العالم الرقمي - الكمبيوتر المحمول الخاص بك ، والإنترنت المتصل به ، والشركات التي تجعله يعمل - يقوم على أساس من البتات. هذه البتات هي اللغة التي تتحدث بها أجهزة الكمبيوتر الرقمية.
تأتي البتات في نكهتين: عدديًا ، يتم تمثيل هاتين الحالتين في صورة آحاد وأصفار. يتم تصنيعها فيزيائيًا على رقائق الكمبيوتر بواسطة مفاتيح مصغرة تسمى الترانزستورات التي تعمل أو لا تعمل. يجمع رمز الكمبيوتر بين البتات المادية والرقمية في وحدات البناء المنطقية الأساسية ، مثل "نعم" أو "لا" و "إذا" أو "إذن". قم بجمع مليارات البتات معًا وستحصل على جداول بيانات وصور لعائلتك وتغريدات وذكاء اصطناعي وشركات بقيمة تريليون دولار.
البتات هي الجسيمات الأولية للعصر الرقمي. لكن وحدة معلومات أساسية جديدة ، وأكثر قوة من بعض النواحي ، آخذة في الظهور: الكيوبت.
Qubits هي لغة الحوسبة الكمية ويمكن أن تأخذ قيمة الآحاد والأصفار - مثل البتات الكلاسيكية - أو ، بفضل القوانين الغريبة لميكانيكا الكم ، مزيج من الاثنين في وقت واحد. هذه الحالة ، التي تُعرف باسم التراكب ، هي المكان الذي يحدث فيه السحر. يمكن للكيوبت في التراكب استكشاف العديد من الاحتمالات أكثر من البتات التقليدية ، وعندما ترتبط حالاتها الكمومية ببعضها البعض ، أو تتشابك ، يمكن أن تتعاون ، بالتوازي ، لحل الحسابات المعقدة للغاية في غمضة عين. لن تحل أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل محل أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية ، ولكن في بعض الحالات ، ستكون قادرة على حل المشكلات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها.
ومع ذلك ، فإن الوضع الحالي أكثر تعقيدًا بعض الشيء. في حين أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية قد انتقلت رسميًا من نظرية إلى حقيقة - وهو إنجاز رائع - إلا أن أيا منها لم تصبح عملية حتى الآن.
لتحقيق جهاز كمبيوتر كمي مفيد ، تقوم Google و IBM و Microsoft و Amazon وغيرها بصب الموارد في الأجهزة التي تعمل على مجموعة من الكيوبتات. النهج الأكثر شيوعًا ، الذي تفضله Google و IBM ، يتضمن حلقات صغيرة من الأسلاك فائقة التوصيل. تعمل شركة Honeywell و IonQ على متابعة كيوبتات ذرية مصنوعة من أيونات محاصرة. يقوم باحثون في الصين ببناء آلات معقدة تشبه روب غولدبرغ على مقاعد المختبر لتشغيلها حسابات الكم مع المرايا والضوء.
السباق الكمومي ليس مستقرًا ، كما هو موضح في a نشرت الصحيفة هذا الأسبوع in الطبيعة، هناك حصان جديد على المضمار. بدلاً من الحلقات أو الأيونات أو الفوتونات فائقة التوصيل ، صنع فريق من العلماء بقيادة مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة كيوبتات من إلكترونات مفردة.
قال Dafei Jin ، العالم في Argonne والباحث الرئيسي للمشروع: "إن هدفنا الطموح ليس التنافس مع تلك الشركات ، ولكن اكتشاف وبناء نظام كيوبت جديد بشكل أساسي يمكن أن يؤدي إلى منصة مثالية". خبر صحفى.
الاختراق الرئيسي؟ نيون الجليد.
قام الفريق بتبريد غاز النيون إلى ما يقرب من الصفر المطلق ، وعند هذه النقطة تجمد. ثم قاموا برش سطح النيون الصلب بإلكترونات من خيوط المصباح الكهربائي. أصبحت الإلكترونات محاصرة على السطح لأن النيون عنصر خامل (أو غير تفاعلي) يجذب الإلكترونات بشحنة موجبة طفيفة ولكنه لا يوفر لها أيضًا مكانًا للاستقرار. بمجرد احتجاز الإلكترونات ، يمكن تحريكها باستخدام أقطاب كهربائية وقياس حالتها باستخدام مرنان ميكروويف - وهو تقدم رئيسي آخر تم توضيحه في الورقة.
"قال كاتر مورتش ، أستاذ الفيزياء في جامعة واشنطن في سانت لويس وأحد كبار مؤلفي البحث: "يوفر مرنان الميكروويف بشكل حاسم طريقة لقراءة حالة الكيوبت". إنه يركز التفاعل بين إشارة الكيوبت والميكروويف. يتيح لنا ذلك إجراء قياسات توضح مدى جودة عمل الكيوبت ".
