التوائم الكمومية: قفزة السيليكون في المحاكاة التناظرية

بينما تستمر أجهزة الكمبيوتر الكمومية في التقدم ببطء نحو تحقيق الفائدة، فإن بعضها يتبع نهجًا مختلفًا – المحاكاة الكمومية التناظرية. لا يوفر هذا المسار تحكمًا كاملاً في البتات المفردة من المعلومات الكمومية، المعروفة باسم الكيوبتات، فهو ليس حاسوبًا كميًا عالميًا. وبدلاً من ذلك، تحاكي أجهزة المحاكاة الكمومية بشكل مباشر الأشياء المعقدة التي يصعب الوصول إليها، مثل الجزيئات الفردية، أو التفاعلات الكيميائية، أو المواد الجديدة. ما تفتقر إليه المحاكاة الكمومية التناظرية من حيث المرونة، تعوضه بالجدوى: أجهزة المحاكاة الكمومية جاهزة الآن.

يقول سام جورمان، قائد هندسة الأنظمة الكمومية في شركة Silicon Quantum Computing الناشئة في سيدني: “بدلاً من استخدام الكيوبتات، كما تفعل عادةً في الكمبيوتر الكمي، نقوم فقط بتشفير المشكلة مباشرة في هندسة وبنية المصفوفة نفسها”.

بالأمس، كشفت شركة Silicon Quantum Computing عن منتجها Quantum Twins، وهو جهاز محاكاة كمي للسيليكون، والذي أصبح الآن متاحًا للعملاء من خلال عقد مباشر. في الوقت نفسه، أثبت الفريق أن جهازهم، المكون من خمسة عشر ألف نقطة كمومية، يمكنه محاكاة انتقال المادة من عازل إلى معدن، وجميع الحالات بينهما، والتي تمت دراستها غالبًا. لقد نشروا أعمالهم هذا الأسبوع في المجلة طبيعة.

يقول جورمان: “يمكننا الآن أن نفعل أشياء لا نعتقد أن أي شخص آخر في العالم يستطيع القيام بها”.

العملية القوية

على الرغم من أن الإعلان عن المنتج جاء بالأمس، إلا أن فريق Silicon Quantum Computing أسس عملية التصنيع Precision Atom Qubit بعد تأسيس الشركة الناشئة في عام 2017، بناءً على العمل الأكاديمي الذي قادته مؤسسة الشركة، ميشيل سيمونز، لأكثر من 25 عامًا. التكنولوجيا الأساسية هي عملية تصنيع لوضع ذرات الفوسفور المفردة في السيليكون بدقة أقل من نانومتر.

يقول سيمونز: “لدينا عملية مكونة من 38 مرحلة، لصياغة ذرات الفسفور في السيليكون. تبدأ العملية بركيزة من السيليكون، والتي يتم تغليفها بطبقة من الهيدروجين. ثم، باستخدام مجهر المسح النفقي، يتم إزالة ذرات الهيدروجين الفردية من السطح، مما يؤدي إلى كشف السيليكون الموجود تحته. يتم بعد ذلك حقن السطح بغاز الفوسفين، الذي يمتص على السطح فقط في الأماكن التي يتعرض فيها السيليكون. بمساعدة التلدين الحراري بدرجة حرارة منخفضة، يتم بعد ذلك دمج ذرة الفوسفور في بلورة السيليكون. ثم يتم زراعة طبقات من السيليكون في الأعلى.

