أعلنت شركة مايكروسوفت عن طرح شريحة Majorana 1، أول شريحة كمية في العالم تعمل بهندسة أساسية طوبولوجية جديدة تتوقع الشركة من خلالها أن تحقق أجهزة كمبيوتر كمية قادرة على حل مشاكل صناعية ذات مغزى في غضون سنوات وليس عقود.
وهي تستفيد من أول موصل طوبوجرافي في العالم، وهو نوع من المواد المبتكرة التي يمكنها مراقبة جزيئات Majorana والتحكم فيها لإنتاج كيوبتات أكثر موثوقية وقابلية للتطوير، وهي اللبنات الأساسية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.
وعلى نفس النحو الذي جعل اختراع أشباه الموصلات الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات اليوم ممكنة، فإن الموصلات الطوبوجرافية والنوع الجديد من الشرائح التي تمكنها تقدم مسارًا لتطوير أنظمة كمية يمكنها التوسع إلى مليون كيوبت وقادرة على معالجة أكثر المشاكل الصناعية والمجتمعية تعقيدًا، وفقًا لما ذكرته شركة مايكروسوفت.
قال تشيتان ناياك، فريق مايكروسوفت التقني: “لقد تراجعنا خطوة إلى الوراء وقلنا: حسنًا، دعونا نخترع الترانزستور لعصر الكم. ما هي الخصائص التي يجب أن يتمتع بها؟”. واضاف: “وهذه هي الطريقة التي وصلنا بها إلى هنا حقًا – إنها التركيبة الخاصة والجودة والتفاصيل المهمة في مجموعة المواد الجديدة التي مكنتنا من إنتاج نوع جديد من البتات الكمومية وفي النهاية بنيتنا بالكامل”.
قالت شركة مايكروسوفت إن هذه البنية الجديدة المستخدمة لتطوير معالج Majorana 1 تقدم مسارًا واضحًا لاستيعاب مليون كيوبت على شريحة واحدة يمكن أن تتناسب مع راحة اليد. هذه عتبة ضرورية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية لتقديم حلول تحويلية في العالم الحقيقي – مثل تفكيك البلاستيك الدقيق إلى منتجات ثانوية غير ضارة أو اختراع مواد ذاتية الشفاء للبناء أو التصنيع أو الرعاية الصحية. لا يمكن لجميع أجهزة الكمبيوتر الحالية في العالم التي تعمل معًا أن تفعل ما سيتمكن جهاز كمبيوتر كمومي يحتوي على مليون كيوبت من فعله.
“إن أي شيء تفعله في الفضاء الكمومي لابد وأن يكون له مسار يصل إلى مليون كيوبت. وإذا لم يكن الأمر كذلك، فسوف تصطدم بحائط قبل أن تصل إلى النطاق الذي يمكنك عنده حل المشكلات المهمة حقًا التي تحفزنا”، كما قال ناياك. “لقد توصلنا بالفعل إلى مسار يصل إلى المليون”.
الموصل الطوبولوجي، أو الموصل الفائق الطوبولوجي، هو فئة خاصة من المواد التي يمكنها خلق حالة جديدة تمامًا من المادة – ليست صلبة أو سائلة أو غازية ولكن حالة طوبولوجية. يتم تسخير ذلك لإنتاج كيوبت أكثر استقرارًا وسريعًا وصغيرًا ويمكن التحكم فيه رقميًا، دون التنازلات المطلوبة للبدائل الحالية. توضح ورقة بحثية جديدة نُشرت يوم الأربعاء في مجلة Nature كيف تمكن باحثو Microsoft من إنشاء الخصائص الكمومية الغريبة للكيوبت الطوبولوجي وقياسها بدقة أيضًا، وهي خطوة أساسية للحوسبة العملية.
تطلب هذا الابتكار تطوير مجموعة مواد جديدة بالكامل مصنوعة من زرنيخيد الإنديوم والألمنيوم، وقد صممت مايكروسوفت الكثير من هذه المواد وصنعتها ذرة بذرة. وقالت مايكروسوفت إن الهدف كان استدراج جزيئات كمية جديدة تسمى ماجورانا إلى الوجود والاستفادة من خصائصها الفريدة للوصول إلى الأفق التالي للحوسبة الكمية.
إن أول نواة طوبولوجية في العالم تعمل على تشغيل Majorana 1 موثوقة من حيث التصميم، حيث تتضمن مقاومة الأخطاء على مستوى الأجهزة مما يجعلها أكثر استقرارًا.
