هل حققنا تفوق الحوسبة الكمومية؟ يعتقد جوجل ذلك. في 23 أكتوبر ، نشر سوندار بينشاي ، الرئيس التنفيذي (التنفيذي) لشركة Google ، منشورًا مدونًا متفوقًا على انتصار باحثي الشركة في بناء كمبيوتر كمومي "أجرى اختبارًا الحساب في 200 ثانية فقط كان من الممكن أن يستغرق أفضل خوارزميات معروفة في أقوى أجهزة الكمبيوتر العملاقة لآلاف السنين لإنجازها. "

في منشور منفصل على مدونة Google AI ، قال جون مارتينيس ، كبير العلماء في شركة Quantum Hardware ، وسيرجيو بويكسو ، كبير العلماء في نظرية الحوسبة الكمومية ، Google AI Quantum ، إن هدفهم هو بناء جهاز كمبيوتر كمومي يتحمل الأخطاء في أسرع وقت ممكن . يتصورون أن هذا الجهاز الكمومي قادر على تحفيز التقدم في تصميم المواد التي يمكن أن تؤدي إلى بطاريات خفيفة الوزن جديدة للسيارات والطائرات ، وأدوية أكثر فعالية ، ومحفزات أفضل لإنتاج الأسمدة بشكل أكثر كفاءة مع انبعاثات أقل من الكربون.

دفعت تفاصيل العمل الحسابي من Google إلى دفع فوري من شركات ثقيلة أخرى في مجال الحوسبة الكمومية مثل IBM ، وهي شركة تقنية دولية مقرها في أرمونك ، نيويورك ، والتي اقترحت أنه يمكن تحقيق محاكاة مثالية لنفس المهمة الحسابية على نظام كلاسيكي في يومين فقط وبدقة أكبر بكثير. وانتقدت آي بي إم أيضًا استخدام Google لكلمة "التفوق" وكررت رؤيتها لأجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية التي تعمل معًا بطريقة متكاملة.

على أي حال ، تجد علوم المعلومات الكمية (QIS) نفسها في دائرة الضوء مرة أخرى. كما قال ديفيد أوسكالوم ، الفيزيائي ومهندس الكم في جامعة شيكاغو ، إلينوي ، "علم معلومات الكم يستخدم خصائص الطبيعة على أصغر المقاييس لإنشاء تقنية ذات معنى". اعترفت حكومة الولايات المتحدة بقيمة QIS من خلال قانون مبادرة الكم الوطني ، والذي يهدف إلى تسريع البحث الكمي والتطوير لأغراض اقتصادية وأمنية وطنية.

قد يبدو Quantum مقصورًا على كثير من المراقبين العرضيين ، لكن جاكوب تايلور ، مساعد المدير لعلوم معلومات الكم (QIS) في مكتب البيت الأبيض لسياسة العلوم والتكنولوجيا ، يشير إلى أن التكنولوجيا القائمة على الكم كانت قيد الاستخدام منذ عقود. يقول تايلور: "تعتمد الساعات الذرية التي تدعم أنظمة تحديد المواقع العالمية على نظرية الكم". "في الطب ، نستخدم تكنولوجيا الكم لتشغيل آلات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) ، واستقصاء الخصائص الإجمالية ليدور النوى داخل الجسم للعثور ، على سبيل المثال ، حيث يتخلى الدم عن الأكسجين."

يواصل الباحثون في الأوساط الأكاديمية والصناعية الآن جهودهم لتطوير تقنيات أكثر تقدمًا على أساس QIS. يمكن تجميع هذه الجهود في ثلاثة مجالات رئيسية - الحوسبة والاتصالات والاستشعار.

من بينها ، تعتقد أوسكالوم أن بعض تطبيقات QIS الفورية ستحدث في مجالات الاستشعار والاتصال. يقول أوشالوم: "إن هشاشة الحالات الكمية هي ما يجعلها أساسًا لتقنيات الاستشعار القوية". "في غضون عقد من الزمن ، من الممكن أن يسمح التقدم في الاستشعار الكمي بدفع دقة التصوير بالرنين المغناطيسي إلى مستوى الجزيئات المفردة ووضع أجهزة الاستشعار داخل الخلايا الحية لمشاهدة الآليات الخلوية في العمل."

