هذه المقالة نُشرت بالأساس لدى جامعة نيو ساوث ويلز، أستراليا بتاريخ 15 ديسمبر 2017 – وهي مُترجمة بتصرف من قبل المهندس قتيبة يوسف.
تقوم فرق البحث في جميع أنحاء العالم باستكشاف طرق مختلفة لتصميم رقاقة حاسوبية يمكنها أن تعمل على دمج التفاعلات الكمومية. إذ يعتقد المهندسون الآن أنهم قد تصدوا لهذه المشكلة، عن طريق تصور جديد للمعالجات السيليكونية التي نعرفها، بهدف الوصول إلى تصميم كامل لرقاقة الكمبيوتر الكمومية التي يستخدم في تصنيعها معظم العناصر و العمليات الصناعية القياسية.
يوضح التصميم الجديد للرقائق و الذي نشر في مجلة Nature Communications بنية معمارية جديدة تسمح بإجراء عمليات حسابية كمومية باستخدام مكونات أشباه الموصلات الحالية المعروفة باسم كموس (أكسيد معدن شبه موصل) وهي أساس جميع الرقائق الحديثة.
وقد وضعه أندرو دزوراك، مدير منشأة التصنيع الوطني الأسترالي في جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW)، والدكتور مينو فيلدورست، مدير البحث والذي قام بمتابعته بعدما وضعت أسس مفاهيم العمل في (UNSW).
وقال دزوراك، والذي هو أيضا قائد برنامج في المركز الأوسترالي الشهير ضمن مجال الحوسبة الكمومية وتكنولوجيا الاتصالات (CQC2T): ” كثيرا ما نفكر في الهبوط على سطح القمر كأعظم أعجوبة تكنولوجية في البشرية”. “ولكن إنشاء رقاقة المعالجات الدقيقة مع مليار من أجهزة التشغيل التي تتكامل للعمل معاً مثل سيمفونية – والتي يمكن أن تحمل في جيبك – هو إنجاز فني مذهل، و ثورة في الحياة الحديثة.”
وأضاف: “مع الحوسبة الكمومية، نحن على وشك قفزة تكنولوجية أخرى من الممكن أن تكون عميقة ومذهلة، غير أن التصميم الهندسي الكامل لتحقيق ذلك على شريحة واحدة لايزال بعيد المنال، وأعتقد أن ما قمنا بتطويره في الأمم المتحدة الآن قد يجعل ذلك ممكنا، والأهم من ذلك أنه يمكن أن يتم في معمل تصنيع أشباه الموصلات الحديثة “.
وقال فيلدورست، وهو الآن قائد فريق في التكنولوجيا الكمومية في QuTech – وهو تعاون ما بين جامعة ديلفت للتكنولوجيا وتنو، المنظمة الهولندية للبحوث العلمية التطبيقية – تكمن قوة التصميم الجديد في أنه، وللمرة الأولى، يرسم مساراً هندسياً بإمكانه خلق الملايين من بت الكم، أو الكوبتات.
” فكما هو ملحوظ اليوم، لايمكن لرقائق الكومبيوتر أن تستفيد من الآثار الكمومية المطلوبة لحل المشاكل الهامة على الوجه الذي تقوم به أجهزة الكمبيوتر الكمومية. إذ أنه لحل المشاكل التي تتصدر العناوين الرئيسية للتحديات العالمية الكبرى – مثل تغير المناخ أو الأمراض المعقدة مثل السرطان – أصبح من المعروف بأننا سنحتاج إلى الملايين من الكوبتات التي ينبغي أن تعمل جنبا إلى جنب معاً. و للقيام بذلك، علينا أن نحزم الكوبتات سويةً وندمجها، كما نفعل مع رقائق المعالجات الحديثة، وهذا ما يهدف التصميم الجديد لتحقيقه.