ستتطلب التطبيقات المهمة تجاريًا أيضًا تريليونات العمليات على مليون كيوبت، وهو أمر محظور مع الأساليب الحالية التي تعتمد على التحكم التناظري الدقيق لكل كيوبت. يتيح نهج القياس الجديد لفريق Microsoft التحكم في الكيوبتات رقميًا، وإعادة تعريف وتبسيط كيفية عمل الحوسبة الكمومية بشكل كبير.
يثبت هذا التقدم اختيار Microsoft قبل سنوات لمتابعة تصميم كيوبت طوبولوجية – وهو تحدٍ علمي وهندسي عالي المخاطر وعالي المكافأة يؤتي ثماره الآن. اليوم، وضعت الشركة ثمانية كيوبتات طوبولوجية على شريحة مصممة للتوسع إلى مليون.
قال ماتياس تروير، الفريق الفني في مايكروسوفت: “منذ البداية أردنا أن نصنع حاسوبًا كميًا لتحقيق تأثير تجاري، وليس مجرد قيادة فكرية. كنا نعلم أننا بحاجة إلى كيوبت جديد. كنا نعلم أنه يتعين علينا التوسع”.
وقد دفع هذا النهج وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA)، وهي وكالة فيدرالية تستثمر في التقنيات الرائدة التي تعتبر مهمة للأمن القومي، إلى إدراج مايكروسوفت في برنامج صارم لتقييم ما إذا كانت تقنيات الحوسبة الكمومية المبتكرة قادرة على بناء أنظمة كمية ذات صلة تجارية بشكل أسرع مما كان يُعتقد تقليديًا.
أصبحت مايكروسوفت الآن واحدة من شركتين تمت دعوتهما للانتقال إلى المرحلة النهائية من برنامج DARPA’s Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing (US2QC) – أحد البرامج التي تشكل مبادرة DARPA Quantum Benchmarking الأكبر – والتي تهدف إلى تقديم أول كمبيوتر كمي مقاوم للأخطاء على نطاق المرافق في الصناعة، أو الكمبيوتر الذي تتجاوز قيمته الحسابية تكاليفه.
إنه يعطيك الإجابة فقط
بالإضافة إلى تصنيع أجهزتها الكمومية الخاصة، دخلت مايكروسوفت في شراكة مع Quantinuum وAtom Computing للوصول إلى ابتكارات علمية وهندسية مع وحدات البت الكمومية الحالية، بما في ذلك الإعلان العام الماضي عن أول كمبيوتر كمي موثوق في الصناعة.
توفر هذه الأنواع من الآلات فرصًا مهمة لتطوير المهارات الكمومية وبناء تطبيقات هجينة ودفع الاكتشافات الجديدة، خاصة مع دمج الذكاء الاصطناعي مع أنظمة الكم الجديدة التي سيتم تشغيلها بأعداد أكبر من وحدات البت الكمومية الموثوقة. اليوم، تقدم Azure Quantum مجموعة من الحلول المتكاملة التي تسمح للعملاء بالاستفادة من الذكاء الاصطناعي الرائد والحوسبة عالية الأداء والمنصات الكمومية في Azure لتعزيز الاكتشاف العلمي.
لكن الوصول إلى الأفق التالي للحوسبة الكمومية سيتطلب بنية كمومية يمكنها توفير مليون وحدة بت كمومية أو أكثر والوصول إلى تريليونات العمليات السريعة والموثوقة. وقالت مايكروسوفت إن إعلان اليوم يضع هذا الأفق في غضون سنوات وليس عقودًا.
وبما أن الآلات التي تحتوي على مليون كيوبت قادرة على استخدام ميكانيكا الكم لرسم خريطة رياضية لكيفية تصرف الطبيعة بدقة لا تصدق ــ من التفاعلات الكيميائية إلى التفاعلات الجزيئية وطاقات الإنزيمات ــ فإن هذه الآلات يجب أن تكون قادرة على حل أنواع معينة من المشاكل في الكيمياء وعلوم المواد وغيرها من الصناعات التي من المستحيل على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية اليوم أن تحسبها بدقة.
- على سبيل المثال، قد تساعد هذه المواد في حل السؤال الكيميائي الصعب حول سبب تعرض المواد للتآكل أو التشقق. وقد يؤدي هذا إلى إنتاج مواد ذاتية الشفاء تعمل على إصلاح الشقوق في الجسور أو أجزاء الطائرات أو شاشات الهواتف المحطمة أو أبواب السيارات المخدوشة.
- ولأن هناك أنواعاً عديدة من البلاستيك، فليس من الممكن حالياً العثور على محفز واحد يناسب جميع أنواع البلاستيك ــ وهو أمر مهم بشكل خاص لتنظيف البلاستيك الدقيق أو معالجة تلوث الكربون. ومن الممكن أن تحسب الحوسبة الكمومية خصائص مثل هذه المحفزات لتفكيك الملوثات إلى منتجات ثانوية قيمة أو تطوير بدائل غير سامة في المقام الأول.
