حواسيب الكم تتقدم نحو العمل في درجات حرارة أعلى

لطالما عانى مجال حوسبة الكم من الحاجة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، تصل إلى أجزاء بسيطة من الدرجة فوق الصفر المطلق (0 كلفن أو -273.15 درجة مئوية). 

ويرجع ذلك إلى أن الظواهر الكمومية التي تمنح أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدراتها الحسابية الفريدة لا يمكن تسخيرها إلا من خلال عزلها عن حرارة العالم الكلاسيكي المألوف الذي نعيش فيه.

يتطلب البت الكمومي الواحد أو "الكيوبت"، وهو ما يعادل البت الثنائي "صفر أو واحد" في قلب الحوسبة الكلاسيكية، جهاز تبريد كبيرًا ليعمل. 

ومع ذلك، في العديد من المجالات التي نتوقع أن تحقق فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية اختراقات - مثل تصميم مواد أو أدوية جديدة - سنحتاج إلى أعداد كبيرة من الكيوبتات أو حتى أجهزة كمبيوتر كمومية كاملة تعمل بالتوازي.

من المتوقع أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي يمكنها إدارة الأخطاء وتصحيح نفسها، وهي ضرورية للحسابات الموثوقة، ضخمة الحجم. تستعد شركات مثل Google وIBM و PsiQuantum لمستقبل مستودعات كاملة مليئة بأنظمة التبريد وتستهلك كميات هائلة من الطاقة لتشغيل جهاز كمبيوتر كمومي واحد.

ولكن إذا كانت أجهزة الكمبيوتر الكمومية قادرة على العمل في درجات حرارة أعلى قليلاً، فقد يكون تشغيلها أسهل بكثير - ومتاحًا على نطاق أوسع. 

في بحث جديد نُشر في Nature، أظهر فريقنا أن نوعًا معينًا من الكيوبتات - دوران الإلكترونات الفردية - يمكن أن يعمل في درجات حرارة حول 1 كلفن، وهي أكثر سخونة بكثير من الأمثلة السابقة.

حقائق باردة وصعبة

تصبح أنظمة التبريد أقل كفاءة في درجات الحرارة المنخفضة. ومما يزيد الطين بلة، أن الأنظمة التي نستخدمها اليوم للتحكم في الكيوبتات هي عبارة عن فوضى متشابكة من الأسلاك تذكرنا بـ ENIAC وأجهزة الكمبيوتر الضخمة الأخرى في الأربعينيات، تزيد هذه الأنظمة من التسخين وتخلق اختناقات مادية لجعل الكيوبتات تعمل معًا.

كلما حاولنا حشر المزيد من الكيوبتات، زادت صعوبة المشكلة. عند نقطة معينة، تصبح مشكلة الأسلاك غير قابلة للتغلب عليها. 

بعد ذلك، يجب دمج أنظمة التحكم في نفس الرقائق مثل الكيوبتات. ومع ذلك، فإن هذه الإلكترونيات المتكاملة تستخدم طاقة أكبر - وتبدد حرارة أكثر - من الفوضى الكبيرة للأسلاك.

منعطف دافئ

 يوفر بحثنا الجديد طريقًا للمضي قدمًا، لقد أثبتنا أن نوعًا معينًا من الكيوبتات - نوع مصنوع من نقطة كمومية مطبوعة بأقطاب معدنية على السيليكون، باستخدام تقنية تشبه إلى حد كبير تلك المستخدمة في إنتاج الرقائق الدقيقة الحالية - يمكن أن يعمل في درجات حرارة حوالي 1 كلفن.

هذه درجة واحدة فقط فوق الصفر المطلق، لذا فهي لا تزال باردة للغاية. ومع ذلك، فهي أكثر دفئًا بشكل ملحوظ مما كان يعتقد سابقًا أنه ممكن. 

يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى تكثيف البنية التحتية للتبريد المترامية الأطراف إلى نظام واحد أكثر قابلية للإدارة. سيؤدي ذلك إلى تقليل تكاليف التشغيل واستهلاك الطاقة بشكل كبير.

ضرورة مثل هذه التطورات التكنولوجية ليست أكاديمية بحتة. المخاطر عالية في مجالات مثل تصميم الأدوية، حيث تعد الحوسبة الكمومية بإحداث ثورة في كيفية فهمنا للتراكيب الجزيئية والتفاعل معها.

تؤكد نفقات البحث والتطوير في هذه الصناعات، التي تصل إلى مليارات الدولارات، على وفورات التكلفة المحتملة ومكاسب الكفاءة من تقنيات الحوسبة الكمومية الأكثر سهولة.

احتراق بطيء

تقدم الكيوبتات "الأكثر سخونة" إمكانيات جديدة، ولكنها ستطرح أيضًا تحديات جديدة في تصحيح الأخطاء والتحكم. قد تعني درجات الحرارة المرتفعة زيادة في معدل أخطاء القياس، ما سيخلق صعوبات إضافية في الحفاظ على الكمبيوتر يعمل.

لا يزال الوقت مبكرًا في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية يومًا ما منتشرة مثل رقائق السيليكون اليوم، لكن الطريق إلى ذلك المستقبل سيكون مليئًا بالعقبات الفنية. يعتبر تقدمنا الأخير في تشغيل الكيوبتات في درجات حرارة أعلى خطوة أساسية نحو تبسيط متطلبات النظام.