“يتضمن تصميمنا مفاتيح ترانزستور السيليكون التقليدية لتشغيل” العمليات “بين الكوبتات في مصفوفة واسعة ثنائية الأبعاد باستخدام بروتوكول’word’ و’bit’ على غرار البروتوكول المستخدم في اختيار البتات في رقاقة ذاكرة كمبيوتر تقليدية “. “عن طريق اختيار الأقطاب في أعلا كوبت، يمكننا التحكم بالدوران الذاتي للكوبيت، الذي يخزن الكود الثنائي الكمومي 0 أو1 . ومن ثم عن طريق اختيار الأقطاب بين الكوبتات، يمكن حساب التفاعلات المنطقية، أوالحسابات، الناتجة مابين الكوبتات. ”
يوفرالكمبيوتر الكمومي أضعافا مضاعفة من التعليمات البرمجية الثنائية المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة وذلك عن طريق استخدام اثنين من المبادئ العصبية في فيزياء الكم – وهي “التشابك” و “التراكب”. يمكن للكوبتات تخزين 0, a 1 أو مزيج عشوائي من 0, 1 في نفس الوقت. ومثلما يخزن كمبيوتر الكم قيماً متعددة في آن واحد، فهو قادر على معالجتها في آن واحد، والقيام بعمليات متعددة بنفس الآن.
وهذا من من شأنه أن يسمح للكمبيوتر الكمومي العالمي بأن يكون أسرع بملايين المرات من أي جهاز كمبيوتر تقليدي عند حل مجموعة من المشاكل الهامة.
ولكن من أجل حل المشاكل المعقدة، فإن الحاسوب الكمومي الشامل المفيد يحتاج إلى عدد كبير من الكوبتات، وربما الملايين، لأن جميع أنواع البتات الكمومية التي نعرفها هشة، وحتى الأخطاء الصغيرة يمكن أن تتضخم بسرعة إلى إجابات خاطئة.
وقال دزوراك: “لذلك نحن بحاجة إلى استخدام رموز تصحيح الأخطاء التي توظف كوبتات متعددة لتخزين جزء واحد من البيانات”. “يتضمن مخطط الرقاقة التي لدينا نوع جديد من التعليمات البرمجية لتصحيح الخطأ مصممة خصيصا للدوران الذاتي للكوبتات، كما يتضمن بروتوكول متطور من العمليات عن طريق الملايين من البتات، وهي أول محاولة لدمج كل دوائر السيليكون التقليدية المستخدمة من أجل التحكم وقراءة الملايين من الكوبتات اللازمة للحوسبة الكمومية في رقاقة واحدة “.
“نحن نتوقع أنه لا تزال هناك تعديلات مطلوبة لهذا التصميم عندما نتحرك باتجاه التصنيع، ولكن كل المكونات الرئيسية اللازمة للحوسبة الكمومية موجودة هنا على شريحة واحدة، وهذا هو ما سوف نحتاجه فيما لو أردنا جعل أجهزة الكمبيوتر الكمومي على رقاقة واحدة هي العامل الأساس في الحسابات التي تتجاوز أجهزة الكمبيوتر اليوم بأشواط “، أضاف دزوراك. “انها تظهر كيفية دمج الملايين من الكوبتات اللازمة لتحقيق الوعد الحقيقي للحوسبة الكمومية”.
وقد أطلق على هذا الكمبيوتر الكمومي العالمي “سباق الفضاء في القرن الحادي والعشرين”. إذ أنه بالنسبة لمجموعة من العمليات الحسابية، سيكون أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر الحالية، ويمكن إيجاد الحلول بالنسبة لبعض المشاكل الصعبة في أيام، وربما في ساعات، في الوقت الذي تحتاج فيه أفضل الحواسيب الفائقة اليوم إلى ملايين السنين.”
وهناك ما لا يقل عن خمسة نهج حاسوبية كمومية رئيسية يجري استكشافها في جميع أنحاء العالم: الدوران الذاتي لكوبتات السيلكون، الأفخاخ الأيونية، الحلقات فائقة التوصيل، شواغر الماس، طبولوجيا الكوبت ؛ ويستند تصميم UNSW على الدوران الذاتي لكوبت السيليكون. والمشكلة الرئيسية في كل هذه النهج هي أنه لا يوجد مسار واضح لتوسيع عدد البتات الكمومية إلى الملايين المطلوبة دون أن يصبح الكمبيوتر نظاماً ضخماً يتطلب معدات دعم ضخمة وبنية تحتية مكلفة.
والسبب الذي يكمن وراء تصميم UNSW المثير جداً هو: الاعتماد على نهج الدوران الذاتي لكوبت السيلكون – الذي يحاكي بالفعل الكثير من الأجهزة في الحالة الصلبة للسيليكون و الذي يعتبر أساس صناعة أشباه الموصلات العالمية 380 مليار $ – فهو يبين كيفية أن الدوران الذاتي للكوبيت يصحح الخطأ في الترميز ضمن تصاميم الرقاقة ، مما يتيح حساب الكم العالمي الحقيقي.
