جامعة هارفارد تحقق طفرة كبرى في الحوسبة الكمومية

حقق باحثون من جامعة هارفارد إنجازا رئيسيا في السعي نحو الحوسبة الكمومية المستقرة والقابلة للتطوير، وهي تكنولوجيا فائقة السرعة من شأنها أن تمكن من تحقيق تقدم يغير قواعد اللعبة في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الطب والعلوم والتمويل.

أول معالج كمي منطقي قابل للبرمجة

قام الفريق بقيادة ميخائيل لوكين ، أستاذ الفيزياء في جامعة جوشوا وبيث فريدمان والمدير المشارك لمبادرة هارفارد الكم ، بإنشاء أول معالج كمي منطقي قابل للبرمجة، قادر على تشفير ما يصل إلى 48 كيوبت منطقية، وتنفيذ مئات من العمليات. عمليات البوابة المنطقية، تحسنا كبيرا مقارنة بالجهود السابقة.

نُشر هذا العمل في مجلة Nature ، وتم تنفيذه بالتعاون مع ماركوس غرينر ، أستاذ الفيزياء في جامعة جورج فاسمر ليفريت؛ زملاء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا؛ و QuEra Computing ، وهي شركة في بوسطن تأسست على التكنولوجيا من مختبرات هارفارد.

يعد هذا النظام أول عرض لتنفيذ خوارزمية واسعة النطاق على حاسوب كمي مصحح الأخطاء، مما يبشر بظهور حسابات كمومية مبكرة متسامحة مع الأخطاء، أو غير منقطعة بشكل موثوق.

أفكار تصحيح الخطأ الكمي والتسامح مع الخطأ

وصف لوكين هذا الإنجاز بأنه نقطة انعطاف محتملة شبيهة بالأيام الأولى في مجال الذكاء الاصطناعي: فقد بدأت أفكار تصحيح الخطأ الكمي والتسامح مع الخطأ، والتي تم وضعها نظريًا منذ فترة طويلة، تؤتي ثمارها.

وقال لوكين: “أعتقد أن هذه إحدى اللحظات التي يتضح فيها أن شيئًا مميزًا للغاية قادم”. “على الرغم من أنه لا تزال هناك تحديات أمامنا، إلا أننا نتوقع أن يؤدي هذا التقدم الجديد إلى تسريع التقدم نحو أجهزة كمبيوتر كمومية مفيدة وواسعة النطاق.”

وتوافق دينيس كالدويل من مؤسسة العلوم الوطنية على ذلك.

قال كالدويل، القائم بأعمال المدير المساعد لمديرية العلوم الرياضية والفيزيائية، التي دعمت البحث من خلال مراكز حدود الفيزياء التابعة لمؤسسة العلوم الوطنية وبرامج معاهد تحدي القفزة الكمية: “إن هذا الإنجاز هو بمثابة جولة قوة في هندسة وتصميم الكم”. “لم يقم الفريق بتسريع تطوير معالجة المعلومات الكمومية باستخدام الذرات المحايدة فحسب، بل فتح بابًا جديدًا لاستكشاف أجهزة الكيوبت المنطقية واسعة النطاق، والتي يمكن أن تتيح فوائد تحويلية للعلم والمجتمع ككل”.

البت الكمي

في الحوسبة الكمومية، البت الكمي أو “الكيوبت” هو وحدة واحدة من المعلومات، تمامًا مثل البت الثنائي في الحوسبة الكلاسيكية. لأكثر من عقدين من الزمن، أظهر الفيزيائيون والمهندسون للعالم أن الحوسبة الكمومية ممكنة، من حيث المبدأ، من خلال التلاعب بالجسيمات الكمومية – سواء كانت ذرات أو أيونات أو فوتونات – لإنشاء كيوبتات فيزيائية.

لكن الاستغلال الناجح لغرابة ميكانيكا الكم في العمليات الحسابية هو أكثر تعقيدًا من مجرد تجميع عدد كبير بما فيه الكفاية من الكيوبتات، والتي هي بطبيعتها غير مستقرة وعرضة للانهيار خارج حالاتها الكمومية.

العملات الحقيقية لهذا العالم هي ما يسمى بالكيوبتات المنطقية: حزم من الكيوبتات الفيزيائية الزائدة عن الحاجة والمصححة للأخطاء، والتي يمكنها تخزين المعلومات لاستخدامها في خوارزمية كمومية. إن إنشاء كيوبتات منطقية كوحدات يمكن التحكم بها – مثل البتات الكلاسيكية – كان بمثابة عقبة أساسية أمام هذا المجال، ومن المقبول عمومًا أنه حتى تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من العمل بشكل موثوق على الكيوبتات المنطقية، فلن تتمكن التكنولوجيا من الانطلاق حقًا.

حتى الآن، أظهرت أفضل أنظمة الحوسبة واحدًا أو اثنين من الكيوبتات المنطقية ، وعملية بوابة كمومية واحدة – أقرب إلى وحدة واحدة فقط من التعليمات البرمجية – بينهما.

يعتمد الإنجاز الذي حققه فريق جامعة هارفارد على عدة سنوات من العمل على بنية الحوسبة الكمومية المعروفة باسم المصفوفة الذرية المحايدة ، والتي تم ابتكارها في مختبر لوكين. ويتم الآن تسويقه بواسطة شركة QuEra، التي أبرمت مؤخرًا اتفاقية ترخيص مع مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد للحصول على محفظة براءات اختراع تعتمد على الابتكارات التي طورتها مجموعة لوكين.

المكون الرئيسي للنظام هو كتلة من ذرات الروبيديوم المعلقة شديدة البرودة، حيث يمكن للذرات – الكيوبتات الفيزيائية للنظام – أن تتحرك وتتصل في أزواج – أو “متشابكة” – في منتصف العملية الحسابية.

تشكل أزواج الذرات المتشابكة بوابات، وهي وحدات من القدرة الحاسوبية. في السابق، أظهر الفريق معدلات خطأ منخفضة في عمليات التشابك ، مما يثبت موثوقية نظام المصفوفة الذرية المحايدة.

باستخدام المعالج الكمي المنطقي، يُظهر الباحثون الآن تحكمًا متوازيًا ومتعدد الإرسال لمجموعة كاملة من الكيوبتات المنطقية، باستخدام الليزر. هذه النتيجة أكثر كفاءة وقابلة للتطوير من الاضطرار إلى التحكم في الكيوبتات المادية الفردية.

قال المؤلف الأول للورقة دوليف بلوفشتاين، من كلية جريفين للفنون والعلوم: “نحن نحاول تحديد تحول في هذا المجال، نحو البدء في اختبار الخوارزميات باستخدام الكيوبتات المصححة للأخطاء بدلاً من تلك المادية، وتمكين المسار نحو الأجهزة الأكبر حجمًا”. دكتوراه. طالب في مختبر لوكين.

سيواصل الفريق العمل نحو إظهار المزيد من أنواع العمليات على 48 بتًا منطقيًا وتهيئة نظامهم للتشغيل بشكل مستمر، بدلاً من التدوير اليدوي كما هو الحال الآن.

تم دعم هذه الأبحاث من قبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية ‏المتقدمة من خلال برنامج التحسين باستخدام برنامج الأجهزة ‏الكمومية المتوسطة الحجم، ومركز الذرات فائقة البرودة، ‏وهو مركز حدود الفيزياء التابع لمؤسسة العلوم الوطنية ‏ومكتب أبحاث الجيش ومعهد الكم المشترك وQuEra ‎الحوسبة.‏