يقول جانغ سانغ كيم ، مهندس الكهرباء والكمبيوتر في جامعة ديوك ، دورهام ، كارولاينا الشمالية: " تنبع القدرات الفريدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية من ميزتين خاصتين متاحتين في البتات الكمومية ، أو" الكوبت "، وهما الوحدات الأساسية للمعلومات الكمية. ، والشريك المؤسس لـ IonQ ، شركة ناشئة للحوسبة الكمومية مقرها في كوليدج بارك بولاية ماريلاند. "ميزة واحدة هي مبدأ التراكب ، حيث يمكن أن توجد البتات الكمومية في كل من الحالة 0 والحالة 1 في نفس الوقت ، مع وزن يمكن التحكم فيه وطور نسبي بينهما ، حتى يتم قياس البتات. الميزة الأخرى هي التشابك ، حيث يوجد ارتباط بين عدة كيلوبتات حتى إذا لم يتم تحديد حالة كل كيلوبت بشكل كامل في 0 أو 1. "

عادة ما تنطوي تقنية الكم على مواد وظروف غريبة من أجل حماية التراكبات المخزنة في الجسيمات الكمومية ، كما يوضح كريس مونرو ، الفيزيائي في جامعة ماريلاند والذي هو أيضًا المؤسس المشارك وكبير العلماء في IonQ.

يشدد مونرو على أن "أحد القواعد الكمية الأساسية هو أن التراكب لا يوجد إلا عندما لا تنظر إليه". "هذا يعني أن الكم يعمل بشكل أفضل في الأنظمة البسيطة مثل الذرات المعزولة التي ليست جزءًا من المواد الصلبة أو الأسطح ويتم رفعها في غرفة مفرغة ، أو أجهزة الحالة الصلبة الغريبة التي يتم تبريدها إلى درجة حرارة صفر تقريبًا."

إذا تم استيفاء هذه الشروط ، يقول مونرو أن مثل هذه الأجهزة يمكن أن تشكل أجهزة كمبيوتر كمومية لديها القدرة على حل المشكلات التي لن تتمكن أجهزة الكمبيوتر التقليدية العادية من حلها.

يعطي مثالا على النمذجة الكيميائية للجزيئات المعقدة. يقترح مونرو "فكر في جزيء مثل الكافيين يحتوي على أكثر من 100 إلكترون". "كيف تكتشف تلك الإلكترونات إلى أين تذهب وما هي مستويات طاقتها؟ في الوقت الحالي ، لا يمكننا حساب طاقة الربط لهذه الإلكترونات ، مما يعني أنه من الصعب معرفة كيفية تفاعل جزيء معين مع جزيئات أخرى. قد يكون للحوسبة الكمومية تطبيقات ضخمة لتحسين هذه الأنواع من المحاكاة ".

هل يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تكون منزليًا أو حتى أجهزة مؤسسية؟ تعتقد أوسكالوم أن الإنتاج الضخم لأجهزة الكمبيوتر الكمومية يعتمد على إيجاد طرق لجعل الكوبتات تعمل في ظروف أقل غرابة. يقول: "من المثير للإعجاب أن تصنع الكوبتات باستخدام ذرة في الفراغ أو موصل فائق ، لكننا نركز على إنشاء الكوبتات باستخدام مواد الحالة الصلبة". "هناك ترليون دولار من البنية التحتية القائمة حول تصنيع الإلكترونيات. إذا تمكنا من تطوير وحدات كيو بت قابلة للقياس باستخدام أشباه الموصلات ، يمكن أن تنتج الصناعة مليارات منها ".

وجدت مجموعة Awschalom أنها يمكن أن تأخذ ثنائيات كربيد السيليكون التجارية ، وخلق عيوب في حبس الإلكترونات ، وبناء ما يسميه حالات الكم "جيدة بشكل مدهش" استنادًا إلى دوران الإلكترون مع أوقات تماسك طويلة وطاقات كمية قابلة للضبط. يقول: "نحن في مرحلة إثبات صحة المفهوم في الوقت الحالي ، لكن هذه النتائج الأولية توحي بأن لدينا مسارًا لإمكانية التوسع".

الحق على النقطة

إذا كانت هناك أي شركة تعرف عن تصنيع الإلكترونيات على نطاق واسع ، فهي Intel ، وهي شركة تكنولوجيا متعددة الجنسيات مقرها في سانتا كلارا ، كاليفورنيا. تمتلك الشركة قوة عاملة تزيد عن 100000 شخص وتبني أكثر من 10 مليار ترانزستور كل ثانية (أو أكثر من 300 كوادريليون ترانزستور سنويًا). 

تقول آن ماتسورا ، مديرة تطبيقات وهندسة Quantum في Intel ، أن شركتها تستفيد من قدراتها الخاصة حول تصنيع السليكون وتعبئتها لتطوير كوانتات السليكون الكمومية التي تقارنها بترانزستورات إلكترون واحد.