على العكس تقريباً مما يجري في كل مجموعة رئيسية أخرى في أنحاء أخرى ، فالجهود الحاسوبية الكمومية CQC2T تركز كثيراً على تصنيع أجهزة الحالة الصلبة في السيليكون، والتي تتم من جميع رقائق الكمبيوتر في العالم. وهي ليست مجرد تصاميم مزخرفة لإظهار كم الكوبتات القابلة للتعبئة معاً، وإنما تهدف إلى بناء كوبتات قابلة للتصنيع في غضون يوم واحد بسهولة – وعلى نطاق واسع.
وقال دزوراك: “إنه سحب للبساط إلى حد ما، ولكن بالنسبة للحوسبة الكمومية الكبيرة، سنحتاج إلى ملايين الكوبتات”. “هنا، نعرض طريقة الدوران الذاتي للكوبت والتي يمكن توسيعها على نطاق كبير، وهذا هو المفتاح”.
يشكل هذا التصميم قفزة إلى الأمام في الدوران الذاتي لكوبتات السيلكون. فقبل عامين فقط، ضمن ورقة Nature، بيّن دزوراك وفلدهورست، للمرة الأولى، كيف أن حسابات الكم المنطقية يمكن أن تتم في جهاز حقيقي من السيليكون، والتي تشكل مع إنشاء بوابة منطقية ثنائية الكوبت –
وقال مارك هوفمان، عميد الهندسة في UNSW: “كانت تلك أولى خطوات الطفل، وهي المظاهر الأولى لكيفية تحويل مفهوم الحوسبة الكمومية الجذرية هذا إلى جهاز عملي باستخدام مكونات تدعم الحوسبة الحديثة. “لدينا فريق الآن، ولديه مخطط للتوسع في ذلك بشكل دراماتيكي.”
“لقد اختبرنا عناصر من هذا التصميم في المختبر، وظهرت نتائج إيجابية للغاية، ونحن بحاجة فقط للحفاظ على الاستمرار في البناء على ذلك – الأمرالذي لا يزال تحدياً عظيماً، ولكن الأساس لدينا الآن، وهو مشجع للغاية، سوف نستمر بأخذ الهندسة العظيمة لجلب الحوسبة الكمومية إلى الواقع التجاري، ولكن من الواضح أن العمل الذي نراه من هذا الفريق غير عادي في CQC2T الأمر الذي يضع استراليا في مقعد السائق “.
وكان باحثو CQC2T الآخرون الذين شاركوا في التصميم المنشور في ورقة Nature Communications هنري يانغ وجيرتجان إينينك، قد انضموا مؤخرا إلى فيلدهورست في QuTech.
وقد أجرى فريق الأمم المتحدة المعني صفقة بقيمة 83 مليون دولار أسترالي بين مكتب الأمم المتحدة لتنسيق الشؤون الإنسانية و تلسترا وبنك الكمنولث والحكومتين الأسترالية ونيو ساوث ويلز، وذلك حتى عام 2022، من أجل تطوير الدوائر المتكاملة الكمومية ذات السيليكون النموذجي 10 كوبت، وهي الخطوة الأولى في بناء عالم الكمبيوتر الكمومي الأول من السيليكون.
وفي آب / أغسطس، أطلق الشركاء شركة كوانتوم السيلكون Pty Ltd المحدودة، أول شركة حوسبة كمومية في أستراليا، من أجل النهوض بتطوير تقنيات هذا الفريق الفريدة وتسويقها. وتعهدت حكومة نيو ساوث ويلز بتقديم 8.7 مليون دولار، و UNSW 25 مليون دولار، وبنك الكومنولث 14 مليون دولارأوسترالي، و تلسترا 10 ملايين دولارأوسترالي، والحكومة الأسترالية 25 مليون دولارأوسترالي.
—————-
المصادر: المواد المقدمة من جامعة نيو ساوث ويلز. كتبه ويلسون دا سيلفا.
المراجع الصحفية: M. Veldhorst, H. G. J. Eenink, C. H. Yang, A. S. Dzurak. Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-01905-6
