مستقبل المكونات الحاسوبية للكاينتات التي تستند إلى المواد الكيميائية

مقدمة: مسار الشبهات إلى نقطة الكينتوم

ويعاد تحديد كمية ما هو ممكن من الناحية الحسابية، مما يتيح سرعة هائلة للمشاكل التي لا تزال قابلة للاختراق بالنسبة للآلات الكلاسيكية، ومن بين النهج العديدة لبناء حاسوب كمي، ظهرت عناصر كمية شبه موصلية كمية كمية كمية كمية كمرشحة رئيسية للأجهزة القابلة للتكرار، ومن خلال استخدام المواد وتقنيات الصنع التي سبق أن تم تلفيقها صناعة شبه الموصلات الإلكترونية التقليدية.

(أ) تُقدّم أكواب الشبهات مزيجاً فريداً من أوقات الاتساق الطويلة، وخطّط مادي صغير، وتوافق مع عمليات التصنيع التي تقوم بها (المكوّنات التكميلية من أكسيد المعادن وشبه الناقل)

وتبحث هذه المادة الحالة الراهنة للعناصر الكمية شبه الموصلات، والتكنولوجيات الرئيسية التي تدفع التقدم، والتحديات التي لا تزال قائمة، والتطورات الواعدة التي ستشكل مستقبل هذا الميدان الحاسم.

الحالة الراهنة للمكونات الكمية

مكونات نصف الموصلات اليوم مبنية أساساً من السيليكون والألمانيوم، مواد مفهومة جيداً وتستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الكلاسيكية، أثبت الباحثون وجود كميات عالية من السيليكون باستخدام النُهج الشوكيّة والتصويرية،

وقد شهد الألمانيوم، الذي كان يهيمن على مواد شبه موصل قبل أن يطغى عليه السيليكون، تجدد في البحوث الكمية، ويمكن لأبار الطول الألماني أن تستضيف قمراً عمودية ذات انقسامات حادة في المدار العمود الفقري، مما يتيح عمليات سريعة ومتحكمة كهربائياً في الكميات، كما أظهر الباحثون نقاطاً كمية في الهياكل الهيمنية الألمانية التي تظهر تماسكاً طويلاً وخيارات في القراءتها.

بالإضافة إلى كل واحد من الأعشاب، تم إحراز تقدم كبير في بناء مجهزات كمية صغيرة الحجم ذات أكوام متعددة شبه موصلات، وقد أظهرت التجارب الأخيرة بوابات منطقية ذات مقاسين، وبوابات تافول ثلاثية، وأجهزة قياس كمية تؤدي خوارزميات بسيطة مثل البحث عن غروفر، وأجهزة تصنيع الصقور على نطاق صغير.

وتوفر البنية التحتية الحالية لصناعة شبه الموصلات ميزة قوية للعناصر الكمية القائمة على السيليكون، ويمكن تكييف المؤسسات التي تنتج رقائق CMOS بحيث تُصنع أجهزة كمية، مما يمكن من سرعة التوسع من بضع عشرات من الكيكات إلى آلاف أو الملايين، وتعمل عدة مجموعات من المؤسسات التجارية للبدء وأفرقة بحثية بالفعل مع مؤسسات تجارية لإنتاج مجهزات كمية، مما يدل على تحول من التجارب الأكاديمية إلى التنمية الصناعية.

التكنولوجيات الرئيسية التي تُنقل كميات من المواد الكيميائية

Silicon Spin Qubits

إن أكواخ السليكون العمودية هي أكثر تكنولوجيا الحوت شبه الناضجة، وهي تتألف عادة من إلكترون واحد أو حفرة محصورة في نقطة كمية تتكون من بوابات الكهروستاتيكية على صمامات السيليكون، وتُستخدم في حالة الجسيمات العمودية كحجر، حيث تُستخدم نبضات الموجات الدقيقة أو حقول المغناطيسية للتلاعب بالمعلومات الكمية.

