Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
تُقدم هذه الورقة تقريراً عن الاختبار المرجعي التجريبي لـ Zeus-256، وهو معالج كمي بـ 256 كيوبت يعتمد على مراكز النيتروجين في الألماس (NV-diamond) ويعمل في درجة حرارة الغرفة، ويستخدم ناقلاً كمياً جزيئياً حيوياً قابلاً للبرمجة ضوئياً بطريقة مبتكرة، وقد نجح في تنفيذ خوارزميات معقدة بما في ذلك خوارزمية شور للأعداد الصحيحة ذات الـ 84 بت وبروتوكولات التشابك عالية الدقة، رغم أنه لم يثبت بعد التفوق الكمي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تعد الحوسبة الكمومية بحل مشكلات مستعصية حالياً حتى على أقوى الحواسيب الفائقة، لكن بناء آلة قادرة على القيام بذلك أمر صعب للغاية. يكمن التحدي الجوهري في الحفاظ على استقرار المعلومات الكمومية الحساسة. ففي العديد من الأنظمة، تفقد الجسيمات الدقيقة المستخدمة لتخزين البيانات، والتي تسمى "الكيوبتات" (qubits)، خصائصها المميزة فوراً إذا ارتفعت حرارتها أو تفاعلت مع بيئتها. وهذا يجبر العلماء عادةً على تبريد آلاتهم إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، مما يتطلب أنظمة تبريد ضخمة ومعقدة. وهناك عقبة أخرى تتمثل في ربط هذه الكيوبتات؛ فمن أجل إجراء عملية حسابية، يجب أن تتواصل الكيوبتات مع بعضها البعض، ولكن في العديد من التصاميم، لا يمكنها التواصل إلا مع جيرانها المباشرين فقط. ولإيصال المعلومات من جانب واحد من الشريحة إلى الجانب الآخر، يتعين على الكمبيوتر تمرير البيانات عبر سلسلة طويلة من الجيران، مما يبطئ كل شيء ويؤدي إلى حدوث أخطاء. والسؤال الذي كان الباحثون يطرحونه هو ما إذا كان من الممكن بناء حاسوب كمومي كبير ومفيد يعمل في درجة حرارة الغرفة، ويمكنه ربط أي جزء من دماغه بأي جزء آخر دون هذه السلاسل البطيئة والمعرضة للخطأ.
لقد أظهر فريق من الباحثين الآن نوعاً جديداً من المعالجات الكمومية التي تعمل في درجة حرارة الغرفة وتستخدم مادة بيولوجية فريدة لحل مشكلة الاتصال. فقد بنوا جهازاً يسمى "Zeus-256"، يحتوي على 256 وحدة معالجة نشطة، أو كيوبتات منطقية، مرتبة في شبكة. وخلافاً للأنظمة الأخرى التي قد تعيد استخدام عدد صغير من الكيوبتات بمرور الوقت لمحاكاة آلة أكبر، فإن كل وحدة من هذه الوحدات الـ 256 هي وحدة نشطة وتعمل في آن واحد. بُني المعالج على بلورة ماسية صغيرة تحتوي على مراكز "نيتروجين-فجوة" (nitrogen-vacancy centers)، وهي عيوب صغيرة في بنية الماس تعمل ككيوبتات. يتم التحكم في هذه العيوب باستخدام الموجات الدقيقة والموجات الراديوية، بينما تُقرأ حالتها باستخدام الضوء. أما الابتكار الأكثر أهمية، فهو كيفية تواصل الكيوبتات مع بعضها البعض؛ فبدلاً من الاعتماد على الأسلاك الفيزيائية أو تحريك الكيوبتات، وضع الباحثون طبقة خاصة من مادة قائمة على البروتين فوق الماس. تعمل هذه الطبقة كجسر قابل للبرمجة، أو "ناقل كمومي" (quantum bus)، يمكن ضبطه بالضوث لربط أي اثنين من الكيوبتات، حتى تلك البعيدة عن بعضها في الشريحة. وهذا يسمح للحاسوب بإجراء عمليات معقدة دون التأخيرات المعتادة الناتجة عن المسافة.
