تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستحيلة حالياً حتى بالنسبة لأقوى الحواسيب الفائقة، بدءاً من تصميم أدوية جديدة وصولاً إلى نمذجة التفاعلات الكيميائية المعقدة. ومع ذلك، فإن هذه الآلات هشة للغاية؛ فالجسيمات المتناهية الصغر التي تستخدمها لتخزين المعلومات، والتي تسمى "الكيوبتات" (qubits)، تتأثر بسهولة بالحرارة أو الاهتزاز أو المجالات الكهرومغناطيسية الشاردة، مما يؤدي إلى فقدان بياناتها بشكل فوري تقريباً. لبناء حاسوب كمومي مفيد، يجب على العلماء حماية هذه الكيوبتات باستخدام تقنية تسمى "تصحيح الخطأ الكمومي". تتضمن هذه العملية تجميع العديد من الكيوبتات الفيزيائية معاً لتعمل ككيوبت "منطقي" واحد ومستقر، مع التحقق باستمرار من الأخطاء وإصلاحها قبل أن تنتشر. وتكمن المشكلة في أن هذه الحماية تتطلب كمية هائلة من الأجهزة الإضافية والتنسيق المعقد، مما يجعل الحاسوب غالباً بطيئاً جداً أو ضخماً بحيث يصعب استخدامه عملياً.

ومن بين الطرق العديدة التي يحاول العلماء من خلالها حل هذه المشكلة، برزت طريقة محددة تسمى "أكواد الدراجة ذات المسارين ثنائية المتغيرات" (bivariate bicycle codes) كخيار عالي الكفاءة. تستخدم هذه الأكواد نمطاً منتظماً ومتكرراً لتنظيم الكيوبتات، مما يحافظ على انخفاض العبء ويسمح بفحص سريع جداً للأخطاء. وفي الوقت نفسه، اكتسب نوع جديد من الأجهزة الكمومية القائمة على الذرات المتعادلة اهتماماً كبيداً؛ فبدلاً من استخدام الدوائر فائقة التوصيل أو الأيونات المحاصرة، تستخدم هذه الأنظمة الليزر للإمساك بذرات فردية في الهواء. ويمكن تحريك هذه الذرات بدقة عالية، مما يسمح للباحثين بإعادة ترتيب تخطيط الحاسوب أثناء التشغيل. وبينما يعد هذا التشكيل القابل لإعادة التكوين تطابقاً مثالياً مع الاتصالات المعقدة المطلوبة لأكواد الدراجة ثنائية المتغيرات، إلا أن هاتين التقنيتين لم يتم دمجهما بنجاح بعد. فقواعد تحريك الذرات صارمة: لا يمكن للذرات أن تقفز فوق بعضها البعض، ويجب أن تبقى في مناطق محددة للتفاعل بأمان. وبدون وسيلة للتنقل عبر هذه القواعد، لا يمكن تشغيل الأكواد الفعالة على الأجهزة المرنة.

لقد نجح فريق من الباحثين من جامعة رايس وجامعة نورث إيسترن في سد هذه الفجوة من خلال نظام جديد أطلقوا عليه اسم "بارك-إن-رايد" (Park-n-Ride). يعمل هذا النظام كمترجم، حيث يأخذ التعليمات المجردة لكود الدراجة ثنائي المتغيرات ويحولها إلى جدول زمني مادي صالح لمعالجات الذرات المتعادلة. لم يكتفِ الباحثون باقتراح نظرية فحسب، بل بنوا إطار عمل برمجياً كاملاً يحاكي العملية بأكملها، بدءاً من وضع الذرات وصولاً إلى تحريكها لإجراء القياسات. ويوضح عملهم أنه من الممكن تشغيل هذه الأكواد المتقدمة لتصحيح الخطأ على أنظمة الذرات المتعادلة دون انتهاك القيود الفيزيائية الصارمة للأجهزة. ومن خلال التخطيط الدقيق لكيفية تحرك الذرات وأماكن استقرارها، يمكن للنظام تنفيذ عمليات كمومية معقدة بسرعة أكبر بكثير مما تسمح به الطرق السابقة، مما يثبت أن هذا الجمع المحدد بين الكود والأجهزة هو أمر قابل للتطبيق.

