هل يمكن بناء حواسيب كمومية أكبر عن طريق تركيبها مثل الليجو؟

إن قُمتَ بزيارة أي مختبر ناشئ أو جامعي لبناء حواسيب كمومية، فستشعر أنك قد رجعت بالزمن إلى الستينيات من القرن الماضي، وهي فترة الذروة في الحواسيب المركزية؛ حيث كنتَ تحتاج في ذلك الوقت إلى جيوش صغيرة من التقنيين لصيانة هذه الأجهزة التي تملأ الغرفة بأكملها.

كما ستشاهد جميع أنواع المعدات، ابتداءً بأشعة الليزر فائقة الدقة وحتى المُبردات فائقة البرودة، وتُعتبر هذه المعدات ضرورية لتسخير القوى الفريدة لميكانيك الكمّ من أجل معالجة البيانات. كما أنك ستشاهد الكابلات متعددة الألوان -التي تربط هذه الآلات- مبعثرةً وممتدة على الأرضيات وعبر الأسقف. وسترى الفيزيائيين والمهندسين يتجولون حول عشرات الشاشات لكي يراقبوا أداء هذه الحواسيب ويعدلوها باستمرار.

وقد ساعدت الحواسيب المركزية في قيام ثورة المعلومات، ويأمل الباحثون أن تثبت هذه الحواسيب الكمومية قدرتها على تغيير مجرى الأمور في المستقبل أيضاً؛ حيث من المتوقع لقدراتها الهائلة في المعالجة أن تفوق قدرات أعتى الحواسيب الفائقة التقليدية، مما قد يجعلها تُساهم في تطوير كل شيء، ابتداءً من تطوير الأدوية، وحتى تطوير علم المواد والذكاء الاصطناعي.

أما عن التحدي الكبير الذي يواجه هذه الصناعة الناشئة، فهو يتمثل في بناء حواسيب يمكننا تطويرها بأسلوب موثوق وبتكلفة منخفضة نسبياً في الوقت نفسه. فمن الصعب إنشاء وإدارة وحدات "بت كمومية" أو "كيوبت"، وهي الوحدات التي تحمل المعلومات في الحواسيب الكمومية. ويمكن لأصغر الاهتزازات أو التغيرات في درجة الحرارة -أي الظواهر المعروفة باسم "الضجيج" في المصطلحات الكمومية- أن تتسبب في فقدان الكيوبتات لحالتها الكمومية الهشة؛ مما يؤدي إلى حدوث أخطاء في العمليات الحسابية عندما يحدث ذلك.

وكان الحل الأكثر شيوعاً لهذه المشكلة هو بناء حواسيب كمومية تحتوي على أكبر عدد ممكن من الكيوبتات في شريحة واحدة. بحيث إذا اختلّت بعض الكيوبتات، فسنتمكن من استدعاء الكيوبتات الأخرى التي تحمل نسخاً احتياطية من هذه المعلومات، وذلك بواسطة خوارزميات تم تطويرها لاكتشاف الأخطاء وتقليلها. وهذه الإستراتيجية تبنّتها الشركات الكبرى مثل آي بي إم وجوجل، بالإضافة إلى الشركات الناشئة البارزة مثل ريجيتي للحوسبة، ولكنها تسببت في بناء حواسيب معقدة تُشبه الحواسيب القديمة الضخمة.

وتكمن المشكلة في ارتفاع معدلات الخطأ؛ حيث تحتوي أكبر الشرائح الخازنة للكيوبتات اليوم على أقل من 100 كيوبت، ولكننا قد نحتاج إلى الآلاف أو حتى عشرات الآلاف من هذه الكيوبتات لتوليد نفس النتيجة التي نحصل عليها من كيوبت وحيدة خالية من الأخطاء. ويحتاج كل كيوبت إلى سلك تحكم خاص به، وبالتالي كلما زادت أعداد الكيوبتات، أصبح النظام أكثر تعقيداً؛ حيث ستكون هناك حاجة إلى استخدام المزيد من المعدات لمراقبة وإدارة الأعداد المتزايدة من الكيوبتات بوتيرة سريعة. وقد يتسبب هذا في زيادة تعقيد وتكلفة الحواسيب الكمومية بشكل كبير، مما قد يحدّ من انتشارها.

