سيتم بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية مثل الليغو

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إجراء حسابات تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم، ومن المتوقع أن تتفوق على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية في أنواع معينة من مهام التحسين والمعالجة.

على الرغم من أن الفيزيائيين والمهندسين أثبتوا وجود أنظمة حوسبة كمية مختلفة على مدى العقود الماضية، إلا أن توسيع نطاق هذه الأنظمة بشكل موثوق بحيث تتمكن من حل المشكلات العملية مع تصحيح الأخطاء التي تنشأ أثناء الحساب كان حتى الآن تحديًا.

Việc liên kết các qubit bên trong máy tính lượng tử vẫn là một vấn đề. — لا يزال ربط البتات الكمومية داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية يشكل مشكلة.

لقد ثبت أن بناء حاسوب كمي كجهاز واحد موحد أمرٌ بالغ الصعوبة. تعتمد هذه الأجهزة على معالجة ملايين الكيوبتات، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية، إلا أن تجميع هذا العدد الضخم في نظام واحد يُمثل تحديًا كبيرًا.

وكما تتلاءم قطع الليغو الصغيرة مع بعضها البعض لتكوين تصميمات أكبر وأكثر تعقيدًا، يمكن للباحثين بناء وحدات أصغر وأعلى جودة ثم ربطها معًا لتشكيل نظام كمي كامل.

قدّم باحثون في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين مؤخرًا بنيةً كموميةً معياريةً جديدةً تُمكّن من توسيع نطاق معالجات الكم فائقة التوصيل، مع تحمل الأخطاء وقابلية التوسع وإعادة التكوين. يُعدّ توسيع النطاق مع تحمل الأخطاء أمرًا أساسيًا للحفاظ على التأثيرات الكمومية والظروف اللازمة لإجراء عمليات حسابية كمومية طويلة المدى.

يقوم بروتوكول كابل الربط بربط كتل الكيوبت معًا مثل مكعبات LEGO.

يتكون النظام الذي يقترحونه، والذي تم تقديمه في ورقة بحثية نشرت في مجلة Nature Electronics ، من عدة وحدات (أي أجهزة كيوبت فائقة التوصيل) يمكنها العمل بشكل مستقل ومتصلة بوحدات أخرى من خلال وصلات مترابطة وتشكل شبكة كمية أكبر.

ببساطة، مع هذه التوصيلات، سيحتاج كل كيوبت في النظام إلى التوصيل والتشغيل الفوري، كما لو كنا نضيف أجهزة طرفية إلى حاسوب عادي. كما يُقلل هذا النوع من كابلات التوصيل من خطأ حساب النظام إلى أقل من 1%.

يقول ولفجانج فاف، المؤلف المشارك في الدراسة: "كانت نقطة البداية لهذا البحث هي الفهم الحالي في مجال الحوسبة الكمومية الفائقة التوصيل بأننا سنحتاج إلى تقسيم المعالج إلى أجهزة مستقلة متعددة - وهو النهج الذي نسميه "الحوسبة الكمومية المعيارية"".

في السنوات الأخيرة، أصبح هذا اعتقادًا شائعًا، حتى أن شركات مثل IBM تسعى إليه. قد يُحقق هذا البحث صلةً هندسيةً بالنهج المعياري.

في الأساس، يعمل فاف وزملاؤه على ابتكار استراتيجية لربط الأجهزة الكمومية مع تقليل تدهور الإشارة أو فقدان الطاقة أثناء نقل المعلومات الكمومية بينها. علاوة على ذلك، يسعون إلى تمكينهم من توصيل الأجهزة وفصلها وإعادة تكوينها بسهولة.

يقول فاف: "بعبارات بسيطة، تتضمن طريقتنا استخدام كابل محوري فائق التوصيل عالي الجودة يسمى مرنان الحافلة".

يقومون بتوصيل كيوبت سعوي بكابل عبر موصل مخصص، ووضع الكابل قريبًا جدًا (بدقة أقل من المليمتر) من الكيوبت ثم كيوبتات متعددة إذا كانت متصلة بنفس الكابل.

يتمتع النهج الجديد الذي يتبعه الباحثون في إنشاء شبكات كمية معيارية بمزايا كبيرة مقارنة بالطرق السابقة لتوسيع نطاق الأنظمة الكمية.

وفي الاختبارات الأولية، وجدوا أن هذه الطريقة سمحت لهم بتوصيل الأجهزة الكمومية القائمة على الموصلات الفائقة بشكل آمن وفصلها لاحقًا دون إتلافها، ودون التسبب في فقدان كبير للإشارة في بوابات الكم.

وأضاف فاف: "من خلال نهجنا، أعتقد أن لدينا الفرصة لبناء أنظمة كمية قابلة لإعادة التكوين من الصفر، مع خيار، على سبيل المثال، "توصيل" المزيد من وحدات المعالج بشبكة الأجهزة الكمية بمرور الوقت".

نعمل حاليًا على تصميم لمعرفة إمكانية زيادة عدد العناصر المتصلة، مما يزيد من حجم شبكتنا. كما نبحث في كيفية تعويض الخسائر في النظام بشكل أفضل، وجعل بنيته متوافقة مع تصحيح الأخطاء الكمومية.