وقد أظهرت التطورات الأخيرة أن الأسلاك الدوارة يمكن تشغيلها بدرجات حرارة فوق كيلفين، وهو خطوة هامة نحو خفض متطلبات التبريد الخفيف، وأن ارتفاع درجات الحرارة التشغيلية يبسط تصميم النظام الكيميائي ويخفض استهلاك الطاقة، مما يجعل الحواسيب الكميّة واسعة النطاق أكثر عملية، كما أظهر الباحثون أن الأكواخ العمودية يمكن أن تقترن بأجهزة إلكترونية للرقابة الكلاسيكية على الرقاقة نفسها، مما يقلل من تعقيد الإشارات المشتركة.

Silicon Photonic Qubits

ويستخدم نهج واعد آخر صور السيليكون في تشفير المعلومات الكمية في صور واحدة، ويُعدّ السيليكون منبرا ممتازا لدوائر التصوير الضوئي بسبب ارتفاع مؤشره الرجعي وتوافقه مع نسيج CMOS، وتمارس الأسييكون للأكواخ الضوئية في درجة حرارة الغرفة، وتقضي على الحاجة إلى التبريد المبرد، وهي تعرض مقاومة قوية للانحراف لأن الصور تتفاعل بشكل ضعيف مع بيئتها.

ويمكن أن تولد دوائر التصوير المتكاملة على رقائق السيليكون، وتتلاعب وتكتشف، مع استخدام مكونات مثل أجهزة الصمامات، وأجهزة الإرسال ذات القدرة الفوتوغرافية الواحدة، وأجهزة الإرسال المحتوية على أجهزة الكشف عن الفوتوغرافية الواحدة، وتستخدم هذه الدوائر بروتوكولات قياسية ذات سمات قياسية بصرية، بما في ذلك البوابات الافتراضية ذات درجة الحرارة العالية والكمية.

Germanium Hole Qubits

وقد اجتذبت مقادير العمود الفقري في آبار الغدد الصامتة الاهتمام لسرعة بوابة السرعات وارتفاع ضغط العمود الفقري القوي، وفي الغرمانيوم، يؤدي هيكل نطاق الورم إلى وجود دول ذات فتحات ثقيلة وثقوب خفيفة ذات خصائص متميزة، ويتيح التفاعل بين المدارات في هذه النظم التحكم في الحوت باستخدام الحقول الكهربائية فقط، دون الحاجة إلى حقول مغناطيسية تعمل بالموجات الدقيقة أو الميكروفيتس.

وقد أظهرت أحواض ثقب ثقب الألمان وجود خصومات من بوابة واحدة تزيد على 99.9 في المائة، وفترات التماسك التي تتجاوز 100 ثانية دقيقة، كما أظهر الباحثون أن النقاط الكمية من الغرمانيوم يمكن أن تقترن بمسافات عدة مئات من النانومترات، مما يتيح التفاعلات الطويلة المدى بين الحوت، وقدرة نسيج آبار الغدة الألمانية على أفرعية من الأسمدة باستخدام تقنيات الصنع القياسية.

التحديات التي تواجه التنمية

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ في العناصر الكمية لشبه الموصلات، لا تزال هناك تحديات كبيرة عديدة قبل أن تتمكن هذه النظم من تحقيق إمكاناتها الكاملة، إذ تشمل هذه المسائل علوم المواد، وهندسة الأجهزة، وهيكل النظم.

الاتساق والاتساق

إن الاتساق في الكمية، والقدرة على الحفاظ على حالة كمية غير مقلقة، شرط أساسي لحساب الكمي، بينما يتأثر معامل التحلل الكيميائي بالارتباط من تقلبات الكهرباء والمغنطيسي، ويتسبب في حدوث تداخلات بين المواد المحيطة، وتفاعلات بين العمود الفقري مع العمود الفقري النووي، بينما يؤدي تذبذب طبقة السيليكون الفوقية إلى خفض كبير في عوامل الانقطاع النووي.

