جوجل تحقق إنجازًا كبيرًا في مجال الحوسبة الكمومية

تشبه أجهزة الكمبيوتر الكمومية أمناء المكتبات إلى حدٍ ما: فكلاهما يكره الضوضاء.

بالمقارنة مع نظيراتها الكلاسيكية، تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية دقيقة وتحتاج إلى بيئة هادئة لإجراء حساباتها بسلام. ولكن حتى الفضاء الأكثر هدوءًا في الكون يتردد صداه مع الضوضاء الكمومية، وهي الحركة الحتمية للإلكترونات والتأثيرات الذرية الأخرى. إذا تمكن الفيزيائيون من قمع الأخطاء الكمومية الناجمة عن الضوضاء على جهاز كمبيوتر كمي كبير بما فيه الكفاية، فيمكنهم ذلك”https://www.scientificamerican.com/video/how-does-a-quantum-computer-work/”> إجراء بعض الحسابات، مثل المحاكاة الدقيقة للجزيئات، التي يصعب حلها بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

على الرغم من أن التحسينات التي تم إدخالها على الأجهزة تساعد، إلا أن أحد العناصر الأساسية هو تصحيح الأخطاء الكمومية (QEC)، وهي مجموعة من التقنيات لحماية المعلومات من هذا الضجيج الكمي. يقول مايكل نيومان، الباحث في مجال الحوسبة الكمومية في جوجل: “نحتاج إلى أن تكون الكيوبتات الخاصة بنا مثالية تقريبًا، ولا يمكننا تحقيق ذلك بالهندسة وحدها”.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال”http://www.scientificamerican.com/getsciam/”> الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

نشرت Google يوم الاثنين أحدث أبحاثها حول تصحيح الأخطاء”https://www.nature.com/articles/s41586-024-08449-y”> في المجلة طبيعة وأظهرت، لأول مرة، أنه يمكن قمع الأخطاء بشكل كبير مع زيادة حجم الكمبيوتر الكمي. يقول دانييل جوتسمان، عالم نظرية المعلومات الكمومية بجامعة ميريلاند، والذي لم يشارك في الدراسة: “عندما تقوم بإنشاء نظام أكبر وأكبر، فإنك تتحسن في تصحيح الأخطاء، ولكنك تتسبب أيضًا في المزيد من الأخطاء”. “عندما تجتاز هذا التحول، حيث يمكنك تصحيح الأخطاء بشكل أسرع مما تسببت فيه، فإن إنشاء أنظمة أكبر وأكبر يجعل الأمر أفضل.”

قام الباحثون في Google بإنشاء شريحة سيليكون تحتوي على 105 كيوبت،”https://www.scientificamerican.com/article/whats-a-qubit-3-ways-scientists-build-quantum-computers/”> نظائرها الكمومية إلى القطع الكلاسيكية. ثم قاموا بربط العديد من الكيوبتات المادية لتشكيل تكتل يسمى الكيوبت المنطقي. استمر الكيوبت المنطقي لأكثر من ضعف مدة أي كيوبت فردي يتكون منه، وكان لديه فرصة خطأ واحدة في الألف لكل دورة حسابية. (للمقارنة، معدل الخطأ في الكمبيوتر الكلاسيكي النموذجي هو حوالي واحد في 1,000,000,000,000,000,000 – صفر في الأساس).

تم نشر النتائج لأول مرة على”https://arxiv.org/abs/2408.13687″>خادم الطباعة المسبقة arXiv.org في أغسطس، لكن جوجل شاركت اليوم تفاصيل إضافية حول التكنولوجيا التي مكنت هذا التقدم: معالج كمي جديد يسمى Willow (ترقية إلى سابقه المسمى شجريًا، Sycamore). يقول جوليان كيلي، مدير الأجهزة الكمومية في جوجل والمؤلف المشارك في الورقة الجديدة: “إن الكيوبتات الجيدة حقًا هي الشيء الذي يتيح تصحيح الأخطاء الكمومية”.

Google ليست الشركة الوحيدة التي حققت خطوات كبيرة في تصحيح الأخطاء. في سبتمبر/أيلول، قام فريق مشترك من الباحثين في شركة مايكروسوفت وشركة Quantinuum، وهي شركة حوسبة كمومية مقرها في برومفيلد، كولورادو،”https://arxiv.org/abs/2409.04628″> تم نشر النتائج على arXiv.org والتي أظهرت أنه باستخدام الكيوبتات المصنوعة من الأيونات المحتجزة بواسطة الليزر، يمكنهم تشفير 12 كيوبتًا منطقيًا بمعدل خطأ يبلغ 2 في 1000.

حتى مع التقدم في تصحيح الأخطاء، فإن التطبيقات العملية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية غير محتملة على المدى القريب. تختلف التقديرات، لكن الإجماع بين العديد من الباحثين هو أنه لحل خوارزميات مفيدة أو إجراء عمليات محاكاة قوية للكيمياء، سيحتاج الكمبيوتر الكمي إلى مئات الكيوبتات المنطقية مع معدلات خطأ أقل من واحد في المليون تقريبًا.

كل هذا الضجيج

غالبًا ما يحافظ تصحيح الأخطاء الكلاسيكية على المعلومات عن طريق التكرار. إذا أرادت أليس إرسال الرسالة “1” إلى بوب، فيمكنها إرسالها في ثلاث نسخ، ونسخ الرقم 1 مرتين لإرسال “111”. بهذه الطريقة، حتى لو انقلبت الأمور قليلًا — مما أدى إلى “101” – فلا يزال بإمكان بوب أن يظن أن أليس كانت تقصد إرسال “1”. لكن نسخ المعلومات بهذه الطريقة محظور بموجب قوانين ميكانيكا الكم. لذلك، في التسعينيات، كان على الباحثين تطوير تصحيح الأخطاء لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. يقول جوتسمان: “علينا أن ننشر المعلومات بطريقة تجعل هناك تكرارًا، ولكن لا توجد نسخ”. مع نشر المعلومات على شكل كيوبت منطقي، يمكن الحفاظ عليها حتى لو تم فقدان كيوبت فعلي واحد بسبب الخطأ.