يكمن جوهر المشكلة في القيود الفيزيائية لآلات الذرات المتعادلة. تستخدم هذه الحواسيب الليزر لحجز الذرات في شبكة، ولإجراء الحسابات، يجب تحريك الذرات إلى مواضع محددة للتفاعل. ومع ذلك، فإن التكنولوجيا المستخدمة لتحريكها، والمعروفة باسم "المنحرف الكهرو-بصري" (acousto-optic deflector)، لديها قاعدة صارمة: وهي أن أعمدة الذرات لا يمكنها عبور مسارات بعضها البعض. فإذا كان أحد أعمدة الذرات إلى يسار عمود آخر، فيجب أن يظل إلى يساره في جميع الأوقات؛ ولا يمكنه تجاوزه. هذا القيد يجعل من الصعب إجراء الاتصالات طويلة المدى المطلوبة لأكواد الدراجة ثنائية المتغيرات، والتي غالباً ما تحتاج إلى كيوبتات بعيدة عن بعضها لتلتقي وتتفاعل. علاوة على ذلك، يجب أن تظل الذرات ضمن مسافة معينة للتفاعل، وإذا اقتربت أكثر من اللازم من جيران غير مقصودين، يفشل التفاعل. وقد وجد الباحثون أن مجرد محاولة تحريك الذرات إلى وجهاتها المنطقية يؤدي غالốt إلى ازدحام مروري أو مناورات مستحيلة بموجب هذه القواعد.

ولحل هذه المشكلة، يقدم نظام "بارك-إن-رايد" طريقة جديدة للتفكير في تخطيط الحاسوب. فبدلاً من معاملة الذرات كسحابة واحدة فوضوية، ينظمها النظام في أعمدة رأسية، تماماً مثل المسارات على الطريق السريع. وداخل كل مسار، يمكن للذرات التحرك صعوداً وهبوطاً، لكن لا يمكنها تغيير المسارات أو عبور بعضها البعض. طور الباحثون استراتيجية لتحديد أي مجموعات من الذرات يجب أن تستقر في أي مسار. واستخدموا نهجاً رياضياً يبحث في أي الذرات تحتاج للتحدث مع بعضها البعض بشكل متكرر أكثر، ويضع تلك المجموعات في نفس المسار أو في مسارات مجاورة. هذا يقلل من المسافة التي يجب أن تقطعها الذرات للالتقاء، مما يقلل الوقت والطاقة المستهلكة في الحركة. وقد وُجد أن استراتيجية الوضع هذه، والتي يسمونها "التسلسل الطيفي" (spectral seration)، أفضل بكثير من مجرد وضع الذرات عشوائياً أو استخدام نهج "جشع" خطوة بخوة. وفي محاكاتهم، قلل هذا الوضع الذكي من الوقت الإجمالي المطلوب لتشغيل برنامج كمومي بنسبة تصل إلى 17.9 بالمائة مقارنة بالوضع العشوائي، وبنسبة 12.2 بالمائة مقارنة بالنهج الجشع القياسي.

بمجرد وضع الذرات، يجب على النظام إدارة حركتها. اكتشف الباحثون أن أكواد الدراجة ثنائية المتغيرات تتضمن الكثير من الإزاحة، حيث يتم تدوير نمط الكيوبتات بالكامل أو تحريكه في اتجاه معين. وفي النهج التقليدي، قد تتم هذه الإزاحات واحدة تلو الأخرى، وهو أمر بطيء. ومع ذلك، يقوم "بارك-إن-رايد" بتفكيك هذه الإزاحات إلى حركات أصغر ومتوازية؛ فهو يسم يسمح لأجزاء مختلفة من الحاسوب بالتحرك في اتجاهات مختلفة في وقت واحد، طالما تم احترام قاعدة "عدم العبور". ومن خلال تنسيق هذه التحركات بعناية، يمكن للنظام تنفيذ هذه الإزاحات بسرعة أكبر. وأظهرت المحاكاة أن هذا النهج المتوازي يسمح للحاسوب بإكمال مهام الإزاحة بسرعة أكبر بكثير مما لو كان يتعين عليه القيام بها بشكل متسلسل، مما يسرع دورة تصحيح الخطأ بأكملها بشكل فعال.

