كشفت شركة مايكروسوفت عن تحقيق علمي غير مسبوق، حيث أعلنت نجاحها في تطوير “كيوبت طوبولوجي” يعتمد على حالة جديدة من المادة، تختلف عن الحالات التقليدية المعروفة مثل الصلب والسائل والغاز.
وهذه الشريحة كمومية هي ثورة جديدة تُعرف باسم Majorana 1، والتي تقول الشركة إنها ستقلل فترة الانتظار لتحقيق الحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء من عقود إلى بضع سنوات فقط. تمت تسمية الشريحة على اسم شبه الجسيم الغامض ماجورانا، الذي لطالما كان موضع جدل حول وجوده، وتوفر هذه الشريحة الجديدة مزايا عديدة تشمل السرعة، الحجم، والمقاومة الذاتية للأخطاء الناتجة عن الضوضاء.
وأطلقت مايكروسوفت على الجهاز الجديد اسم “أول موصل طوبولوجي في العالم”، وهو نوع جديد من المواد يتيح مراقبة والتحكم في جسيمات ماجورانا لإنتاج كيوبتات أكثر موثوقية وقابلية للتطوير، والتي تُعد اللبنات الأساسية للحواسيب الكمومية. وأكدت مايكروسوفت أن الشريحة الواحدة من Majorana 1 يمكن أن تحتوي على مليون كيوبت.
وعلى مدار 17 عامًا، ورغم التشكيك الواسع من الصناعة، سعت مايكروسوفت وراء هذا الجسيم الغامض. ويمثل الإعلان اليوم ثمرة لهذا المشروع عالي المخاطر وعالي العائد، وربما خطوة واضحة نحو حوسبة كمومية واسعة النطاق ومقاومة للأخطاء.
شريحة Majorana 1 الكمومية الجديدة من مايكروسوفت
نشر تشيتان نايك، زميل تقني ونائب رئيس قسم العتاد الكمومي في مايكروسوفت، مدونة حول هذا العمل والجهاز الجديد، حيث سلط الضوء على التطورات الرئيسية التالية:
Majorana 1 – أول وحدة معالجة كمومية (QPU) في العالم تعمل بنواة طوبولوجية، مصممة لتوسيع نطاقها حتى مليون كيوبت على شريحة واحدة.
كيوبت طوبولوجي محمي بالعتاد – أظهرت الأبحاث المنشورة في مجلة Nature القدرة على استغلال نوع جديد من المواد وتصميم كيوبت ثوري يتميز بالصغر والسرعة والتحكم الرقمي.
خارطة طريق نحو الحوسبة الكمومية الموثوقة – تتضمن الانتقال من أجهزة الكيوبت المفردة إلى مصفوفات تدعم تصحيح الأخطاء الكمومية.
بناء أول نموذج أولي متسامح مع الأخطاء (FTP) في العالم يعتمد على الكيوبتات الطوبولوجية – ستقوم مايكروسوفت ببناء نموذج أولي لحاسوب كمومي قابل للتطوير خلال سنوات وليس عقود، كجزء من المرحلة النهائية من برنامج DARPA US2QC.
ما الذي يجعل Majorana 1 مميزًا؟
قال نايك في مدونته: “كل الإعلانات اليوم مبنية على إنجازنا الأخير: أول موصل طوبولوجي في العالم. هذا النوع الثوري من المواد يتيح لنا إنشاء حالة جديدة من المادة تُعرف باسم الموصلية الفائقة الطوبولوجية، والتي كانت حتى الآن موجودة فقط في النظريات.”
وأضاف أن هذا التقدم جاء نتيجة ابتكارات مايكروسوفت في تصميم وتصنيع أجهزة تعتمد على زرنيخ الإنديوم (Indium Arsenide) كمادة شبه موصلة، والألمنيوم كمادة فائقة التوصيل. وعند تبريد هذه الأجهزة إلى ما يقارب الصفر المطلق وضبطها باستخدام الحقول المغناطيسية، فإنها تشكل أسلاكًا نانوية فائقة التوصيل طوبولوجيًا مع أنماط ماجورانا الصفرية (MZMs) عند نهاياتها.
وتُعرف جسيمات ماجورانا بأنها شبه جسيمات أو حالات مادية مقاومة بطبيعتها للضوضاء البيئية التي تسبب الأخطاء في الحوسبة الكمومية. تُعرف الكيوبتات القائمة على هذه الجسيمات باسم الكيوبتات الطوبولوجية، والتي تعمل على توزيع المعلومات الكمومية في الفضاء بطريقة تجعلها أقل عرضة للتداخلات الخارجية مثل الحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي.
