قام الفريق بقيادة ميخائيل لوكين، أستاذ الفيزياء بالجامعة والمدير المشارك لمبادرة هارفارد للفيزياء الكمومية، بإنشاء أول معالج كمي منطقي، قادر على تشفير ما يصل إلى 48 كيوبت منطقي، وتنفيذ مئات من عمليات "البوابات المنطقية"، وهو تحسن كبير مقارنة بالجهود السابقة.
اظهار أخبار متعلقة
نُشر هذا العمل في مجلة Nature، وتم تنفيذه بالتعاون مع ماركوس غرينر، أستاذ الفيزياء في جامعة هارفارد وزملاء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وشركة QuEra Computing، وهي شركة في بوسطن تأسست على التكنولوجيا من مختبرات جامعة هارفارد.
يعد هذا النظام أول عرض لتنفيذ خوارزمية واسعة النطاق على حاسوب كمي مصحح الأخطاء، ما يبشر بظهور حسابات كمومية مبكرة مرنة.
وصف لوكين هذا الإنجاز بأنه نقطة انعطاف محتملة شبيهة بالأيام الأولى في مجال الذكاء الاصطناعي؛ فقد بدأت أفكار تصحيح الخطأ الكمي والمرونة، والتي تم وضع نظرياتها منذ فترة طويلة، تؤتي ثمارها.
وقال لوكين: "أعتقد أن هذه إحدى اللحظات التي يتضح فيها أن شيئا مميزا للغاية قادم. على الرغم من أنه لا تزال هناك تحديات أمامنا، فإننا 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.
قالت كالدويل، القائمة بأعمال المدير المساعد لمديرية العلوم الرياضية والفيزيائية، التي دعمت البحث من خلال مراكز حدود الفيزياء التابعة لمؤسسة NSF وبرامج معاهد تحدي القفزة الكمية: "إن هذا الإنجاز هو بمثابة جولة قوة في هندسة الكم والتصميم. لم يقم الفريق بتسريع تطوير معالجة المعلومات الكمومية باستخدام الذرات المحايدة فحسب، بل فتح بابا جديدا لاستكشاف أجهزة الكيوبت المنطقية واسعة النطاق، التي يمكن أن تتيح فوائد تحويلية للعلم والمجتمع كله".
اظهار أخبار متعلقة
في الحوسبة الكمومية، البت الكمي أو "الكيوبت" هو وحدة واحدة من المعلومات، تماما 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 تعقيدا من مجرد تجميع عدد كبير بما فيه الكفاية من الكيوبتات، التي هي بطبيعتها غير مستقرة وعرضة للانهيار خارج حالاتها الكمومية.
العناصر المهمة هي ما يسمى الكيوبتات المنطقية: حزم من الكيوبتات الفيزيائية الزائدة عن الحاجة والمصححة للأخطاء، التي يمكنها تخزين المعلومات لاستخدامها في خوارزمية كمومية. إن إنشاء الكيوبتات المنطقية كوحدات يمكن التحكم فيها -مثل البتات الكلاسيكية- كان بمثابة عقبة أساسية أمام هذا المجال، ومن المقبول عموما أنه حتى تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية من العمل بشكل موثوق على الكيوبتات المنطقية، فلن تتمكن التكنولوجيا من الانطلاق حقا.
حتى الآن، أظهرت أفضل أنظمة الحوسبة واحدا 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 مصفوفة الذرات المحايدة، التي كان لمختبر لوكين الريادة فيها. ويتم الآن تسويقه بواسطة شركة QuEra، التي أبرمت مؤخرا 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 أو تندمج على شكل أزواج، أو "متشابكة"، في منتصف العملية الحسابية.
اظهار أخبار متعلقة
تشكل أزواج الذرات المتشابكة "بوابات منطقية"، وهي وحدات من القدرة الحاسوبية. في السابق، أظهر الفريق معدلات خطأ منخفضة في عمليات التشابك، ما يثبت موثوقية نظام المصفوفة الذرية المحايدة.
باستخدام المعالج الكمي المنطقي، يُظهر الباحثون الآن تحكما متوازيا ومتعدد الإرسال لمجموعة كاملة من الكيوبتات المنطقية، باستخدام الليزر. هذه النتيجة أكثر كفاءة وقابلية للتطوير من محاولة التحكم في الكيوبتات المادية الفردية.
قال المؤلف الأول للورقة دوليف بلوفشتاين، طالب الدكتوراه في كلية غريفين للفنون والعلوم، الذي يجري أبحاثه في مختبر لوكين: "نحن نحاول تحديد تحول في هذا المجال، نحو البدء في اختبار الخوارزميات باستخدام الكيوبتات المصححة للأخطاء بدلا من تلك المادية، وتمكين المسار نحو الأجهزة الأكبر حجما".
سيواصل الفريق العمل نحو إظهار المزيد من أنواع العمليات على 48 بتا منطقيا وتهيئة نظامهم للتشغيل بشكل مستمر، بدلا 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.