اختبر الباحثون هذه الآلة عبر تشغيل مجموعة واسعة من الخوارزميات الكمومية القياسية لمعرفة مدى أدائها. وقد نجحوا في تنفيذ دوائر مصممة لإنشاء حالات متشابكة معقدة، والبحث عن أنماط محددة، وإجراء حسابات رياضية. وتضمنت إحدى الاختبارات الأكثر إثارة للإعجاب خوارزمية شهيرة لإيجاد عوامل الأعداد الكبيرة، وهي مهمة مركزية في علم التشفير الحديث. قام الفريق بتشغيل هذه الخوارزمية على 11 رقماً مختلفاً، تراوحت من أعداد صحيحة مكونة من 8 بتات وصولاً إلى رقم ضخم مكون من 84 بتّاً. وبالنسبة لأكبر رقم، والذي تطلب عمل جميع الكيوبتات الـ 256 معاً، سجلت الآلة علامة "استعادة العامل" (factor recovery) للمرة الأولى بعد 10 محاولات. ومع ذلك، لا تفصح الدراسة عن القواسم المحددة التي تم العثور عليها، أو عدد مرات النجاح لكل محاولة فردية، أو احتمالية النجاح لكل محاولة. وقد استغرقت العملية بأكملها لهذه الحسابات الصعبة ما يزيد قليلاً عن نصف ثانية. وفي اختبار آخر، أنشأت الآلة نوعاً معيناً من الحالات شديدة التشابك تشمل جميع الكيوبتات الـ 256 في وقت واحد. وعندما قاسوا جودة هذه الحالة، وجدوا أنها تطابق الهدف النظري المثالي بدقة تقارب 99.9 بالمائة، مما يشير إلى أن المعلومات الكمومية ظلت مستقرة بشكل ملحوظ رغم بيئة درجة حرارة الغرفة.
كما قامت الدراسة بقياس الوقت الذي استغرقته الآلة لإكمال هذه المهام. ووجد الباحثون أن الوقت المستغرق لتشغيل برنامج ما يعتمد بشكل أكبر على تعقيد التعليمات والبنية المحددة للحساب أكثر من اعتماده على العدد الإجمالي للكيوبتات المستخدمة. فعلى سبيل المثال، استغرقت بعض الحسابات التي تستخدم عدداً أقل من الكيوبتات وقتاً أطول بكثير من حسابات أخرى تستخدم عدداً أكبر، لمجرد أن التعليمات كانت أكثر تعقيداً. وهذا يشير إلى أن سرعة المعالج تتحدد بكيفية ترجمة البرمجيات إلى النبضات الفيزيائية التي تتحكم في الماس، وليس فقط بحجم السجل. كما تحقق الفريق من أن الآلة تتصرف حقاً بطريقة كمومية من خلال قياس الارتباطات بين أزواج من الكيوبتات. وأظهرت النتائج مستوى من الاتصال يستحيل تحقيقه بالفيزياء الكلاسيكية، مما أكد أن الجهاز يعمل كنظام كمومي حقيقي.
وعلى الرغم من أن هذه الآلة تمثل خطوة هامة للأمام، إلا أن الباحثين حذروا من ما حققته وما لم تحققه بعد. فقد ذكروا صراحة أن هذا العمل لا يثبت بعد أن الآلة يمكنها حل المشكلات بشكل أسريد من أفضل الحواسيب الكلاسيكية، وهو الإنجاز المعروف باسم "التفوق الكمومي" (quantum advantage). كما أن بيانات التوقيت المقدمة هي مقياس لسرعة التنفيذ الداخلية للمعالج ولا تشمل الوقت اللازم لترجمة كود المستخدم أو الوقت اللازم لجمع الضوء وتحليله. ويعد جهاز الكيوبتات الـ 256 هو أكبر نسخة بنوها واختبروها حتى الآن. كما وصفوا هدفاً هندسياً مستقبلياً لتوسيع نطاق هذا التصميم نفسه ليصل إلى ما يقرب من 10,000 كيوبت، لكنهم أوضحوا أن هذه النسخة الأكبر لم تُبنَ بعد. ويعتمد النجاح الحالي على مادة بيولوجية مملوكة لجهة معينة تعمل كطبقة اتصال، والتي لا يتم الكشف عن تركيبها الكيميائي الدقيق. ومع ذلك، فإن حقيقة أن آلة تستخدم هذا النهج يمكنها تنسيق 256 كيوبت في درجة حرارة الغرفة وإجراء تفاعلات معقدة بعيدة المدى، تشير إلى مسار قابل للتطبيق نحو حواسيب كمومية أكبر وأكثر عملية لا تتطلب تبريداً شديداً. إن هذا العمل يثبت أن الجمع بين الكيوبتات القائمة على الماس، وذاكرة السبين النووي، والجسر البيولوجي المتحكم فيه بالضوء، يمكن أن يخلق معالجاً كمومياً وظيفياً يعمل في درجة حرارة الغرفة وقادراً على التعامل مع مهام حسابية جوهرية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.