أمازون ويب سيرفيسز تُعلن عن شريحة الحوسبة الكمومية الجديدة

أعلنت شركة أمازون ويب سيرفيسز (AWS) الرائدة عالمياً في مجال الحوسبة السحابية عن إطلاق شريحة الحوسبة الكمومية Ocelot من الجيل الأول، والتي يمكنها خفض تكاليف الحد من الأخطاء الكمومية بنسبة تصل إلى 90%. وطورها فريق في مركز أمازون ويب سيرفيسز للحوسبة الكمومية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، مما يمثل إنجازاً في مسيرة بناء أجهزة الحوسبة الكمومية لتصحيح الأخطاء القادرة على حل المشكلات ذات الأهمية التجارية والعلمية، والتي تُعدّ مَهَمة صعبة على الحواسيب التقليدية المتوفرة اليوم.

استخدمت أمازون ويب سيرفيسز تصميماً جديداً لبنية شريحة Ocelot، حيث تم بناء عملية تصحيح الأخطاء بشكل شامل باستخدام نوعاً من تقنيات الكيوبت الكمومية تسمى كيوبِت Cat qubit والتي سميت على اسم تجربة القط الفكرية الشهيرة لشرودنجر. وتعمل كات كيوبِت بشكل أساسي للحد من أشكال معينة من الأخطاء، مما يبسط ويقلل من تصحيح الأخطاء الكمومية المطلوبة. وأثبتت أمازون ويب سيرفيسز مع شريحة Ocelotأنها قادرة على دمج تقنية كات كيوبِت ومكونات تصحيح الأخطاء الكمومية الإضافية في شريحة دقيقة يمكن تصنيعها باستخدام عمليات مستعارة من قطاع الإلكترونيات.

ويُظهِر التاريخ أن التطورات المهمة في الحوسبة تحققت من خلال إعادة التفكير بشكل أساسي في مكونات الأجهزة، حيث يمكن أن يكون لهذا تأثير كبير على التكلفة والأداء وحتى جدوى التقنيات الجديدة. وحصلت النقلة النوعية في الحوسبة فعلياً عندما حل الترانزستور محل الصمام المُفرغ، مما أتاح تقليص حجم الحواسيب التي كانت بحجم غرفة إلى الحواسيب المحمولة الصغيرة والأكثر قوة وموثوقية والأقل تكلفة التي نعرفها اليوم. ويعد اختيار  البنية المناسبة للتوسع أمراً بالغ الأهمية، ويمثل إعلان اليوم خطوة مهمة في تطوير وسائل فعالة للتوسع إلى أجهزة حوسبة كمية عملية وقادرة على تصحيح الأخطاء.

قال أوسكار بينتر، مدير قسم أجهزة الحوسبة الكمومية لدى أمازون ويب سيرفيسز: “نلاحظ أنه مع التطورات الأخيرة في أبحاث الكم، لم يعد الأمر يتعلق بما إذا كانت أجهزة الحوسبة الكمومية التي تصحح الأخطاء ستكون متاحة لتطبيقات العالم الحقيقي، بل يتعلق بموعد توفرها. وتشكل شريحة Ocelotخطوة مهمة في هذه الرحلة. وقد تكلف الرقائق الكمومية المبنية وفقاً لشريحة Ocelot في المستقبل ما يصل إلى خُمس تكلفة الحلول المتوفرة اليوم، وذلك استخدامها لعدد منخفض بشكل كبير من الموارد المطلوبة لتصحيح الأخطاء. ونؤمن بأن هذا من شأنه أن يسرع وتيرة الجدول الزمني الذي نحتاجه لإنتاج حاسوب كمومي عملي خلال خمس سنوات”.

نشر باحثو أمازون ويب سيرفيسز نتائجهم في ورقة بحثية تمت مراجعتها من قبل أقرانهم في مجلة Nature. ويمكنكم أيضاً قراءة مقال أكثر تقنية حول شريحة Ocelot على موقع Amazon Science [ADD LINK]. 

التحدي الرئيسي للحوسبة الكمومية:

تكمن أحد أكبر التحديات التي تواجه أجهزة الحوسبة الكمومية في كونها حساسة بشكل لا يصدق لأصغر التغييرات أو “الضوضاء” في بيئتها. ويمكن للاهتزازات والحرارة والتداخل الكهرومغناطيسي من الهواتف المحمولة وشبكات WiFi، أو حتى الأشعة الكونية والإشعاع من الفضاء الخارجي، أن تُخرج البتات الكمومية عن حالتها الكمومية، مما يتسبب في حدوث أخطاء في الحوسبة الكمومية التي يتم إجراؤها. وجعل هذا من الصعب للغاية بناء أجهزة حوسبة كمومية يمكنها إجراء حسابات موثوقة وخالية من الأخطاء بأي تعقيد كبير.

قال بينتر: “لا يقتصر التحدي الأكبر على بناء المزيد من وحدات البت الكمومية، بل يتمحور حول جعلها تعمل بشكل موثوق”.

ولحل هذه المشكلة، تستخدم أجهزة الحوسبة الكمومية في تصحيح الخطأ الكمومي ترميزات خاصة للمعلومات الكمومية عبر وحدات بِت متعددة في شكل وحدات بت “منطقية” لحجب المعلومات الكمومية عن البيئة. ويتيح هذا أيضاً اكتشاف الأخطاء وتصحيحها أثناء حدوثها. ولسوء الحظ، ونظراً للعدد الهائل من البتات الكمومية المطلوبة للحصول على نتائج دقيقة، فإن الأساليب الحالية لتصحيح الأخطاء الكمومية متوفرة بتكلفة باهظة. 

نهج جديد لتصحيح الأخطاء الكمومية:

قام الباحثون في أمازون ويب سيرفيسز بتطوير شريحة Ocelot لمعالجة المشاكل الحالية المرتبطة بتصحيح الأخطاء الكمومية. وتم تصميم Ocelot من البداية مع تضمين تصحيح الأخطاء فيها. وقال بينتر: “نظرنا إلى الطريقة التي تعامل بها الآخرون مع تصحيح الأخطاء الكمومية وقررنا اتباع مسار مختلف. فلم نأخذ بنية موجودة مسبقاً ونحاول دمج خاصية تصحيح الأخطاء بها بعد ذلك، بل اخترنا البِت الكمومي والبنية مع تصحيح الأخطاء الكمومية كمتطلب أساسي” “نعتقد أنه إذا كنا سنصنع أجهزة كمبيوتر كمية عملية، فإن تصحيح الأخطاء الكمية يجب أن يأتي أولاً.” وحسب ما قاله بينتر، يُقدّر فريقه أن توسيع نطاق شريحة Ocelot إلى “حاسوب كمومي كامل قادر على التأثير المجتمعي التحويلي” سيتطلب ما لا يقل عن عُشر الموارد المرتبطة بأساليب تصحيح الأخطاء الكمومية القياسية.

تعتبر إحدى الطرق للتفكير في التصحيح الكمي هي وضعه في سياق مراقبة الجودة في التصنيع، والفرق أنه يحتاج إلى نقطة تفتيش واحدة لتصحيح جميع العيوب، بدلاً من 10 نقاط تفتيش. بعبارة أخرى، يقدم التصحيح الكمي نفس النتيجة لكن بموارد أقل وعملية تصنيع محسنة بشكل عام. ومن خلال تقليل كمية الموارد المطلوبة عبر حلول تقنية مثل شريحة Ocelot، يمكن بناء أجهزة حوسبة كمومية أصغر وأكثر موثوقية وبتكلفة أقل. ويسرع كل هذا مسيرة استخدام الحوسبة الكمومية في التطبيقات المستقبلية في العالم الحقيقي، مثل اكتشاف وتطوير الأدوية بشكل أسرع وإنتاج المواد الجديدة والقدرة على تقديم تنبؤات أكثر دقة حول المخاطر واستراتيجيات الاستثمار في الأسواق المالية، وغير ذلك الكثير.