ويعالج الباحثون ضوضاء الشحنات من خلال تحسين نوعية المواد، وتقنيات قياسات الأجهزة المثلى، وتقنيات قمع الأخطاء الدينامية، وقد أدى استخدام الهياكل المحتوية على تداخلات حادة من السيليكونيوم إلى خفض الضوضاء على الشحنات في بعض النظم بأكثر من ترتيب من الحجم، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي تسلسلات صدى الصوت وأساليب التشفير الدينامية إلى توسيع فترات التماسك عن طريق التصفية من عناصر الضوضاء المنخفضة التردد.

معدلات الرعب والإصلاح

أما معدلات الخطأ في أشجار شبه الموصلات، وإن كانت مثيرة للإعجاب، فإنها لا تزال تتجاوز العتبات المطلوبة في حساب كمي مسبب للخطأ مع رموز تصحيح الأخطاء القياسية، وأخطاء البوابة التي تراكمت أثناء عمليات الكمية، وأخطاء القياس تقلل من قيمة القراء، وعادة ما تكون لأحدث الفقاعات شبه الموصلية أخطاء في البوابات ذات المدار الواحد مقارنة بنسبة 0.1 في المائة وبوابة رقم واحد.

ويتوقف التقدم المحرز في خفض معدلات الخطأ على التقدم المحرز في المواد، وهندسة البوابات، وتقنيات التحكم، كما أن تحسين تجانس ممتلكات الحوت عبر رقاقة، والحد من التقاطع بين الأكواخ المجاورة، والارتقاء بأشكال النبض إلى الحد الأمثل يمكن أن يسهم في انخفاض معدلات الأخطاء، كما أن تصحيح الأخطاء الكمية يتطلب أيضا زيادة كبيرة في عدد الأكوام المادية لكل قرن منطقي، مما يجعل الهدف المتوازي من تحديد الكميات.

التكامل مع النظم الكلاسيكية

ويجب أن يدمج الحاسوب الكمي العملي الكميات المحتوية على أجهزة إلكترونية تقليدية للمراقبة والقراءة، وهذا التكامل يمثل تحديات هندسية كبيرة، فالالكترونيات الكلاسيكية تولد ضوضاء حرارية وكهربية يمكن أن تزعج الولايات الكميّة، وكثافة الأسلاك اللازمة للسيطرة على ملايين الكيكبات هائلة، وتثير الإشارات من أجهزة التحكم في حرارة الغرف إلى الأكوام الخفيفة تخلق الحمولة الحرارية والض.

فالإلكترونيات CMOS المسببة للسرطان، التي تصمم للعمل في درجات حرارة تقل عن أربعة كيلفين، توفر حلاً، ويمكن وضع هذه الدوائر المتخصصة بالقرب من الحوائط، مما يقلل من تعقيد الأسلاك ويحسن سلامة الإشارات، غير أن تصميم دوائر إدارة الأمن المركزية التي تعمل في درجات حرارة مبردة يتطلب نماذج دقيقة لسلوك المقاولات، وهو ما يتغيّر بدرجة كبيرة عند درجات حرارة منخفضة، وقد أظهرت عدة مجموعات بحثية أساسية مزيداً من الرقابة وأجهزة القراء.

المتطلبات الخلقية

وتحتاج معظم كميات شبه الموصلات إلى تشغيلها عند درجات حرارة ميليكلفين، تحقق باستخدام ثلاجات التحلل، وهذه التلويثات معقدة ومكلفة وتستهلك طاقة كبيرة، وقد تقتصر قدرة التبريد عند درجات حرارة المطاحن على بضعة مليوتات، مما يضع قيودا صارمة على تفكيك الطاقة الكهربائية للأجهزة الإلكترونية للمراقبة والوصلات البيطرية.

