مايكروسوفت ترسم خارطة الطريق للحوسبة الكمية الفعالة

أعلنت مايكروسوفت، من خلال فريق Azure Quantum، عن خطتها المستقبلية لتطوير نظام فعال لتصحيح الأخطاء في الحوسبة الكمية، في خطوة تهدف إلى تقريبنا من الحوسبة الكمية القابلة للاستخدام الفعلي. ورغم أن الشركة تعمل على تطوير أجهزتها الخاصة، إلا أن منصة Azure Quantum تلعب دور الوسيط التقني، حيث تتيح للمستخدمين الوصول إلى أنواع متعددة من أجهزة الحوسبة الكمية من شركات مختلفة.

تصحيح الأخطاء عبر هندسة متعددة الأبعاد

اختارت مايكروسوفت نظاماً لتصحيح الأخطاء يناسب تقنيات كمية متنوعة، مع استبعاد تقنيتها الخاصة في الوقت الحالي. ووفقاً لما أعلنته، يمكن لهذا النظام تحويل وحدات الكيوبت الفيزيائية التي تعاني من معدل خطأ يبلغ 1 في 1000، إلى كيوبتات منطقية بمعدل خطأ أقل يصل إلى 1 في المليون. ويعتمد هذا النظام على نماذج رياضية ومحاكاة حاسوبية، دون أن يتم اختباره بعد على أجهزة فعلية.

واختارت مايكروسوفت نموذجاً هندسياً يعتمد على مكعب رباعي الأبعاد لتصحيح الأخطاء، مستفيدة من قدرة بعض أنواع الأجهزة على تشكيل اتصالات مرنة بين الكيوبتات، كما هو الحال في أجهزة شركة Atom Computing التي يمكنها تحريك الذرات بحرية.

الفارق بين شرائح السيليكون والذرات الطافية

تتشابه هذه الخطة جزئياً مع خطة IBM، التي تصنع كلاً من البرمجيات والأجهزة الخاصة بها، وتستخدم شرائح تعتمد على أسلاك ثابتة تربط بين الكيوبتات. بينما تعمل مايكروسوفت مع شركات مثل Quantinuum وAtom Computing، التي تبني أجهزة تعتمد على ذرات أو أيونات يمكن نقلها بحرية، مما يسمح بإنشاء أنماط اتصال أكثر تعقيداً.

وعلى عكس رقائق السيليكون التي تشبه السطح المستوي في الهندسة، فإن الذرات المحصورة تمكّن من تشكيل بنى هندسية أكثر تعقيداً تشبه الفضاءات ذات الأبعاد العليا. هذا ما دفع مايكروسوفت لاختيار أكواد رباعية الأبعاد، حيث تسمح ببناء شبكات تصحيح أخطاء أكثر كفاءة.

كفاءة عالية وتقنيات واعدة

تركّز الخوارزمية المقترحة على تقسيم الكيوبتات الفيزيائية إلى وحدات تؤدي أدواراً مختلفة. بعض الكيوبتات تحتفظ بالقيم، في حين تُستخدم أخرى لقياسات ضعيفة تسمح بالكشف عن التغييرات دون إفساد حالة التراكب الكمي. يمكّن هذا النوع من القياسات النظام من تصحيح الأخطاء مع الحفاظ على البيانات الكمية.

وتدّعي مايكروسوفت أن نظامها يتميز بكونه "أحادي الخطوة"، أي أنه يحتاج إلى عدد قليل جداً من دورات القياس لاكتشاف وتصحيح الأخطاء. يُعد هذا ميزة كبيرة، لأن القياسات المتكررة يمكن أن تسبب مزيداً من الأخطاء، خصوصاً في أجهزة تعتمد على ذرات يتم تسخينها أثناء القياس وتحتاج إلى إعادة تبريدها.

تفاصيل تقنية وحسابات معقدة

يشرح البحث الذي نشرته مايكروسوفت تفاصيل هندسية معقدة حول كيفية تكوين الأكواد الرباعية الأبعاد، مثل استخدام 96 كيوبتاً فيزيائياً لتكوين 6 كيوبتات منطقية، بمستوى حماية يمكنه تحمل حتى 8 أخطاء في الوقت نفسه. وبالمقارنة، تستخدم IBM حالياً 144 كيوبتاً فيزيائياً لتكوين 12 كيوبتاً منطقياً بمسافة 12، مما يتيح تصحيحاً أكثر قوة.

وتتميز الخوارزمية أيضاً بقدرتها على إجراء كل العمليات الأساسية اللازمة للحوسبة الكمية، بما في ذلك العمليات المعروفة مثل "الجراحة الشبكية" و"تقطير الحالة السحرية"، رغم أسمائها الطريفة، إلا أنها تمثل تقنيات معقدة تتيح الوصول إلى حوسبة كمية شاملة.

العقبة الكبرى: نقص العتاد المناسب

رغم وضوح التصميم النظري، لا تزال مايكروسوفت تنتظر الأجهزة المناسبة لاختبار الخوارزمية بشكل عملي. فالأنظمة المتوفرة حالياً مثل IonQ وQuantinuum لا تتجاوز 56 كيوبتاً، بينما يتطلب النموذج المقترح 96 كيوبتاً على الأقل. وحتى أكبر نظام حالياً في متناول Azure، وهو جهاز من PASQAL بسعة 100 كيوبت، بالكاد يستوعب النموذج دون أي هامش للخطأ.

تتطلع مايكروسوفت إلى الجيل القادم من أجهزة Atom Computing، والتي تُبنى حالياً بشراكة مباشرة مع الشركة. ومن المقرر أن تصل هذه الأجهزة إلى 1200 كيوبت فيزيائي، ثم إلى أكثر من 10,000 في التحديثات المستقبلية، مما يفتح الباب لتشغيل ما يصل إلى 100 كيوبت منطقي مع حماية عالية ودقة متقدمة.

وقد بدأت Atom Computing فعلياً باختبار ما يُعرف بالقياسات داخل الحلقة (midcircuit measurements)، وهي عمليات قياس دقيقة تُجرى خلال الحساب دون التسبب في انهيار الحالة الكمية. وكشفت النتائج الأولية أن حوالي 1٪ من الذرات تضيع أثناء القياس، لكن النظام قادر على استبدالها تلقائياً من خزان احتياطي.

تحديات مستقبلية: الليزر هو الفيصل

تبقى العقبة الأكبر هي التكنولوجيا التي تعتمد عليها هذه الأجهزة: الليزر. كل خطوة في هذا النوع من الحوسبة الكمية تعتمد على دقة واستقرار الليزر، من الإمساك بالذرات وتحريكها، إلى قياسها وتبريدها. لكن بما أن الليزر يُصنع غالباً من أطراف خارجية، فإن مستقبل هذه الأجهزة يعتمد على مدى قدرة الموردين على تلبية متطلبات الأداء العالية.

تضع مايكروسوفت، من خلال هذا الإعلان، حجر الأساس لمستقبل الحوسبة الكمية القابلة للاستخدام العملي، لكن الطريق لا يزال طويلاً. ومع الشراكات القوية والتصاميم المتقدمة، يبدو أن المعركة الحقيقية ستكون في انتظار أجهزة تليق بهذه الطموحات.