ويعتقد روبرت شولكوف، الأستاذ في جامعة ييل، أن هناك طريقة أفضل لتطوير ذلك: فبدلاً من محاولة حشر المزيد من الكيوبتات في شريحة واحدة، فإن شركة كوانتوم سيركتس، وهي شركة ناشئة أسسها في عام 2017، تعمل على تطوير ما يُعرف بالآلات الكمومية المصغرة، التي يمكن ربطها معاً عبر واجهات متخصصة، مثل مكعبات الليجو عالية التقنية. ويقول شولكوف إن هذا الأسلوب سيساعد في تقليل معدلات الأخطاء، مما سيقلل من عدد الكيوبتات اللازمة -وبالتالي سيتطلب قدراً أقل من المكونات المادية الداعمة- لتصنيع آلات كمومية ذات قدرات عالية.

وقد أشار المشككون في صحة هذا الخبر إلى أن كوانتوم سيركتس لم تُعلن عن أي حاسوب يعمل بنجاح، وذلك بعكس بعض الشركات المنافسة مثل آي بي إم. ولكن إن استطاعت الشركة تصنيع حاسوب كالذي وصفه شولكوف، فقد يساعد ذلك في تسريع انتشار الحواسيب الكمومية إلى العالم التجاري.

الحاجة إلى صنع كيوبتات ذات عُمر طويل
ظلت فكرة دمج القطع الكمومية الأصغر لبناء حواسيب أكبر موجودة منذ سنوات، لكن لم يعمل عليها أحد بشكل جدِّيّ. ويوضح جيري شو، مدير الفريق التجريبي للحواسيب الكمومية في آي بي إم ريسيرش، أنه "لم يُصنع أي حاسوب جيد ذي كمية أخطاء قليلة باستخدام هذه الوسيلة بعد". ومع ذلك، يضيف شو أنه "إذا كان بإمكان أي شخص أن يفعل ذلك، فسيكون هذا الشخص هو شلوكوف وزملاؤه".

أما عن شلوكوف، فبعد تدرّبه بصفته مهندساً وعالم فيزياء في أماكن متعددة -منها مهام في ناسا وكالتيك- التحق بأعضاء هيئة التدريس في جامعة ييل عام 1998، وبدأ العمل في مجال الحواسيب الكمومية. حيث قام هو وزملاؤه بتطوير استخدام الدارات فائقة الناقليّة على الشريحة لإنشاء الكيوبتات. وذلك من خلال ضخ التيار الكهربائي داخل رقائق دقيقة خاصة بذلك، وهذه الرقائق موضوعة داخل ثلاجات درجتها أبرد من الفضاء البعيد. وبهذه الوسيلة، كانوا قادرين على تحويل هذه الجزيئات إلى حالاتها الكمومية، التي تُعتبر العنصرَ الأساسي للطاقة الهائلة لهذه الحواسيب الكمومية.

وعلى عكس البتات الموجودة في الحواسيب العادية -التي تمثل تدفقات من نبضات كهربائية أو بصرية تمثل إما 1 أو 0- فإن الكيوبتات هي جسيمات دون ذرية كالفوتونات أو الإلكترونات التي يمكن أن تكون مزيجاً من كلا القيمتين 1 و0 معاً، وهذه ظاهرة معروفة باسم " التراكب". كما يمكن أن تتشابك الكيوبتات مع بعضها البعض، مما يعني أن تغييراً فردياً في حالتها قد يحرّض تغييراً في حالة الكيوبتات الأخرى، حتى لو لم يكن هناك ارتباط فيزيائي فيما بينها.

وللمزيد من المعلومات حول هذا الأمر، تستطيعون قراءة المقال الذي يشرح الحوسبة الكمومية. وعلى كل حال، فإن ما يجب معرفته هو أن هذا النظام في الحوسبة يتيح للكيوبتات أن تقوم بالعديد من العمليات الحسابية في وقت واحد، على عكس الحاسوب العادي الذي يحتاج إلى القيام بهذه العمليات الحسابية بشكل منفرد كلٍّ على حدة. مما يعني أن إضافة وحدات كيوبت إضافية إلى حواسيب الكم يعزز من قدرتها على المعالجة بشكل كبير.

كما أُثنيَ على شولكوف بسبب عمله في حل مشكلة الضوضاء؛ حيث إن أوقات تماسك الكيوبتات -أي المدة التي يمكن للكيوبتات أن تعمل فيها قبل أن تتسبب الضوضاء في تعطيل الحالة الكمومية الحساسة- تتحسن بمقدار 10 أضعاف كل 3 سنين تقريباً. (سمَّى الباحثون هذه الدراسات باسم "قانون شولكوف"، وذلك إشارة إلى "قانون مور" للحوسبة الكلاسيكية، الذي ينص على أن عدد الترانزستورات على رقاقة السيليكون يتضاعف كل عامين تقريباً). وقد قال برندان ديكنسون من شركة كنان بارتنرز -إحدى الشركات الممولة لكوانتوم سيركتس- إن أعمال شولكوف المثيرة للإعجاب في مجال التوصيلات الفائقة كانت أحد الأسباب الرئيسية التي دفعته لتمويل هذه الشركة، التي جمعت 18 مليون دولار حتى الآن.