مستقبل المكونات الكمية للسامية

ويمكن أن تعيد عدة تطورات واعدة تشكيل مستقبل حاسوب نصف موصل، وتشمل أوجه التقدم في المواد، والاختلاق، وهيكل النظام، وتصحيح الأخطاء التي يمكن أن تؤدي معا إلى فتح الطريق أمام آلات قياس الكمي التي تتسامح مع الأخطاء، ولديها قدرات عملية.

تحسين المواد والقابلات

إن الابتكارات في مجال نقاء المواد وهندسة الوصل البيني ستستمر في تعزيز استقرار التوابع واتساقها، وقد ثبت بالفعل أن من الضروري إدخال مزيد من التحسينات في نقاء وبلورة طبقات السيليكون والألمانيوم، إلى جانب تحسين الرقابة على الوصلات الفيزيائية، سيزيد من الحد من الضوضاء.

ويستكشف الباحثون أيضا المواد الديكلية البديلة وتقنيات التسرب السطحي للتقليل إلى أدنى حد من العيوب، ويجري استخدام الترسيب على طبقات الطاقة الذرية وخط الشعاع الجزيئي في خلق وصلات بينية دقيقة ذروياً تحجب تقلبات الشحنات، وستترجم هذه السلف المادية مباشرة إلى انخفاض معدلات الأخطاء وعمليات الأكواب الموثوقة.

Scalable Fabrication Using CMOS Infrastructure

إن رفع مستوى عمليات التصنيع شبه الموصلات الحالية هو أحد أكثر المزايا إلحاحا لنهج شبه الموصلات في حساب الكمي، فالأكاديم التي تنتج رقائق متقدمة من طراز CMOS تعمل على نطاقات قصوى، وتعالج مئات الشوائب في الساعة مع ختان على مستوى النانومترات، ويمكن أن يؤدي تكييف هذه المرافق لتصنيع أجهزة كمية إلى إنتاج رقائق تحتوي على ملايين من أنواع تصنيع الأكواب في شكل من خطوط التكلفة المتخصصة.

وقد أعلنت عدة شركات حاسوبية كمية عن التعاون مع مؤسسات شبه موصلة لإنتاج رقائق اختبار ومجهزات كمية صغيرة، وقدرة على استخدام خطوات عملية قياسية مع إدخال تعديلات طفيفة ستكون أساسية لتحقيق التكلفة وكسب الأهداف اللازمة للتسويق، ومع نضج عمليات التصنيع، يمكننا أن نتوقع أن نرى أجهزة تصنيع كمية مصنّفة إلى جانب نظم إلكترونية تقليدية متكاملة في نفس النظام الغذائي، مما سيخلق بالفعل.

النظم الهجينة المشتركة بين طرائق المدار

ولا يمكن لأي تكنولوجيا أحواض أن تحل كل تحد في حساب الكمي، فالنظم الهجينة التي تجمع بين أحواض شبه الموصلات وطرائق أخرى، مثل الخيوط السطحية، أو الأيوني المحصورة، أو الوصلات الضوئية، يمكن أن توفر قدرا أكبر من الصلاحية والأداء، ويمكن أن تستخدم أحواض سميكة كثافة عالية، بينما توفر تكنولوجيات أخرى وصلات سريعة أو طويلة المدى.

إن واجهات الفوتوغرافيات ذات الفول السوداني هي مجال نشط جداً للبحث، إذ إن التقارب بين كمية شبه موصلة إلى صورة واحدة، يمكن نقل المعلومات الكمية على الكابلات البصرية الألياف، مما يتيح استخدام الحواسيب الكمية الموزعة وشبكات الكمي، وقد أظهرت التجارب الأخيرة وجود تداخل بين العمود الفقري باستخدام دفاتر السيليكون والغاليوم الموزعة، مما وضع الأساس لأجهزة إعادة التكرار الكمية.