توفر مايكروسوفت نهجًا مختلفًا لتصحيح الأخطاء الكمومية مقارنة بالطرق التقليدية، حيث كتب نايك: “في الحوسبة الكمومية التقليدية، يتم تدوير الحالات الكمومية عبر زوايا دقيقة، مما يتطلب إشارات تحكم تماثلية معقدة مخصصة لكل كيوبت. هذا التعقيد يجعل تصحيح الأخطاء الكمومية أكثر صعوبة.”
وأضاف: “نهجنا الجديد يستند إلى القياس، حيث نقوم بتصحيح الأخطاء بالكامل عبر قياسات تنشيطية باستخدام نبضات رقمية بسيطة تربط وتفصل النقاط الكمومية عن الأسلاك النانوية. هذا التحكم الرقمي يجعل من الممكن إدارة أعداد كبيرة من الكيوبتات اللازمة للتطبيقات الحقيقية.”
المنافسة في سباق الحوسبة الكمومية
مايكروسوفت تراهن بشكل كبير على الحوسبة الكمومية الطوبولوجية باعتبارها الحل الأمثل من حيث القابلية للتوسع والسرعة ومقاومة الخطأ. وتعتقد الشركة أن نهجها يقدم مزيجًا مثاليًا مقارنة بالتقنيات الأخرى مثل الكيوبتات الأيونية المحاصرة (التي تمتلك أزمنة تماسك طويلة لكنها بطيئة التشغيل)، أو الكيوبتات فائقة التوصيل من نوع Transmon (السريعة ولكنها عرضة للضوضاء).
توضح ورقة البحث الخاصة بمايكروسوفت: “لكي يصل الحاسوب الكمومي إلى المستوى التجاري، يجب أن يحتوي على مئات أو حتى آلاف الكيوبتات المنطقية القادرة على حل المشكلات العملية. النهج الذي وضعناه يوفر العديد من المزايا الرئيسية، مثل إمكانية وضع ملايين الكيوبتات على شريحة واحدة، وتنفيذ العمليات الفيزيائية خلال أجزاء من الميكروثانية، مما يقلل زمن تشغيل الحسابات واسعة النطاق إلى بضع ساعات أو أيام، بالإضافة إلى الحماية الطوبولوجية التي تقلل من مصادر الخطأ المختلفة بشكل منهجي.”
الطريق نحو المستقبل
رغم أن شريحة Majorana 1 لا تزال في مرحلة البحث والتطوير، إلا أن مايكروسوفت تؤكد أن الحاسوب الكمومي القابل للتوسع بات أقرب من أي وقت مضى. في بيان رسمي، قالت الشركة: “نرى أن الحاسوب الكمومي القابل للتوسع سيصبح حقيقة في غضون سنوات، وليس عقودًا. كما أننا ملتزمون بنشر نتائج أبحاثنا بشكل مفتوح، مع حماية الملكية الفكرية للشركة.”
وأضافت: “اليوم، حققنا ثاني إنجاز رئيسي في خارطة طريقنا الكمومية، وهو إثبات أول كيوبت طوبولوجي في العالم. وقد قمنا بالفعل بوضع ثمانية كيوبتات طوبولوجية على شريحة مصممة لاستيعاب مليون كيوبت.”
ما التالي؟
تشهد صناعة الحوسبة الكمومية تنافسًا محمومًا، حيث تستثمر العديد من الشركات في تطوير كيوبتات طوبولوجية. على سبيل المثال، شركة Quantinuum، المتخصصة في الحوسبة الكمومية بالأيونات المحاصرة، أعلنت عن إنشاء كيوبت طوبولوجي في عام 2023. كما يعمل مركز العلوم الكمومية (QSC) في مختبر أوك ريدج الوطني على تطوير المواد الداعمة للحوسبة الكمومية الطوبولوجية.
في تعليق على إنجاز مايكروسوفت، قال ترافيس هومبل، مدير مركز QSC: “نتائج مايكروسوفت تمثل تقدمًا مهمًا في مجال الحوسبة الكمومية. لقد نجحوا في قياس التماثل في تصميم الأسلاك النانوية فائقة التوصيل الطوبولوجية، وهو خطوة أولى نحو تحقيق الحماية الطوبولوجية المتوقعة.”
مع استمرار التقدم، ستظل تصحيح الأخطاء الكمومية أمرًا ضروريًا، وقد حددت مايكروسوفت استراتيجيتها لتحقيق ذلك ضمن خارطة الطريق الخاصة بها.