديد من المجالات التي نتوقع أن تحقق فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية اختراقات – مثل تصميم مواد أو أدوية جديدة – سنحتاج إلى أعداد كبيرة من الكيوبتات أو حتى أجهزة كمبيوتر كمومية كاملة تعمل بالتوازي.
من المتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية، القادرة على إدارة الأخطاء والتصحيح الذاتي، والتي تعتبر ضرورية لإجراء حسابات موثوقة، ضخمة الحجم. تستعد شركات مثل Google وIBM وPsiQuantum لمستقبل مستودعات كاملة مليئة بأنظمة التبريد وتستهلك كميات هائلة من الطاقة لتشغيل حاسوب كمي واحد.
ولكن إذا تمكنت أجهزة الكمبيوتر الكمومية من العمل في درجات حرارة أعلى قليلاً، فقد تكون أسهل في التشغيل – ومتاحة على نطاق أوسع بكثير. في بحث جديد نُشر في مجلة Nature، أظهر فريقنا أن نوعًا معينًا من الكيوبت -دورات الإلكترونات الفردية- يمكن أن يعمل عند درجات حرارة تبلغ حوالي 1K، وهي أعلى بكثير من الأمثلة السابقة.
الحقائق الباردة والصعبة
تصبح أنظمة التبريد أقل كفاءة في درجات الحرارة المنخفضة. ومما يزيد الطين بلة أن الأنظمة التي نستخدمها اليوم للتحكم في الكيوبتات عبارة عن فوضى متشابكة من الأسلاك تذكرنا بجهاز ENIAC وغيره من أجهزة الكمبيوتر الضخمة في الأربعينيات. تعمل هذه الأنظمة على زيادة التسخين وإنشاء اختناقات مادية لجعل الكيوبتات تعمل معًا.
كلما حاولنا حشر عدد أكبر من الكيوبتات، أصبحت المشكلة أكثر صعوبة. عند نقطة معينة، تصبح مشكلة الأسلاك غير قابلة للحل.
بعد ذلك، يجب أن يتم بناء أنظمة التحكم في نفس الرقائق مثل الكيوبتات. ومع ذلك، فإن هذه الإلكترونيات المدمجة تستخدم قدرًا أكبر من الطاقة – وتبدد المزيد من الحرارة – مقارنة بالفوضى الكبيرة للأسلاك.
منعطف دافئ
قد يقدم بحثنا الجديد طريقة للمضي قدمًا. لقد أثبتنا أن نوعًا معينًا من الكيوبت -نوع مصنوع من نقطة كمومية مطبوعة بأقطاب معدنية على السيليكون، باستخدام تقنية تشبه إلى حد كبير تلك المستخدمة في إنتاج الرقائق الدقيقة الحالية- يمكن أن يعمل عند درجات حرارة تبلغ حوالي 1K.
هذه درجة واحدة فقط فوق الصفر المطلق، لذلك لا يزال الجو باردًا للغاية. ومع ذلك، فهو أكثر دفئًا بكثير مما كان يُعتقد سابقًا. يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى تكثيف البنية التحتية للتبريد المترامية الأطراف في نظام واحد أكثر قابلية للإدارة. ومن شأنه أن يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل واستهلاك الطاقة.
إن الحاجة إلى مثل هذا التقدم التكنولوجي ليست مجرد ضرورة أكاديمية. إن المخاطر كبيرة في مجالات مثل تصميم الأدوية، حيث تَعِد الحوسبة الكمومية بإحداث ثورة في كيفية فهمنا للهياكل الجزيئية وتفاعلنا معها.
وتؤكد نفقات البحث والتطوير في هذه الصناعات، والتي تصل إلى مليارات الدولارات، على التوفير المحتمل في التكاليف ومكاسب الكفاءة من تقنيات الحوسبة الكمومية الأكثر سهولة.
حرق بطيء
توفر الكيوبتات “الأكثر سخونة” إمكانيات جديدة، ولكنها ستقدم أيضًا تحديات جديدة في تصحيح الأخطاء والتحكم فيها. قد يعني ارتفاع درجات الحرارة زيادة في معدل أخطاء القياس، الأمر الذي سيخلق المزيد من الصعوبات في الحفاظ على عمل الكمبيوتر.
لا يزال الوقت مبكرًا في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات يوم منتشرة في كل مكان مثل رقائق السيليكون الحالية، لكن الطريق إلى ذلك المستقبل سيكون مليئًا بالعقبات التقنية.
يعد التقدم الذي أحرزناه مؤخرًا في تشغيل الكيوبتات في درجات حرارة أعلى خطوة أساسية نحو جعل متطلبات النظام أكثر بساطة.
إنه يوفر الأمل في أن الحوسبة الكمومية قد تتحرر من قيود المختبرات المتخصصة في المجتمع العلمي الأوسع والصناعة ومراكز البيانات التجارية.
جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني
