A Chip-scale Space-time Multiplexed Gaussian Boson Sampling Processor Beyond 10,000 Photons

في السباق لبناء آلات يمكنها حل مشكلات مستعصية على الحواسيب الفائقة اليوم، اتجه العلماء منذ فترة طويلة نحو الضوء. فبدلاً من استخدام الكهرباء للتحرك عبر رقائق السيليكون كما في الحواسيب التقليدية، تستخدم هذه الآلات الجديدة تدفقات من الفوتونات، أو جسيمات الضوء، لحمل المعلومات. وتعد "أخذ عينات بوزون غاوسي" (Gaussian boson sampling) واحدة من أكثر الطرق واعدة للقيام بذلك. تخيل متاهة معقدة تدخل فيها جسيمات الضوء من طرف وتنعكس عن المرايا وتنقسم عبر مسارات قبل أن تخرج من الطرف الآخر. ولأن جسيمات الضوء تتصرف بطرق كمومية غريبة، يمكنها اتخاذ مسارات عديدة في وقت واحد، مما يخلق نمطاً من المخارج يصعب التنبؤ به أو حسابه بشكل لا يصدق. ورغم أن هذا قد يبدو كأنه لعبة حظ بسيطة، إلا أن العدد الهائل من النتائج المحتملة ينمو بسرعة كبيرة لدرجة أن أقوى الحواسيب الفائقة في العالم ستستغرق آلاف السنين لمعرفة النتيجة. وهذه الصعوبة هي ما يسميه الباحثون "الميزة الكمومية"، وهي علامة فارقة تثبت أن الآلة قد تجاوزت حدود الحوسبة الكلاسيكية. ومع ذلك، كان بناء هذه الآلات القائمة على الضوء صراعاً؛ فقد اعتمدت المحاولات السابقة على طاولات ضخمة مليئة بالمرايا والعدسات المنفصلة التي كان يجب ضبطها يدوياً بدقة متناهية. كانت هذه الإعدادات هشة، وغير مستقرة، وصعبة التوسع، مما جعل من الصعب تحويلها من مجرد فضول مختبري إلى أداة عملية.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من التغلب على هذه العقبات عبر تقليص النظام بأكمله إلى شريحة واحدة، لإنشاء جهاز يمكنه التعامل مع عدد هائل من جسيمات الضوء في جزء من الثانية. ويصف هذا العمل، المنشور في دراسة جديدة، أول نظام على مقياس الشريحة يستخدم خدعة ذكية تسمى "تعدد الإرسال في الزمان والمكان" (space-time multiplexing) لخلط الضوء في المكان والزمان معاً. فبدلاً من الحاجة إلى غرفة ضخمة مليئة بالمعدات، بنى الباحثون شبكة من المسارات الصغيرة، والمرايا، والمفاتيح مباشرة على شريحة رقيقة من "نيوبات الليثيوم"، وهو بلور خاص معروف بقدرته على التحكم في الضوء بسرعات عالية. تعمل هذه الشريحة كمصنع للضوء، حيث تُرسل النبضات عبر حلقات وتتقسم عبر مسارات مختلفة، وكل ذلك يتم التحكم فيه بواسطة إشارات كهربائية تعمل وتتوقف مليارات المرات في الثانية. والنتيجة هي آلة ليست فقط مستقرة ومدمجة، بل قادرة أيضاً على توليد ورصد أكثر من عشرة آلاف جسيم ضوئي في ميلي ثانية واحدة. وهذا النطاق يتجاوز بكثير ما حققه أي نظام سابق قائم على الشرائح، مما يدفع حدود الممكن في الحوسبة القائمة على الضوء.

أمضى الباحثون، بقيادة فريق من جامعة شانغهاي جياو تونغ وشركة تورينج كيو (TuringQ)، سنوات في إتقان عملية التصنيع لضمان خلو الشريحة من العيوب. لقد أنشأوا خط إنتاج مخصصاً لصناعة هذه الأجهزة على شرائح كبيرة، مع تحسين كل خطوة بعناية لتقليل فقدان الضوء أثناء انتقاله عبر الدوائر الصغيرة. وتعمل الأداة النهائية بسرعة ساعة تبلغ 4 جيجاهرتز، مما يعني أنها تعالج البيانات أربع مليارات مرة في الثانية. ولاختبار قدراتها، قاموا بحقن "الضوء المضغوط" (squeezed light) -وهي حالة خاصة يتم فيها إعداد جسيمات الضوء بطريقة تعزز سلوكها الكمومي- داخل الشريحة. ثم سافر الضوء عبر شبكة معقدة من "المداخل الضوئية" (interferometers)، وهي أجهزة تقسم وتدمج موجات الضوء، وحلقات تأخير تحتفظ بالضوء لجزء ضئيل من الثانية. وبحلول الوقت الذي وصل فيه الضوء إلى الكواشف في النهاية، كان النظام قد ولد عدداً هائلاً من أحداث الرصد، حيث احتوت أكبر عينة منفردة على 11,059 فوتوناً. وهذا الرقم مهم لأنه كبير جداً لدرجة أن محاكاة النتيجة على حاسوب كلاسيكي ستكون مستحيلة عملياً، مما يؤكد أن الآلة قد وصلت بالفعل إلى مستوى من التعقيد يتحدى الحساب التقليدي.