السلف في تصحيح الزور

إن تصحيح الأخطاء الكمي أمر أساسي لبناء حواسيب كمية تحمل أخطاء، فالرمز السطحي، ومخطط تصحيح الأخطاء الرئيسية بالنسبة للعديد من من منابر القمح، يتطلب بوابات عالية التكوين، ومجموعة من الكميات ثنائية الأبعاد، ومنتجات شبه مجهزة بطبيعة الحال بصنع الخيوط، مما يجعلها مناسبة جيدة لتنفيذ المواد شبه الملوِّثة، وقد أظهرت التجارب الأخيرة وجود دورات قابلة للتطبيق.

وبالإضافة إلى الرمز السطحي، يجري وضع رموز جديدة لتصويب الأخطاء وتقنيات الاستخدام الأمثل التي يمكن أن تقلل من النفقات العامة التي تتطلبها المعونات من أجل التسامح إزاء الأخطاء، كما أن مدونات التعادل في الكثافة المنخفضة، ومدونات مُحدَّدة، ومدونات مصممة خصيصاً تستغل خصائص الضوضاء المحددة من قِبَلَم الموصلات شبه الموصلات يمكن أن تُحدث تحسينات كبيرة.

الآثار المترتبة على التكنولوجيا والمجتمع

ونظراً إلى أن المكونات الكمية شبه القائمة على الموصلات ناضجة وحجمية، فإنها ستفتح تطبيقات تحويلية عبر مجالات متعددة، وقدرة حل المشاكل التي يمكن استخلاصها بالنسبة للحواسيب الكلاسيكية ستؤدي إلى تحقيق إنجازات في مجالات العلم والهندسة والتجارة.

التشفير والاتصالات المضمونة

أجهزة الكمبيوتر الكهرومغناطيسية تشكل تهديدا مباشرا للعديد من النظم المكبوتية التي تؤمن الاتصالات الرقمية اليوم، يمكن لجهاز تشويش (شور) أن يُضمّن المُبيدات الكبيرة ويُحسب لوغاريتمات مُختلّفة في زمن التعددية، ويكسر نظام الأشعة فوق البنفسجية وجهاز التبريد المغناطيسي، بعد أن يصلوا إلى النطاق اللازم، يمكن أن يُنفذوا هذه الهجمات ضد عالم الواقع.

وفي الوقت نفسه، توفر التكنولوجيات الكمية نُهجا جديدة للأمن، ويستخدم التوزيع الرئيسي الكمي مبادئ الميكانيكيات الكمية لتوليد مفاتيح آمنة لا يمكن اعتراضها دون الكشف، كما أن إدماج الكميات شبه الموصلية مع المكونات الضوئية يمكن أن يتيح محطات توزيع رئيسية مدمجة فعالة من حيث التكلفة لشبكات الاتصالات الآمنة.

الكشف عن المخدرات وعلوم المواد

إن برمجيات الحواسيب الكهرمائية في محاكاة النظم الكميّة، مما يجعلها أدوات قوية لعلم الكيمياء والمواد، وتبسيط التفاعلات الجزيئية وآليات التفاعل، يشكل تحديا أساسيا في اكتشاف المخدرات، ويتطلب حسابا دقيقا لطاقات الترابط الكهربائي، وتكافح الحواسيب الكلاسيكية بهذه الحسابات للجميع باستثناء أصغر الجزيئات، مما يحد من سرعة تطوير المخدرات.

ويمكن لمجهزي المواد شبه الموصلية أن يحيّزوا جزيئات المخدرات، والحفازات، ومواد البطاريات التي لها الدقة اللازمة لتوجيه التصميم التجريبي، وتقوم شركات الصيدلانية ومنظمات البحث في المواد باستكشاف خوارزميات كمية من المحاكاة الجزيئية، بما في ذلك تقدير الكم الاختلافي للهيكل الكمي وتقديرات المرحلة الكميّة.

Climate Modeling and Complex Systems

وتعتمد نماذج المناخ على حل النظم المعقدة للمعادلات التي تصف العمليات الجوية والمحيطية والبريّة، ويعمل العديد من هذه العمليات على نطاقات لا يمكن حلها بالكامل في المحاكاة التقليدية، مما يؤدي إلى تقريبات تُحدث عدم اليقين، ويمكن للحواسيب الكمية أن تحاكي الديناميات السوائل، وردود الفعل الكيميائية، والنقل الإشعاعي بقدر أكبر من الدقة، مما يؤدي إلى تحسين القدرة التنبؤية للنماذج المناخية.

فبخلاف المناخ، يمكن أن يؤدي الحساب الكمي إلى تحويل نماذج الأسواق المالية وسلاسل الإمداد والنظم البيولوجية، وقدرة على تحقيق الحد الأمثل من النظم الكبيرة التي تعاني من عدم اليقين، باستخدام الخوارزميات مثل التحلل الكمي أو خوارزميات التقارب الكمي، يمكن أن تحسن اللوجستيات، وتخصيص الموارد، وإدارة المخاطر.

شبكات الاتصالات الآمنة والكم

كما يمكن أن تكون نفس الكميات شبه الموصلية التي تشكل جوهر المجهزات الكمية بمثابة عقد في شبكات الكمي، وتوزع هذه الشبكات التشابك بين المواقع النائية، وتتيح التوزيع الكمي الرئيسي، وتوزع كميا، وتحسب كميا، وتعميق الكم العمي، وتمتد الوصلات بينات نصف الصوتية، حيث يقترن الكب بتوزيع واحد مصور، وهي مجموعة من المباني الطبيعية.

ومع نمو الشبكات الكميّة، فإنها ستربط الحواسيب الكمية، والمجسات، ونقاط نهاية الاتصالات بشبكة إلكترونية كمية، ويمكن لهذه الهياكل الأساسية أن تدعم التطبيقات الجديدة أساساً، مثل تأمين الوصول إلى أجهزة التصنيع الكمي النائية، وتزامن ساعات العمل إلى ما يتجاوز الحدود الكلاسيكية، وشبكات الاستشعار الكمي المعززة للرصد الجيوفيزيائي والتصوير الطبي، وتطوّر صناعات شبه الموصلات الفنية في الآبار والصور الإلكترونية.

خاتمة

وتمثل المكونات الكمية القائمة على المواد الكيميائية أحد أكثر الطرق واعدة نحو حساب كمي عملي قابل للتكرار، ومن خلال البناء على البنية التحتية والخبرة الفنية لصناعة شبه الموصلات، يعمل الباحثون والشركات على إنشاء مجهزات كمية يمكن تصنيعها على نطاق واسع، وإدماجها في الإلكترونيات الكلاسيكية، ونشرها في تطبيقات العالم الحقيقي، وقد أحرز هذا المجال تقدما ملحوظا في عمليات تحديد النطاقات العالية.

ولا تزال التحديات قائمة في مجال الاتساق بين الأعشاب ومعدلات الأخطاء والتكامل مع النظم الكلاسيكية والمتطلبات المسببة للبرد، ومع ذلك فإن مسار التقدم واضح، إذ أن تحسين المواد وعمليات الصنع المتصاعدة، وهيكل النظام الهجين، والتقدم المحرز في تصحيح الأخطاء، كلها أمور متطابقة لمعالجة هذه التحديات، والتوقعات المتعلقة بحسابات نصف الموصلات الكمية مشرقة، والتكنولوجيا تسير على طريق تحقيق ميزة كمية عملية في العقد المقبل.

ومع تطور هذه المكونات، فإنها ستغير الترميز واكتشاف المخدرات وعلم المواد ونموذج المناخ والاتصالات المأمونة، وسيكون الأثر الاجتماعي عميقا، وستعيد تشكيل الصناعات، وتسمح باكتشافات تتجاوز الخيال اليوم، ويجري بناء مستقبل حاسوب الكمي شبه الموصل في المختبرات والمؤسسات في جميع أنحاء العالم، وسيشكل وصوله فصلا جديدا في تاريخ الحساب.

For further reading on the progress and challenges in semiconductor quantum computing, see the Nature review of silicon quantum computing, the overview of germanium hole qubits from the Materials for Quant