استثمرت Intel 50 مليون دولار أمريكي في تعاون مدته 10 سنوات مع جامعة دلفت للتكنولوجيا و TNO ، المنظمة الهولندية للأبحاث التطبيقية ، من أجل تطوير الحوسبة الكمومية. يتضمن أحد جوانب التعاون تجارب على "الكوبيتات الساخنة" - البحث في ما إذا كان يمكن أن تعمل الكوبيتات النقطية السيليكونية في درجات حرارة مرتفعة. يقول ماتسورا: "حتى الآن ، حقق شركاؤنا نتائج تجريبية واعدة بدرجة 1 كلفن". "من الواضح أن هذا لا يزال باردًا إلى حد ما ، ولكن حجمه أكثر دفئًا من درجات الحرارة المبردة الضرورية اليوم. أملنا هو أن نتمكن من الاستمرار في زيادة نطاق درجة الحرارة التي يمكن للكيوبتات العمل فيها ".

تتخذ Intel خطوات أخرى لإنشاء خط تصنيع واختبار عالي الحجم مقاس 300 مم للقطر الدوار شبه الموصل. بالشراكة مع Bluefors و Afore ، قامت Intel بتطوير Cryogenic Wafer Prober - أو Cryoprober - التي يمكنها اختبار الكيتات في درجات حرارة قليلة من الكلفن. تتوقع Intel أن Cryoprober ستسمح لها بأتمتة وتسريع الاختبار على مصادر الضوضاء الكمومية ونوعية النقاط الكمية من أسابيع إلى دقائق فقط.

باستخدام كويبتس الطبيعة الأم

بينما تبحث Intel عن طرق لتسريع اختبار خطأ qubit ، تهدف IonQ إلى تجاوز التحديات في عملية تصنيع qubit من خلال عدم عمل وحدات البت على الإطلاق.

يقول رئيس IonQ والرئيس التنفيذي بيتر تشابمان: "نحن نستخدم الذرات المتأينة - كائنات الطبيعة الأم". "نحن لا نصنع ذرات ، لذا فإن كل كوبيتات مثالية بدون أي تباينات. عائمًا في فراغ ، لديهم مقياس زمني أساسي للتدهور يبلغ 10000 سنة ووقت فك الارتباط يمكن تمديده إلى سنوات. "

باستخدام الحقول الكهرومغناطيسية ، ينشر IonQ ويحتجز الكيتات الذرية على رقاقة سيليكون داخل غرف مفرغة عالية جدًا لإنشاء ما تسميه الشركة أول كمبيوتر كمومي تجاري محصور في العالم.

يقول تشابمان: "تعتمد تقنيتنا على نفس مبادئ الساعات الذرية". "إذا نظرت إلى الوراء إلى ساعة ذرية من خمسينيات القرن الماضي ، فستشغل غرفة كاملة ، ولكنها الآن تناسبها على شريحة واحدة. يعمل نهجنا في درجة حرارة الغرفة ويمكن بناؤه في الغالب مع المكونات الجاهزة. من المنطقي أن نتوقع أن تقنيتنا ستتبع نفس المسار مثل الساعات الذرية وكل قطعة إلكترونية أخرى وستنكمش بمرور الوقت. لن أفاجأ إذا كان الناس يضعون طلبات لأجهزة الكمبيوتر المحمولة الكمومية في غضون 10 سنوات ".

وماذا يمكن أن تفعل هذه الحواسيب الكمومية؟ يعتقد تشابمان أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية فقط هي التي يمكنها التعامل مع المتطلبات الاندماجية المتفجرة لمعالجة اللغة الطبيعية اللازمة للذكاء الاصطناعي القوي (AI).

 يقول تشابمان: "إذا نظرت إلى معنى كلمة واحدة في جملة ، فإنها مرتبطة بسياق كل الكلمات الأخرى في الجملة ، والفقرة ، والوثيقة ، وتجربتك السابقة". "تحتوي اللغة على انفجار اندماجي للمعاني المحتملة التي تجيدها أجهزة الكمبيوتر الكمومية حقًا. إن العالم الحقيقي هو كمّي بشكل طبيعي. هل سيكون مفاجئًا حقًا أن تنبثق ذكائنا أيضًا من نفس المكان؟ "

في حين أن العديد من الباحثين في الحوسبة الكمومية يركزون على زيادة أعداد البتات ، فإن IBM تتخذ نهجًا مختلفًا إلى حد ما. في عام 2017 ، أعلنت شركة IBM عن مقياس يسمى Quantum Volume الذي يحدد أداء الكمبيوتر الكمومي الذي يعتمد ليس فقط على الأرقام الكيتية ، ولكن أيضًا على التقييم الشامل للعوامل المختلفة مثل وقت تماسك الكيتات (مقدار الوقت الذي يبقون فيه في التراكب) أو أخطاء القياس التي قد تؤثر على دقة ودقة عمليات المعالج الكمي.