ولإثبات أن الآلة تعمل حقاً كجهاز كمومي وليس مجرد محاكاة للنتائج باستخدام خدعة كلاسيكية أبسط، أجرى الفريق فحوصات صارمة. فقد قارنوا أنماط الضوء التي رصدتها آلتهم بما تنبأت به النظرية بالنسبة لنظام كمومي حقيقي، وكذلك بما سيحدث إذا كان الضوء مجرد حرارة عادية أو ليزر قياسي. وطابقت النتائج التنبؤات الكمومية بشكل شبه مثالي، بينما تم استبعاد الاحتمالات الأخرى بوضوح. كما استخدموا أساليب إحصائية لإثبات أن البيانات التي ولدتها الآلة ناتجة حقاً عن العملية الكمومية المعقدة التي صمموها، وليس من نموذج زائف أو مبسط. وأكدت هذه الاختبارات أن النظام ينتج الحالات الكمومية الصحيحة وعالية التعقيد، مما يثبت الإنجاز الهندسي المتمثل في دمج المبدلات عالية السرعة، وخطوط التأخير، وشبكات الكشف، جميعها على شريحة واحدة صغيرة.

وفضلاً عن مجرد إثبات عمل الآلة، أظهر الباحثون أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تكون مفيدة لأكثر من مجرد الحسابات المجردة. فقد أعادوا تهيئة نفس الشريحة لتعمل كـ "نموذج عالمي" (world model)، وهو نوع من أنظمة الذكاء الاصطناوي التي تتعلم التنبؤ بكيفية تغير الأنظمة الفيزيائية بمرور الوقت. واختاروا مشكلة فيزيائية كلاسيكية: الأنماط الدوامية للهواء والضغط الناتجة عن مرور الرياح بجانب أسطوانة، والمعروفة باسم "شارع دوامات كارمان" (Kármán vortex street). تمت برمجة الشريحة لالتقاط لقطات لمجال الضغط هذا، وتذكر تاريخ التدفق باستخدام حلقات الضوء الداخلية، ثم التنبؤ بشكل الضغط بعد لحظة. وعند مقارنتها ببرنامج حاسوبي قياسي مصمم لنفس المهمة، قدم النظام القائم على الضوء تنبؤات أكثر دقة مع استخدام عدد أقل بكثير من الإعدادات القابلة للضبط لتعلم النمط. وهذا يشير إلى أن الطريقة الفريدة التي يختلط بها الضوء ويتذكر المعلومات على الشريحة يمكن أن توفر وسيلة قوية لحل المشكلات المعقدة في الفيزياء والهندسة، مما ينقل التكنولوجيا من مجرد عرض للسرعة إلى أداة للاكتشاف في العالم الحقيقي.

يمثل نجاح هذا المشروع نقطة تحول في مجال الحوسبة الكمومية الضوئية. فلقد كان التحدي لسنوات يتمثل في بناء أنظمة ليست كبيرة بما يكفي لإظهار الميزة الكمومية فحسب، بل مستقرة وقابلة للبرمجة بما يكفي لتكون مفيدة أيضاً. ومن خلال دمج كل شيء في شريحة واحدة واستخدام عملية تصنيع يمكن توسيع نطاقها، أظهر الباحثون أن هذه الآلات يمكن بناؤها بالموثوقية والمرونة اللازمتين للتطبيقات المستقبلية. إن القدرة على التحكم في الضوء بهذه السرعة والدقة تفتح الباب أمام جيل جديد من الأجهزة التي يمكنها معالجة مشكلات في علوم المواد، ونمذجة المناخ، والذكاء الاصطناعي. ومع استمرار نضوج التكنولوجيا، مع خطط لدمج المزيد من المكونات مثل مصادر الضوء والكواشف مباشرة على الشريحة، فإن رؤية حاسوب كمومي متعدد الاستخدامات وقابل للبرمجة مبني على قطعة واحدة من السيليكون أصبحت واقعاً ملموساً.