- إن الإنزيمات، وهي نوع من المحفزات البيولوجية، يمكن تسخيرها بشكل أكثر فعالية في الرعاية الصحية والزراعة، وذلك بفضل الحسابات الدقيقة حول سلوكها والتي لا يمكن توفيرها إلا بواسطة الحوسبة الكمومية. وقد يؤدي هذا إلى تحقيق اختراقات تساعد في القضاء على الجوع العالمي: تعزيز خصوبة التربة لزيادة الغلة أو تعزيز النمو المستدام للأطعمة في المناخات القاسية.
إن الحوسبة الكمومية قد تسمح للمهندسين والعلماء والشركات وغيرهم بتصميم الأشياء بشكل صحيح من المرة الأولى ــ وهو ما قد يحدث تحولاً كبيراً في كل شيء بدءاً من الرعاية الصحية إلى تطوير المنتجات. إن قوة الحوسبة الكمومية، مقترنة بأدوات الذكاء الاصطناعي، من شأنها أن تسمح لأي شخص بوصف نوع المادة أو الجزيء الجديد الذي يريد إنشاءه بلغة بسيطة والحصول على إجابة تعمل على الفور ــ من دون تخمين أو سنوات من التجربة والخطأ.
قال تروير: “إن أي شركة تصنع أي شيء يمكنها تصميمه بشكل مثالي منذ المرة الأولى. وهذا من شأنه أن يعطيك الإجابة ببساطة. إن الكمبيوتر الكمومي يعلم الذكاء الاصطناعي لغة الطبيعة حتى يتمكن الذكاء الاصطناعي من إخبارك بالوصفة التي تريد صنعها”.
إعادة التفكير في الحوسبة الكمومية على نطاق واسع
يعمل العالم الكمومي وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، والتي ليست نفس قوانين الفيزياء التي تحكم العالم الذي نراه. تسمى الجسيمات كيوبت، أو بتات كمية، على غرار البتات، أو الواحدات والأصفار، التي تستخدمها أجهزة الكمبيوتر الآن.
الكيوبتات دقيقة للغاية وعرضة للاضطرابات والأخطاء التي تأتي من بيئتها، مما يتسبب في تفككها وفقدان المعلومات. يمكن أن تتأثر حالتها أيضًا بالقياس – وهي مشكلة لأن القياس ضروري للحوسبة. التحدي المتأصل هو تطوير كيوبت يمكن قياسه والتحكم فيه، مع توفير الحماية من الضوضاء البيئية التي تفسدها.
يمكن إنشاء كيوبتات بطرق مختلفة، ولكل منها مزايا وعيوب. قبل ما يقرب من 20 عامًا، قررت مايكروسوفت اتباع نهج فريد: تطوير كيوبتات طوبولوجية، والتي اعتقدت أنها ستوفر كيوبتات أكثر استقرارًا تتطلب تصحيحًا أقل للأخطاء، وبالتالي إطلاق العنان لمزايا السرعة والحجم والقدرة على التحكم. وقد طرح هذا النهج منحنى تعليمي حاد، يتطلب إنجازات علمية وهندسية غير مسبوقة، ولكنه يمثل أيضًا المسار الأكثر وعدًا لإنشاء وحدات بت كمومية قابلة للتطوير والتحكم وقادرة على القيام بعمل ذي قيمة تجارية.
إن العيب هنا هو أن الجسيمات الغريبة التي سعت مايكروسوفت إلى استخدامها، والتي تسمى ماجورانا، لم يتم رؤيتها أو تصنيعها حتى وقت قريب. فهي غير موجودة في الطبيعة ولا يمكن حثها على الوجود إلا باستخدام المجالات المغناطيسية والموصلات الفائقة. إن صعوبة تطوير المواد المناسبة لإنشاء الجسيمات الغريبة والحالة الطوبولوجية المرتبطة بها للمادة هي السبب وراء تركيز معظم الجهود الكمومية على أنواع أخرى من البتات الكمومية.
إن ورقة نيتشر تؤكد أن مايكروسوفت لم تكن قادرة فقط على إنشاء جسيمات ماجورانا، والتي تساعد في حماية المعلومات الكمومية من الاضطراب العشوائي، بل يمكنها أيضًا قياس هذه المعلومات منها بشكل موثوق باستخدام الموجات الدقيقة.
تخفي Majoranas المعلومات الكمومية، مما يجعلها أكثر قوة، ولكن أيضًا يصعب قياسها. إن نهج القياس الجديد الذي يتبعه فريق مايكروسوفت دقيق للغاية لدرجة أنه يمكنه اكتشاف الفرق بين مليار ومليار وإلكترون واحد في سلك فائق التوصيل – والذي يخبر الكمبيوتر بحالة البت الكمومي ويشكل الأساس للحوسبة الكمومية.