ومن المفارقات أن بعض الطلاب الذين دربهم شولكوف وزملاؤه من ييل، وهما ميشيل ديفوريت ولويجي فرونزيو، يعملون الآن في شركات مثل آي بي إم وريجيتي، وهما شركتان منافستان لشركة كوانتوم سيركتس. ومن الواضح أن شولكوف يفتخر بالإنجازات الكمومية التي انطلقت من مختبر ييل؛ حيث أخبرني أنه قام بالبحث في جميع المنظمات في العالم التي تعمل على التوصيلات الفائقة، ووجد أن أكثر من نصف مديريهم قضوا وقتاً في مختبر ييل، وذلك قبل عدة سنوات. كما يعتقد أن هناك نوعاً من التفكير الجماعي.

مزايا الآلات الصغيرة التي يُمكن دمجها
معظم الباحثين الذين يعملون على الأجهزة فائقة التوصيل يركزون على إنشاء أكبر عدد ممكن من وحدات الكيوبت في شريحة واحدة. ولكن يختلف أسلوب شركة كوانتوم سيركتس عن هذا الأسلوب؛ فجوهر أسلوبها يعتمد على وحدة ألومنيوم صغيرة تحتوي على دارات فائقة التوصيل مصنوعة على رقائق السيليكون أو الياقوت. وتحتوي كل واحدة منها على 5 حتى 10 كيوبتات.

ولربط هذه الوحدات مع بعضها البعض لبناء حواسيب أكبر، تستخدم الشركة أداة تُشبه الأدوات التي رأيناها في فيلم ستار تريك للاتصالات الكمومية. وقد تم تطوير هذه الطريقة لإرسال البيانات عبر أشياء مثل شبكات الاتصالات. وتتضمن الفكرة الأساسية تشابكَ فوتون موجة صغرى في إحدى الوحدات مع فوتون في وحدة أخرى، واستخدام الرابط بينهما على أنه جسر لنقل البيانات (وبالمناسبة، لدينا مقالة تشرح الاتصالات الكمومية أيضاً). وقد استخدمت شركة كوانتوم سيركتس هذا الأسلوب لنقل نسخة كمومية من بوابة منطقية بين وحداتها المختلفة.

يقول شولكوف إن هناك عدة أسباب تجعل وسيلة دمج الوحدات معاً أفضل من حشر عدد كبير من الكيوبتات في شريحة واحدة؛ حيث يسهل حجم الوحدات الأصغر عملية التحكم وتصحيح الأخطاء. بالإضافة إلى ذلك، إذا فقدت بعض الكيوبتات انتظامها في إحدى الوحدات، فسيمكن إزالتها أو عزلها دون التأثير على الكيوبتات الأخرى المرتبطة بها، أما إذا كانوا جميعاً على شريحة واحدة، فقد يتعيّن حذف الشريحة بالكامل.

إن نظرنا للمستقبل، فسنجد أن الحواسيب الخاصة بدارات شركة كوانتوم سيركيتس ستظل في حاجة إلى بعض المعدات المماثلة لحواسيب الشركات المنافسة، بما في ذلك المُبردات الفائقة ومعدات المراقبة. ولكنها لن تحتاج أبداً إلى نفس الكمية من أسلاك التحكم وغيرها من الأدوات اللازمة للإشراف على الكيوبتات الفردية. وستظل حواسيب الشركات المنافسة تبدو كالحواسيب المركزية الضخمة، إلا أن حواسيب شركة كوانتوم سيركيتس قد تُشبه الأجهزة الصغيرة التي ظهرت مع تقدم الحواسيب التقليدية في سبعينيات القرن الماضي وما بعده.

وفي أثناء استماعي لشولكوف وهو يتحدث عن هذه التقنية، خطرت في ذهني صورة أولادي وهم يلعبون بألعاب التركيب المُسماة "ليجو"، حيث يربطونهم معاً لبناء القلاع والحصون.

وعندما اقترحتُ هذه المقارنة، كان شولكوف في البداية حذراً بعض الشيء، ولكنه أصبح متحمساً للغاية بعد ذلك؛ حيث قال: "بشكل عام، يعتمد كل جهاز معقد أعرفه على وجود وحدات من الليجو، حيث يمكنك تحديد هذه الوحدات وملائمتها مع بعضها؛ فقطع الليجو رخيصة حقاً، ومن الممكن أن تُنتج بكميات كبيرة. ومن السهل ربطُها ببعضها بنجاح".

