اخترع الفيزيائيون حاسوبًا كميًا مزودًا بذاكرة اهتزازية

تم اختراع واختبار كمبيوتر كمي مزود بذاكرة اهتزازية في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ. ونشرت المجلة نتائج التجارب علوم.

لقد تعمد الفيزيائيون اتخاذ أجهزة الكمبيوتر الرقمية الكلاسيكية، التي يقوم فيها المعالج المركزي بمعالجة البيانات المخزنة بشكل منفصل في ذاكرة الوصول العشوائي، كنموذج للهندسة المعمارية الجديدة. الاختلافات في طريقة تخزين المعلومات.

ويقول البروفيسور يوين تشو، الذي قاد البحث: “في ذاكرة الوصول العشوائي الكمومية، لا يتم تخزين المعلومات كهرومغناطيسيا، كما هو شائع اليوم، ولكن على شكل اهتزازات ميكانيكية”.

ولإجراء العمليات الحسابية، يصل الكيوبت إلى جزء محدد من المعلومات – أي اهتزاز محدد – في الذاكرة الكمومية، ويعالجها ويعدلها، ثم يعيد كتابتها.

يقول الفيزيائي: “بشكل أكثر تحديدًا، تحتوي رقاقتنا الكمومية على ما يسمى بالرنانات الميكانيكية، وهي مكونات صغيرة تهتز عندما يتم تخزين المعلومات فيها”.

مثلما تنتج أوتار الجيتار نغمات مختلفة اعتمادًا على كيفية اهتزازها، يمكن أن تهتز الرنانات أيضًا بعدة طرق مختلفة، تسمى الأوضاع. في لغة علوم الكمبيوتر، تتوافق هذه الأوضاع مع عدد خلايا الذاكرة المتوفرة.

حالات Qubit وترميزها بواسطة تذبذبات جيجاهيرتز

وفي هذه الأوضاع، يمكن تحقيق حالات اهتزاز مختلفة. وهي تشير إلى حالة معينة من الاهتزاز في أي وقت يتم فيه تخزين المعلومات بحيث يمكن الوصول إليها وتسجيلها مرة أخرى بمرونة. ومن وجهة نظر نظرية المعلومات، تتوافق هذه الحالات مع محتويات خلايا الذاكرة.

ومع ذلك، بالمعنى الفيزيائي الكمي، تختلف هذه الحالات جذريًا عن كل من الجيتار والكمبيوتر الرقمي. تخضع اهتزازات الوتر لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، وتعمل الشريحة الكمومية وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم.

ومن المعروف أنها تسمح بتراكب الحالات، لذا فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي لا تقتصر على الأصفار والواحدات فقط، يمكنها حل بعض المشكلات المعقدة بشكل أكثر كفاءة من الآلات الكلاسيكية – أو حتى التعامل مع عمليات المحاكاة التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية القيام بها على الإطلاق.

في معظم الحالات، يتم تخزين بيانات الحوسبة الكمومية على شكل موجات كهرومغناطيسية – وقد تمت دراسة هذه الطريقة جيدًا وثبت فعاليتها. لكن هذه الذاكرة ضخمة جدًا ولا تتسع بشكل جيد.

الرنانات الميكانيكية أكثر إحكاما بكثير. كما أنها توفر سعة تخزين أكبر لأنها تدعم العديد من أوضاع التذبذب المختلفة وبالتالي يمكنها تخزين معلومات أكثر في وقت واحد مقارنة بالذاكرة الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تحافظ على استقرار الحالات الكمومية لفترة أطول، دون تخميد التذبذبات وفقدان المعلومات.

النموذج الأولي واختباراته

تم تأكيد وظيفة البنية الجديدة من خلال بناء حاسوب كمي تجريبي على كيوبت واحد فائق التوصيل، تم ربطه بثلاث خلايا ذاكرة تهتز. تم تبريد كل ذلك معًا إلى الصفر المطلق تقريبًا.

لقد اختبرناها على مهمتين تعتبران معايير للأنظمة الكمومية – تحويل فورييه الكمي والبحث الدوري – وحققنا دقة قدرها 95.9% لعمليات الكيوبت الواحد، و89% للعمليات المعقدة ثنائية الكيوبت.

“إن تحويل فورييه الكمي هو إجراء حسابي أساسي مطلوب للعديد من الخوارزميات الكمومية. خوارزمية البحث الدورية التي قمنا بتنفيذها كانت بمثابة دليل على كيفية تطبيق هذا الإجراء،” يؤكد الفيزيائي إيجور كلاداريتش، المؤلف المشارك في الورقة.

تتطلب كلتا الطريقتين نظام حوسبة كمومية ليتمكن من التحكم الدقيق في الحالات الكمومية المتعددة وتخزينها وربطها بشكل متماسك في وقت واحد. إذا نجح هذا، يتم تحقيق النتيجة.

لن يظهر قريبًا حاسوب كمي قوي وموثوق بدرجة كافية مزود بذاكرة اهتزازية، ومناسب للاستخدام العملي في العلوم والصناعة، ولكن البداية قد بدأت.