وعلى الرغم من أن إعلان اليوم يمثل بداية واعدة، إلا أن شريحة Ocelot لا تزال نموذجاً أولياً. وتلتزم أمازون ويب سيرفيسز بمواصلة الاستثمار في البحث الكمي وتحسين نهجها. قال بينتر: “تتبنى أمازون ويب سيرفيسز نهجاً مشابهاً للحوسبة الكمومية يماثل الطريقة التي استغرقت سنوات عديدة من التطوير والتعلم لتشغيل أنظمة x86 (بنية حاسوب واسعة الاستخدام لوحدات المعالجة المركزية) بشكل موثوق وآمن على نطاق واسع لبناء Graviton في واحدة من الرقائق الرائدة في السحابة. بدأنا مسيرتنا للتو ونؤمن بأن لدينا عدة مراحل توسع أخرى يجب أن نمر بها. وهي مشكلة صعبة للغاية وسوف نحتاج إلى الاستمرار في الاستثمار بالبحث والبقاء على اتصال بالأعمال المهمة التي يتم إجراؤها في الأوساط الأكاديمية والتعلم منها. وتتمثل مهمتنا في الوقت الحالي في الاستمرار بالابتكار في مجموعة الحوسبة الكمومية وفحص ما إذا كنا نستخدم البنية الصحيحة ودمج هذه الدروس في جهود التصميم لدينا، لتستمر عجلة التحسين المستمر والتوسع”.

كيفية البدء في استخدام الحوسبة الكمومية:

يستطيع العملاء البدء في استكشاف الحوسبة الكمومية اليوم باستخدام Amazon Bracket. وتعتبر Amazon Braket خدمة حوسبة كمومية مُدارة بالكامل تتيح للعلماء والمطورين والطلاب العمل مع مجموعة من أجهزة الحوسبة الكمومية التابعة لجهات خارجية وأجهزة محاكاة عالية الأداء ومجموعة من أدوات البرامج التي تسهل البدء في استخدام الحوسبة الكمومية.

حقائق سريعة عن شريحة Ocelot

• Ocelot هي عبارة عن نموذج من الشريحة صغيرة الحجم، مصممة لاختبار فعالية بنية تصحيح الأخطاء الكمومية الخاصة بأمازون ويب سيرفيسز
• تتكون من شريحتين صغيرتين متكاملتين من السيليكون. وتبلغ مساحة كل شريحة حوالي 1 سم². ويتم ربطهما فوق بعضهما البعض في مجموعة شرائح متصلة كهربائياً.
• توجد على سطح كل شريحة صغيرة من السيليكون طبقات رقيقة من المواد فائقة التوصيل التي تشكل عناصر الدائرة الكمومية.
• تتكون دوائر Ocelot من 14 مكوناً أساسياً: 5 بِتات كمومية للبيانات (كات كيوبت) و5 “دوائر عازلة” لتثبيت البتات الكمومية للبيانات و4 بتات كمومية إضافية للكشف عن الأخطاء في البتات الكمومية للبيانات.
• تخزن البتات الكمومية للبينات الحالات الكمومية المستخدمة في الحوسبة. وللقيام بذلك، تعتمد على مكونات تسمى المذبذبات، والتي تولد إشارة كهربائية متكررة بتوقيت ثابت.
• تصنع مذبذبات Ocelot عالية الجودة من طبقة رقيقة فائقة التوصيل من مادة تسمى التنتالوم. وطور علماء المواد في أمازون ويب سيرفيسز طريقة محددة لمعالجة التنتالوم على شريحة السيليكون لتعزيز أداء المذبذبات.

كيف تعمل أجهزة الحوسبة الكمومية؟

تتمتع أجهزة الحوسبة الكمومية بالقدرة على إنجاز التطويرات الضخمة في المجتمع والتكنولوجيا، بدءاً من التشفير إلى تصميم المواد الجديدة. ويكمن الفرق الرئيسي بين أجهزة الحوسبة التقليدية أو “الكلاسيكية” التي نستخدمها اليوم وأجهزة الحوسبة الكمومية بأن أجهزة الحوسبة التقليدية تستخدم البِتّات، والتي يتم تمثيلها عادةً بقيمة رقمية 1 أو 0 كأبسط وحدة معلومات، بينما تستخدم أجهزة الحوسبة الكمومية البِتّات الكمومية أو “الكيوبتات” عادةً الجسيمات الأولية مثل الإلكترونات أو الفوتونات لإجراء الحسابات. ويمكن للعلماء تطبيق نبضات كهرومغناطيسية موقوتة ومضبوطة بدقة للتلاعب بما يسمى “الحالة الكمومية” للكيوبت، حيث يمكن أن يكون 1 و 0 في نفس الوقت. وعندما يتم تنفيذ هذا السلوك المذهل في العديد من البتات الكمومية، مما يسمح لجهاز الحوسبة الكمومي بحل بعض المشاكل المهمة بشكل أسرع بكثير مقارنةً بما يستطيع جهاز الحوسبة التقليدي.