طور باحثون سويديون مضخمًا ذكيًا رائدًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية يستهلك فقط عُشر الطاقة التي تتطلبها أفضل المضخمات المتاحة اليوم. يمكن لهذا التقدم الكبير من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا أن يحدث ثورة في الحوسبة الكمومية من خلال تمكين أنظمة بكيوبتات أكثر وأداء محسّن، مع تقليل فقدان التماسك الكمومي الذي يعاني منه النظم الكمومية الحالية.
يعمل المضخم المبتكر فقط عند قراءة المعلومات من الكيوبتات، مما يعالج أحد الاختناقات الحرجة في توسيع نطاق تقنية الحوسبة الكمومية. يمثل نهج التصميم الذكي هذا قفزة كبيرة إلى الأمام في السعي لبناء أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة قادرة على حل مشكلات معقدة للغاية.
لماذا تحتاج أجهزة الكمبيوتر الكمومية إلى مضخمات أفضل
تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام الكيوبتات (البتات الكمومية) بدلاً من البتات التقليدية الموجودة في أجهزة الكمبيوتر التقليدية. في حين أن البتات التقليدية يمكن أن تأخذ فقط قيم 0 أو 1، يمكن للكيوبتات أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد من خلال ظاهرة تسمى التراكب. تتيح هذه الخاصية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية معالجة كميات هائلة من المعلومات ومعالجة المشكلات التي يستحيل حلها حتى على أقوى أجهزة الكمبيوتر الفائقة التقليدية.
ومع ذلك، تتطلب قراءة المعلومات من الكيوبتات مضخمات موجات دقيقة شديدة الحساسية للكشف عن الإشارات الضعيفة التي تنتجها وتفسيرها. تولد هذه المضخمات حرارة، مما يتسبب في فقدان الكيوبتات لحالتها الكمومية—وهي مشكلة تعرف باسم فقدان التماسك الكمومي. مع توسع أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتشمل المزيد من الكيوبتات، تتفاقم مشكلة الحرارة، مما يخلق عقبة كبيرة أمام بناء أنظمة أكبر وأكثر قوة.
يشرح ين زينغ، طالب الدكتوراه في تكنولوجيا الموجات التيراهيرتز والميليمترية في جامعة تشالمرز والمؤلف الرئيسي للدراسة المنشورة في مجلة IEEE للمعاملات في نظرية وتقنيات الميكروويف: “هذا هو أكثر المضخمات حساسية التي يمكن بناؤها اليوم باستخدام الترانزستورات. لقد نجحنا الآن في تقليل استهلاك الطاقة إلى عُشر ما تتطلبه أفضل المضخمات المتاحة اليوم—دون المساس بالأداء.”
كيف يعمل المضخم الذكي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية
على عكس المضخمات التقليدية التي تظل نشطة باستمرار، يعمل المضخم الذكي الجديد الذي طورته جامعة تشالمرز في وضع النبضات. هذا يعني أنه ينشط فقط عند الحاجة لقراءة المعلومات من الكيوبتات ويبقى خاملاً بقية الوقت، مما يقلل بشكل كبير من إجمالي استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة.
واجه الفريق تحديًا كبيرًا في ضمان قدرة المضخم على التنشيط بسرعة كافية لمواكبة قراءة الكيوبت، حيث يتم نقل المعلومات الكمومية في نبضات قصيرة للغاية. للتغلب على هذه العقبة، نفذ الباحثون نهجًا مبتكرًا باستخدام البرمجة الجينية لتمكين التحكم الذكي في المضخم.
يقول زينغ: “استخدمنا البرمجة الجينية لتمكين التحكم الذكي في المضخم. ونتيجة لذلك، استجاب بشكل أسرع لنبضة الكيوبت الواردة، في 35 نانوثانية فقط.”
طور الباحثون أيضًا تقنية جديدة لقياس الضوضاء والتضخيم في مضخمات الميكروويف التي تعمل بالنبضات، مما سمح لهم بالتحقق من صحة نهجهم وضمان الأداء الأمثل.