يقول بوب سوتور ، نائب رئيس تطوير IBM Q Ecosystem Development في IBM Research ، في يوركتاون هايتس ، نيويورك: "إذا كانت هناك نقطة ضعف في نظام الكمبيوتر الكمومي ، فلا يهم كم هي رائعة كووبتس الفردية الخاصة بك" . "البرامج مهمة أيضًا. يجب أن نكون قادرين على أخذ برامج المستخدم وتحويلها بحيث تعمل بطريقة محسنة على أجهزة الكم الحقيقية. "

قامت شركة IBM بوضع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بها على الإنترنت من خلال برنامج مفتوح وشبكة IBM Q التجارية التي تمنح المتحمسين والأكاديميين والباحثين في الصناعة فرصة للتعلم وتجربة آلات الكم الفعلية. منذ إطلاق IBM Q في عام 2016 ، تم تسجيل حوالي 175000 شخص لاستخدام النظام. استخدم علماء الكم لشركة IBM شبكة Q للتعاون مع شركاء الصناعة مثل Barclays و JPMorgan Chase و Mitsubishi Chemical في محاولة لتحسين كفاءة تسويات الأوراق المالية في أسواق رأس المال ، وتحقيق تسارع تربيعي في تسعير الخيارات ، ومحاكاة الخطوات الأولية لـ آلية التفاعل بين الليثيوم والأكسجين في بطاريات Li-air.

صانع الكود وكسر الكود

يبدو استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتصميم بطاريات أفضل هدفًا نبيلًا ، ولكن ماذا لو حاول الممثلون السيئون استخدام قدرات المعالجة لجهاز كمبيوتر كمومي قوي لكسر خوارزميات التشفير؟

لحسن الحظ ، فإن المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) على هذه القضية. يقول تيلور: "سيستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تهدد طرق التشفير [الكلاسيكية] عن طريق حساب أعداد كبيرة ، ولكن NIST تعمل بالفعل على التصديق على أنظمة التشفير بعد الكم". "نحن في طريقنا لتحقيق تلك الشهادة بحلول عام 2022 ، مما يعني أنه ينبغي على كبار مسؤولي التكنولوجيا التخطيط لإجراء الانتقال إلى حماية التشفير بعد الكم خلال السنوات العشر القادمة."

وفي الوقت نفسه ، يمكن أن يؤدي التقدم في QIS إلى تطوير طرق التشفير التي يستحيل اختراقها حقًا - على الأقل دون تنبيه المستلم إلى أنه تم اعتراض رسالة.

"في عالم الكم ، فإن فعل النظر إلى شيء ما يغيره. يوضح أوسكالوم أن هذه ميزة من الناحية الأمنية. "يمكننا إرسال المعلومات إلى أسفل شبكات الألياف الضوئية باستخدام أزواج متشابكة من الفوتونات. إذا حاول شخص ما اعتراض الرسالة وعرض المحتويات ، فلن يتمكن من "إعادتها" في نفس الحالة. ستصل الرسالة مخلوطة وسيعرف المستلم أن شخصًا ما حاول التنصت على الاتصالات أثناء النقل ".

فقط الوقت كفيل بإثبات

يي يونيو، وهو فيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا و جامعة كولورادو في بولدر، تتقدم قياس الوقت باستخدام ميكانيكا الكم. باستخدام أشعة الليزر والتبخر ، يقوم بتحميل الذرات واحتجازها واحدة تلو الأخرى في شبكة بلورية مصنوعة من الضوء. هذه الساعات الذرية الجديدة أكثر دقة بحوالي 100 مرة من الساعات الذرية التقليدية. استنادًا إلى هذه الساعة الجديدة ، في أكتوبر ، نشر Ye وزملاؤه ورقة توضح أنهم طوروا مقياسًا زمنيًا جديدًا في المجال البصري بأداء أفضل 10 مرات من الجيل الحالي من المقاييس الزمنية المستخدمة لتحديد التوقيت العالمي.

يقول Ye أن هذا التحسين يمكن أن يكون له فوائد مباشرة للاتصالات والملاحة ، حيث ترسل الأقمار الصناعية معلومات إلى بعضها البعض وإلى الأرض باستخدام أشعة الليزر بدلاً من الموجات الدقيقة. "يمكنك إرسال تعليمات دقيقة وإحداثيات ملاحة لسفينة فضائية بين الكواكب بحيث يمكنك مزامنة هبوطها التلقائي على كوكب المريخ" ، كما يقول. "في كل مرة نزيد فيها تقنية الساعة ، فإنها تؤدي عادةً إلى طبقات متعددة من التقدم التكنولوجي في أماكن أخرى من المجتمع. في الواقع ، إن التقدم التكنولوجي في كل من الساعات وأجهزة الكمبيوتر الكمومية ينبثق من نفس الثورة الكمية التي تحدث اليوم. "