كان الباحثون ينفذون أكوادًا يمكنها اكتشاف الأخطاء وتصحيحها لعقود من الزمن، ولكن حتى وقت قريب، لم يكن هناك ما يكفي من الكيوبتات عالية الجودة. الآن وصلت الأجهزة أخيرًا إلى النقطة التي تستحق فيها البرنامج المثير للإعجاب. في عام 2022، استخدمت Google تصحيح الأخطاء في معالج Sycamore الخاص بها”https://www.scientificamerican.com/article/googles-quantum-computer-hits-key-milestone-by-reducing-errors/”> لخفض معدل الخطأ الإجمالي. لكن المعدل كان لا يزال خجولًا من عتبة رئيسية، لذا فإن إضافة المزيد من الكيوبتات المادية إلى الكيوبت المنطقي أدى إلى عوائد متناقصة. يقول نيومان، الذي شارك في تأليف الدراسة الجديدة بالإضافة إلى ورقة بحثية أولية حول نتائج عام 2022: “مع زيادة حجم الكيوبتات المنطقية، هناك المزيد من فرص الخطأ”.

يعود الفضل في التقدم الأخير إلى حد كبير إلى Willow، الذي يعمل على تحسين Sycamore بثلاث طرق رئيسية. أولاً، يحتوي Willow ببساطة على عدد أكبر من الكيوبتات الفيزيائية – 105، مقارنة بـ 72 في Sycamore. والمزيد من الكيوبتات الفيزيائية تعني كيوبتات منطقية أكبر. يقول كيلي: “لا يتعلق الأمر فقط بعدد الكيوبتات”. “كل شيء يجب أن يعمل في نفس الوقت.” ومن خلال تحسين عمليات التصنيع الخاصة بهم، تمكن كيلي وزملاؤه من تحسين جودة الكيوبتات الفردية: فالبتات الكمومية الخاصة بـ Willow أكثر قوة من تلك الخاصة بـ Sycamore: فهي تحافظ على حالتها الكمومية الدقيقة لمدة أطول بخمس مرات، ولها معدلات خطأ أقل.

لاختبار تصحيح الأخطاء، قام باحثو جوجل بتشفير كيوبتات منطقية أكبر وأكبر: كانت تتكون في البداية من شبكة 3×3 من الكيوبتات المادية، ثم تتكون من شبكة 5×5 وأخيراً مثلت شبكة 7×7. ومع نمو الكيوبتات المنطقية، انخفض معدل الخطأ بشكل حاد. يقول نيومان: “لقد رأيت هذه الأرقام، وفكرت: يا إلهي، هذا سينجح حقًا”.

الشعور بالحجم

أبدى الخبراء إعجابهم بنتائج Google على نطاق واسع. العلمية الأمريكية فحص تقارير مراجعة النظراء من أربعة حكام مجهولين. وخلص أحدهم إلى القول: “أعتقد أن هذا إنجاز رائع أثار حماسة المجتمع”. ووافقه آخر قائلا: “هذا واحد [of] أهم نتائج العام (إن لم يكن العقد) في المعلومات الكمومية التجريبية.

أبدى جرايم سميث، الباحث في المعلومات الكمومية بجامعة واترلو في أونتاريو، إعجابه بالنتيجة لأنها لا تختصر الأمور. ويقول: “إن التركيز على تصحيح الأخطاء هو الشيء الصحيح الذي ينبغي عمله”. “إنه تحسن حقيقي.” اعتمدت العديد من نتائج تصحيح الأخطاء السابقة على الاختيار اللاحق، أو ممارسة التخلص من عمليات التشغيل المليئة بالأخطاء لإنشاء معدل خطأ أقل بشكل مصطنع.

لا تزال هناك تحذيرات يجب اتخاذها، حتى مع نتيجة Google. تشير كريستا سفور، الباحثة في مجال الحوسبة الكمومية في مايكروسوفت، إلى أنه بمقياس آخر، لم يكن الخطأ واحدًا في 1000 بل واحدًا في 100. وردًا على الانتقادات، قال متحدث باسم جوجل إن “الرقم الدقيق … ليس كما هو”. مهم مثل الزيادة في الأداء مع زيادة الحجم. هذا هو الشيء الأساسي الذي يجعل هذا الأمر قابلاً للتطوير.

ال”https://www.scientificamerican.com/article/will-quantum-computing-ever-live-up-to-its-hype/”> الضجيج حول أجهزة الكمبيوتر الكمومية كانت هائلة. وفي أكثر أشكاله تطرفًا، يتضمن ادعاءات بأن الأجهزة ستفعل ذلك”https://www.noemamag.com/quantum-computing-could-make-cancer-more-like-the-common-cold/”>curه السرطان أو حل مشكلة تغير المناخ، أو حتى أنهم قاموا بإنشاء ثقب دودي. وكثيراً ما يتذمر الباحثون المسؤولون من أن هذه الضجة سوف تؤدي إلى توقعات عالية إلى حد غير معقول، بل وربما تؤدي حتى إلى “شتاء كمي”، حيث ينضب التمويل. تكشف أحدث نتائج تصحيح الأخطاء عن ضحية محتملة أخرى: يمكن استبعاد التقدم المثير للإعجاب حقًا – مثل هذا التقدم – دون تردد.