آثار توسيع نطاق الحوسبة الكمومية
يمكن أن تكون الاختراقات في تكنولوجيا المضخمات حاسمة للتطوير المستقبلي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية بكيوبتات أكثر بكثير من الأنظمة الحالية. كما يوضح يان غران، أستاذ إلكترونيات الميكروويف في جامعة تشالمرز والمشرف الرئيسي على البحث: “تقدم هذه الدراسة حلاً في توسيع نطاق أجهزة الكمبيوتر الكمومية في المستقبل حيث تشكل الحرارة الناتجة عن مضخمات الكيوبت عاملاً محدودًا رئيسيًا.”
يعمل فريق تشالمرز ضمن [رابط داخلي إلى صفحة ذات صلة حول مركز والنبرج للتكنولوجيا الكمومية]، وهو برنامج بحثي وطني يعمل على تطوير التكنولوجيا الكمومية منذ سنوات عديدة. يعالج عملهم أحد التحديات الأساسية في الحوسبة الكمومية: كيفية قراءة المعلومات من الكيوبتات دون إزعاج حالاتها الكمومية الدقيقة.
مع دمج أجهزة الكمبيوتر الكمومية للمزيد من الكيوبتات، تزداد قوتها الحسابية بشكل أسي. يمكن لجهاز كمبيوتر كمومي بسعة 20 كيوبت أن يمثل أكثر من مليون حالة مختلفة في وقت واحد، مما يمكنه من معالجة مشكلات في تطوير الأدوية والتشفير والذكاء الاصطناعي واللوجستيات التي يتعذر حلها حاليًا. ومع ذلك، فإن هذا التوسع كان محدودًا بسبب التحديات التقنية بما في ذلك توليد الحرارة من المضخمات.
التطبيقات المستقبلية والتأثير المحتمل
يمكن لتقنية المضخم الذكي التي طورتها جامعة تشالمرز أن تسرع التقدم في مجالات متعددة يمكن أن تستفيد من أجهزة كمبيوتر كمومية أكثر قوة:
- اكتشاف وتطوير الأدوية: يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية محاكاة التفاعلات الجزيئية بدقة غير مسبوقة، مما قد يقلل من وقت وتكلفة تطوير أدوية جديدة.
- التشفير والأمن السيبراني: يمكن أن تؤدي قدرات الحوسبة الكمومية المعززة إلى طرق تشفير أكثر تطوراً مع تسليط الضوء على نقاط الضعف في الأنظمة الحالية.
- الذكاء الاصطناعي: قد تمكن الخوارزميات الكمومية من إحداث اختراقات في التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي المقيدة حاليًا بقيود الحوسبة التقليدية.
- تحسين سلسلة التوريد: يمكن حل مشكلات اللوجستيات المعقدة التي تتضمن متغيرات لا حصر لها بكفاءة أكبر، مما يقلل التكاليف والتأثير البيئي.
تمثل هذه التقنية أول عرض توضيحي لمضخمات أشباه الموصلات منخفضة الضوضاء لقراءة الكيوبتات في التشغيل النبضي التي تحافظ على الأداء مع تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير مقارنة بالحلول الحالية المتطورة.
الخلاصة: خطوة نحو حوسبة كمومية أكثر قوة
يمثل المضخم الذكي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الذي طوره باحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا تقدمًا كبيرًا في معالجة أحد التحديات الرئيسية في الحوسبة الكمومية. من خلال تقليل استهلاك الطاقة بنسبة 90٪ دون التضحية بالأداء، يساعد هذا الابتكار على التغلب على عقبة رئيسية في بناء أنظمة كمومية بكيوبتات أكثر وقدرات حسابية أكبر.
مع استمرار تطور أجهزة الكمبيوتر الكمومية وتوسع نطاقها، ستلعب الابتكارات مثل هذا المضخم الذكي دورًا حاسمًا في تحقيق الإمكانات الكاملة للتكنولوجيا. بالنسبة للمنظمات والباحثين المهتمين بتطورات الحوسبة الكمومية، تقدم هذه التطورات في جامعة تشالمرز لمحة واعدة عن مستقبل أنظمة كمومية أكثر قوة وعملية.