وتمتاز الوحدات الكمومية التي اقترحها شولكوف بميزة أخرى، وهي أن كلاً منها يحتوي على تجويف ثلاثي الأبعاد يحبس عدداً من فوتونات الأمواج الصغرى، مما يشكل ما يعرف باسم كيوديتات، وهي تشبه الكيوبتات، إلا أنها تخزن المزيد من المعلومات. وبينما تمثل الكيوبتات مجموعة من قيم 1 و0 فقط، يمكن أن تمثّل الكيوديتات أكثر من قيمتين معاً، كتمثيلها لقيم 0 و1 و2 في نفس الوقت. كما يمكن للحواسيب الكمومية التي تمتلك الكيوديتات أن تعالج مزيداً من المعلومات في الوقت نفسه.

وقد قام العلماء باختبار هذه الكيوديتات لمدة وجيزة، لكنها صعبة التوليد والتحكم. ويقول شولكوف إن شركة كوانتوم سيركوتس قد وجدت طرقاً لإنشاء دارات عالية الجودة باستمرار تستطيع تقليل معدل الأخطاء بشكل كبير (تدَّعي الشركة أنها حققت أوقات تماسك باستخدام منتجاتها أطول بمعدل من 10 إلى 100 مرة من زمن تماسك الكيوبتات فائقة التوصيل، مما يجعل عملية تصحيح الأخطاء أسهل). ولا تزال هناك حاجة إلى وجود بعض الكيوبتات لإجراء عمليات على الكيوديتات واستخراج المعلومات منها، ولكن هذه التقنية الجديدة تتطلب عددًا أقل من الكيوبتات. مما يؤدي إلى تقليل كمية المعدات المستهلكة بشكل عام.

الحوسبة الكمومية مجال واسع جداً

تبدو مسيرة شركة كوانتوم سيركتس مثيرة للإعجاب، ولكن شولكوف رفضَ أن يقول بالضبط متى ستكشف الشركة عن حاسوب يعمل بكامل طاقته، كما أنه لن يكشف عن عدد الكيوبتات والكيوديتات التي تمكن فريقه من جعلها تعمل معاً بشكل إجمالي.

وكلما طالت مدة الانتظار، زاد خطر المنافسين لشركته الناشئة؛ حيث بدأت كلٌّ من شركتي آي بي إم وريجيتي بمنح الشركات والباحثين قابلية الوصول إلى الحواسيب الكمومية الخاصة بها، وذلك عبر الحوسبة السحابية. كما يُشاع أن جوجل تقترب من تحقيق "السيادة الكمومية"، أي قابلية الحاسوب الكمومي على القيام بمهمة لا تستطيع أقوى الحواسيب الفائقة القيام بها.

ويقول شولكوف إن المؤسسات التي ترغب في تجربة خوارزميات شركة كوانتوم سيركيتس ستكون قادرة على القيام بذلك "قريباً جداً"، وأنها في مرحلة ما ستربط حواسيبها بالسحابة كما فعلت آي بي إم وريجيتي، فهذه الانطلاقة لا تشمل فقط بناء الحواسيب، بل تشمل أيضاً البرامج التي ستساعد المستخدمين على الاستفادة العظمى من هذه الأجهزة.

وما زالت هذه هي الأيام الأولى، وما تزال الخوارزميات الكمومية التي يتم تشغيلها على الخدمات السحابية مثل آي بي إم اليوم بسيطةً إلى حد ما. ويُلاحظ شولكوف أن مجال الحواسيب الكمومية مجالٌ واسع للغاية، وأن البرامج المرتبطة بهذه الاجهزة قد تُحدث فرقاً كبيراً في شتى المجالات، بدءاً من تطبيقات الذكاء الاصطناعي الهائلة، وحتى النمذجة الجزئية للكيميائيين.

ولا تزال الكثير من الأسئلة قائمة: هل ستكون شركة كوانتوم سيركيتس قادرة على الاستمرار في إنتاج أعداد هائلة من الكيوبتات والكيوديتات بعد بنائها لآلات أكبر بكثير؟ وهل يمكن أن تعمل تقنية النقل الجديدة بكفاءة بعد ربط المزيد من الوحدات ببعضها الآخر؟ وهل ستكون أنظمتها -عندما يتم طرحها للبيع- أكثر فاعلية مقارنة بسعرها من نظيراتها؟ كما أنه لا تزال هناك تحديات مهمة في الفيزياء والهندسة. ولكن إذا تمكن شولكوف وزملاؤه من التغلب عليها، فيمكنهم إثبات أن مفتاح تكبير قدرات الحوسبة الكمومية هو الرجوع إلى التفكير في القطع الصغيرة.