ليست هذه هي المرة الأولى التي يحاول فيها العلماء تحويل الإلكترونات إلى كيوبتات. لكن المحاولات السابقة لاحتجاز الجسيمات على سطح الهيليوم في التسعينيات كانت صعبة للغاية. الهيليوم سائل حتى في درجات الحرارة المنخفضة ، ودوران السائل حوله أزعج الإلكترونات. من ناحية أخرى ، يجعل جليد النيون منزلًا مستقرًا جدًا للكيوبت الإلكتروني.
[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
يقول الفريق إن الكيوبت المثالي يحتاج إلى البقاء في حالة تراكب ، أو متماسك ، لأكثر من ثانية ، وتغيير الحالات خلال جزء من المليار من الثانية ، والتشابك مع كيوبتات أخرى على نطاق واسع. بقياس خصائص كيوبتات الإلكترون الخاصة بهم ، وجدوا أن الكيوبتات تحافظ على التراكب لمدة 220 نانوثانية وتغير الحالات في نانوثانية فقط. الأداء على قدم المساواة مع أحدث الكيوبتات الموجودة قيد التطوير لسنوات.
إنهم يعتقدون أن بساطة النظام تفسح المجال لتصنيع منخفض التكلفة ، لكن القياس غير مؤكد. "لا أستطيع أن أقول إن لدي إجابة واضحة ،" جين قال IEEE الطيف. "لا تزال مشكلة مشتركة بين جميع منصات كيوبت. قد يكون لدينا بعض الطرق للقيام بعمل أفضل من الكيوبتات فائقة التوصيل ، وقريبة من جودة الأيونات المحاصرة. لكن ليس من السهل تحقيق مئات الكيوبتات في المدى القريب ".
ومع ذلك ، يقول العلماء إنهم بدأوا للتو في تحسين النظام الأساسي. إنهم يخططون لزيادة تحسين التماسك عن طريق تحويل الإلكترونات من كيوبتات الشحن - التي تعتمد على حركة الإلكترون - إلى كيوبت سيني أكثر استقرارًا وتشابك عدة كيوبتات أيضًا.
لكن في الصورة الكبيرة ، فإن العمل في مرحلة مبكرة جدًا من التطوير. IBM ، على سبيل المقارنة ، رقاقة الكم العام الماضي مع 127 كيوبت فائقة التوصيل وتأمل في إكمال شريحة بها 433 كيوبت هذا العام وأخرى مع 1,121 كيوبت في عام 2023. وفي الوقت نفسه ، تمتلك أجهزة الكمبيوتر الكمومية المحاصرة عددًا أقل من الكيوبتات ، لكنها بالفعل تحقيق دقة أعلى.
ومع ذلك ، فمن المحتمل أن يتفوق المتأخرون على المنافسة. تعتبر الكيوبتات فائقة التوصيل صعبة وستحتاج إلى ألف أو مليون كيلوبت من الشرائح لتصحيح الخطأ. وهذا هو السبب في أن مايكروسوفت تراهن على نهج محفوف بالمخاطر ، لا يزال افتراضيًا ، ولكن من الناحية النظرية ، أكثر قابلية للتوسع يسمى الكيوبت الطوبولوجي. لقد جعلهم هذا السعي وراء المنافسة بسنوات ، لكنهم يعتقدون أنه إذا نجحت ، فإن الكيوبتات الطوبولوجية يمكن أن تقفزهم في المقدمة.
الحقيقة هي أنه على الرغم من بعض الادعاءات حول التطبيق العملي الوشيك ، فمن غير الواضح بالضبط أين نقف في الجدول الزمني لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المفيدة حقًا.
قال سانكار داس سارما ، مدير مركز نظرية المادة المكثفة في جامعة ماريلاند ، كتب مؤخرا ل استعراض تكنولوجيا معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "هل حدث ذلك مع الأخوين رايت عام 1903؟ أول طائرة نفاثة حوالي عام 1940؟ أو ربما ما زلنا في طريق العودة في أوائل القرن السادس عشر ، مع آلة الطيران ليوناردو دافنشي؟ لا أعلم. لا يفعل أي شخص آخر."
لذلك ، على الرغم من أن كل شركة ومجموعة بحثية تؤمن بشغف أن نهجها سيكون هو المقياس ، فمن المحتمل أن الكيوبت القاتل - ربما إلكترون على جليد النيون - قد ظهر للتو أو لم يتم اختراعه بعد.
ائتمان الصورة: رسم توضيحي للكيوبتات الجديدة المصنوعة من إلكترون واحد على نيون صلب. بإذن من مختبر Dafei Jin / Argonne الوطني