يمكن تشغيل القياسات وإيقافها باستخدام نبضات الجهد، مثل تحريك مفتاح الإضاءة، بدلاً من ضبط الأقراص بدقة لكل كيوبت فردي. يعمل نهج القياس الأبسط هذا الذي يتيح التحكم الرقمي على تبسيط عملية الحوسبة الكمومية والمتطلبات المادية لبناء آلة قابلة للتطوير.
يتمتع كيوبت الطوبولوجي من مايكروسوفت أيضًا بميزة على كيوبتات أخرى بسبب حجمه. قال تروير إنه حتى بالنسبة لشيء صغير جدًا، توجد منطقة “جولديلوكس”، حيث يصعب تشغيل خطوط التحكم على كيوبت صغير جدًا، لكن كيوبت كبير جدًا يتطلب آلة ضخمة. إن إضافة تقنية التحكم الفردية لهذه الأنواع من كيوبتات يتطلب بناء كمبيوتر غير عملي بحجم حظيرة طائرات أو ملعب كرة قدم.
يمكن حمل Majorana 1، وهي شريحة كمية من شركة Microsoft تحتوي على كل من البتات الكمومية بالإضافة إلى إلكترونيات التحكم المحيطة بها، في راحة اليد وتتناسب بشكل أنيق مع جهاز كمبيوتر كمي يمكن نشره بسهولة داخل مراكز بيانات Azure.
قال ناياك: “إن اكتشاف حالة جديدة للمادة أمر مختلف تمامًا عن الاستفادة منها لإعادة التفكير في الحوسبة الكمومية على نطاق واسع”.
تصميم المواد الكمومية ذرة بذرة
تتكون بنية البت الكمومي الطوبولوجية من مايكروسوفت من أسلاك نانوية من الألومنيوم متصلة ببعضها البعض لتكوين ذرة H. تحتوي كل ذرة H على أربعة أجزاء ماجورانا يمكن التحكم فيها وتشكل بتًا كموميًا واحدًا. يمكن أيضًا توصيل هذه الأجزاء ووضعها عبر الشريحة مثل العديد من القطع.
قالت كريستا سفور، فريق مايكروسوفت الفنية: “إنها معقدة حيث كان علينا إظهار حالة جديدة للمادة للوصول إلى هناك، ولكن بعد ذلك، تكون بسيطة إلى حد ما. إنها تتكون من قطع متفرقة. لديك هذه البنية البسيطة التي تعد بمسار أسرع بكثير للتوسع”.
لا تعمل الشريحة الكمومية بمفردها. إنها موجودة في نظام بيئي مع منطق التحكم، وثلاجة تخفيف تحافظ على البتات الكمومية في درجات حرارة أبرد بكثير من الفضاء الخارجي ومجموعة برامج يمكن أن تتكامل مع الذكاء الاصطناعي وأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. وقالت إن كل هذه القطع موجودة، مبنية أو معدلة بالكامل داخليًا.
لكي نكون واضحين، فإن الاستمرار في تحسين هذه العمليات وجعل جميع العناصر تعمل معًا على نطاق متسارع سيتطلب سنوات أكثر من العمل الهندسي. لكن مايكروسوفت قالت إن العديد من التحديات العلمية والهندسية الصعبة تم الوفاء بها الآن.
وأضافت سفور أن الحصول على مجموعة المواد الصحيحة لإنتاج حالة طوبولوجية للمادة كان أحد أصعب الأجزاء. بدلاً من السيليكون، يتكون الموصل الطوبوغرافي الخاص بشركة مايكروسوفت من زرنيخيد الإنديوم، وهي مادة تستخدم حاليًا في تطبيقات مثل أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء والتي لها خصائص خاصة. يتم ربط أشباه الموصلات بالموصلية الفائقة، بفضل البرودة الشديدة، لصنع هجين.
كما قالت سفور: “نحن نرش حرفيًا ذرة تلو الأخرى. يجب أن تصطف هذه المواد بشكل مثالي. إذا كان هناك الكثير من العيوب في كومة المواد، فإن ذلك يقتل البت الكمومي الخاص بك”.
واضافت: “ومن عجيب المفارقات أن هذا هو السبب أيضًا وراء حاجتنا إلى جهاز كمبيوتر كمي – لأن فهم هذه المواد صعب للغاية. باستخدام جهاز كمبيوتر كمي موسع، سنكون قادرين على التنبؤ بالمواد ذات الخصائص الأفضل لبناء الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تتجاوز الحجم”.
تعرف على المزيد شريحة Microsoft Majorana 1