هناك تحدٍ حرج آخر يتمثل في إجراء القياسات بين مجموعات مختلفة من الذرات. للتحقق من الأخطاء، يجب جلب ذرات من مجموعتين مختلفتين معاً للتفاعل. يحل نظام "بارك-رايد" هذه المشكلة باستخدام آلية "الجسر" (bridge mechanism)؛ حيث يحرك صفاً خاصاً من الذرات من كل مجموعة إلى منطقة تفاعل مشتركة، حيث يمكنهما الالتقاء وإجراء الفحص اللازم. ويقوم النظام بجدولة هذه التحركات بحيث لا تصطدم الجسور ببعضها البعض. إنه يعامل الحركة مثل تدفق حركة المرور، مما يضمن أن يتحرك كل جسر خطوة واحدة في كل مرة نحو وجهته دون إعاقة الآخرين. وهذا يسمح بإجراء عمليات قياس متعددة في وقت واحد، بدلاً من الانتظار حتى تنتهي عملية واحدة قبل بدء الأخرى. وأظهرت النتائج أن هذه الطريقة قللت عدد الخطوات المطلوبة لهذه التفاعلات بنسبة تقارب النصف في الدوائر الأكبر، مما قلل بشكل كبير من الوقت الذي يقضيه الحاسوب في انتظار وصول الذرات إلى الموضع المطلوب.

اختبر الباحثون نظامهم باستخدام مجموعة متنوعة من الدوائر الكمومية المحاكات، بدءاً من إعدادات صغيرة مكونة من 32 وحدة وصولاً إلى إعدادات كبيرة مكونة من 113 وحدة. ووجدوا أنه كلما كبرت الدوائر، أصبحت فوائد وضعهم الذكي وحركتهم المتوازية أكثر وضوحاً. وفي أكبر عمليات المحاكاة، قلل النظام من وقت التشغيل الإجمالي بنسبة تقارب 40 بالمائة عند زيادة سعة الأعمدة، مما يظهر أن النهج يتوسع بشكل جيد. كما بحثوا في كيفية تعامل النظام مع فقدان الذرات، وهي مشكلة شائعة في هذه الآلات. ونظرًا لأن نظام "بارك-إن-رايد" يقلل من المسافة التي يجب أن تقطعها الذرات وعدد المرات التي يتم فيها تحريكها وإخراجها من المصائد، فإنه يقلل من احتمال فقدان الذرة أثناء العملية. وتشير حساباتهم إلى أن هذا النهج يمكن أن يقلل من العدد المتوقع للذرات المفقودة بأكثر من 40 بالمائة مقارنة باستراتيجية الوضع العشوائي، وهو عامل حاسم لبناء حواسيب كمومية موثوقة واسعة النطاق.

كما درست الدراسة كيفية تعامل النظام مع إنتاج الموارد الخاصة اللازمة للحسابات المعقدة، والمعروفة باسم "الحالات السحرية" (magic states). هذه الحالات تشبه الوقود للحاسوب الكمومي، ويجب إنتاجها باستمرار. قام الباحثون بنمذجة سيناريو حيث يمتلك كل عمود من الذرات مصنعاً صغيراً خاصاً به لإنتاج هذه الحالات. ووجدوا أنه من خلال إبقاء الإنتاج محلياً في كل عمود، يتجنب النظام خلق اختناقات تضطر فيها الآلة بأكملها لانتظار مصنع مركزي واحد. يضمن هذا التصميم قدرة الحاسوب على الاستمرار في العمل بسلاسة حتى مع زيادة الطلب على هذه الموارد الخاصة. وأظهرت المحاكاة أنه بينما تهم سرعة إنتاج هذه المصانع، فإن التصميم العمودي لـ "بارك-إن-رايد" يسمح للنظام بدمج هذا المتطلب دون إبطاء الحساب الرئيسي.

في النهاية، يوفر العمل الذي قام به فريق "بارك-إن-رايد" خارطة طريق عملية لدمج اثنين من أكثر التقنيات واعدة في الحوسبة الكمومية. إنه يوضح أن قواعد الحركة الصارمة لأنظمة الذرات المتعادلة لا يجب أن تكون عائقاً أمام تشغيل أكواد تصحيح الخطأ الفعالة. ومن خلال التصميم المشترك لتعليمات البرمجيات مع القيود الفيزيائية للأجهزة، نجح الباحثون في إنشاء نظام ليس سليماً من الناحية النظرية فحسب، بل وفعال من الناحية العملية أيضاً. وتؤكد محاكاتهم أنه مع التخطيط الصحيح، يمكن لحواسيب الذرات المتعادلة تنفيذ برامج كمومية معقدة بسرعة عالية ومعدلات خطأ منخفضة. وهذا يشير إلى أن الطريق نحو حاسوب كمومي وظيفي واسع النطاق قد يكمن في الأنظمة التي تمتلك المرونة لإعادة ترتيب نفسها، بشرط وجود دليل ذكي يوجهها في كيفية الحركة. وتقدم النتائج خطوة ملموسة للأمام، حيث تنقل المجال من النظرية المجردة إلى مخطط عملي للجيل القادم من الآلات الكمومية.