يقول سيمونز: “يتم إجراء ذلك في فراغ عالٍ جدًا. لذا فهو نظام نقي جدًا ونظيف جدًا”. “إنها شريحة متجانسة تمامًا نصنعها بدقة أقل من نانومتر. في عام 2014، توصلنا إلى كيفية عمل علامات في الشريحة حتى نتمكن بعد ذلك من العودة والعثور على مكان وضع الذرات داخل الجهاز لإجراء اتصالات. ثم يتم إجراء هذه الاتصالات بنفس مقياس الطول مثل الذرات والنقاط. “

على الرغم من أن الفريق قادر على وضع ذرات مفردة من الفوسفور، إلا أنهم يستخدمون مجموعات من عشرة إلى خمسين ذرة من هذه الذرات لتكوين ما يسمى بالسجل لهذه الرقائق الخاصة بالتطبيقات. تعمل هذه السجلات مثل النقاط الكمومية، حيث تحافظ على الخصائص الكمومية للذرات الفردية. يتم التحكم في السجلات عن طريق بوابة الجهد من جهات الاتصال الموضوعة فوق الشريحة، ويمكن ضبط التفاعلات بين السجلات من خلال التحكم الدقيق في المسافات بينها.

وبينما تسعى الشركة أيضًا إلى استخدام المزيد من الحوسبة الكمومية التقليدية باستخدام هذه التكنولوجيا، فقد أدركوا أن لديهم بالفعل القدرة على إجراء عمليات محاكاة مفيدة في المجال التناظري من خلال وضع آلاف السجلات على شريحة واحدة وقياس الخصائص العالمية، دون التحكم في الكيوبتات الفردية.

يقول سيمونز: “الشيء الفريد من نوعه هو أننا نستطيع القيام بذلك بسرعة كبيرة”. “لقد وضعنا 250.000 من هذه السجلات [on a chip] في ثماني ساعات، ويمكننا تحويل تصميم الشريحة خلال أسبوع».

ما لمحاكاة

وبالعودة إلى عام 2022، استخدم فريق Silicon Quantum Computing إصدارًا سابقًا من هذه التقنية نفسها لمحاكاة جزيء البولي أسيتيلين. تتكون المادة الكيميائية من ذرات الكربون ذات روابط مفردة ومزدوجة متناوبة، والأهم من ذلك، أن موصليتها تتغير بشكل كبير اعتمادًا على ما إذا كانت السلسلة مقطوعة على رابطة مفردة أو مزدوجة. ومن أجل محاكاة روابط الكربون المفردة والمزدوجة بدقة، كان على الفريق التحكم في مسافات سجلاتهم بدقة أقل من نانومتر. ومن خلال ضبط جهد البوابة لكل نقطة كمومية، أعاد الباحثون إنتاج القفزة في الموصلية.

الآن، قاموا بعرض تقنية التوأم الكمي على مشكلة أكبر بكثير، ألا وهي انتقال العازل المعدني لمادة ثنائية الأبعاد. حيث يتطلب جزيء البولي أسيتيلين عشرة سجلات، استخدم النموذج الجديد 15000. يعد نموذج العازل المعدني مهمًا لأنه، في معظم الحالات، لا يمكن محاكاته على جهاز كمبيوتر كلاسيكي. وفي أقصى الحالات – في المرحلة المعدنية بالكامل أو مرحلة العزل الكامل – يمكن تبسيط الفيزياء وجعلها في متناول الحوسبة الكلاسيكية. لكن في النظام الوسيط الغامض، يلعب التعقيد الكمي الكامل لكل إلكترون دورًا، وتكون المشكلة مستعصية على الحل بشكل كلاسيكي. يقول جورمان: “هذا هو الجزء الذي يمثل تحديًا للحوسبة الكلاسيكية. ولكن يمكننا في الواقع وضع نظامنا في هذا النظام بسهولة تامة”.

كان نموذج العازل المعدني دليلاً على المفهوم. الآن، يقول جورمان، يستطيع الفريق تصميم توأم كمي لأي مشكلة ثنائية الأبعاد تقريبًا.

يقول جورمان: “الآن بعد أن أثبتنا أن الجهاز يعمل كما توقعنا، فإننا ننظر إلى المشكلات ذات التأثير الكبير أو المشكلات المعلقة”. يخطط الفريق للتحقيق في أشياء مثل الموصلية الفائقة غير التقليدية، وأصول المغناطيسية، وواجهات المواد مثل تلك التي تحدث في البطاريات.

على الرغم من أن التطبيقات الأولية ستكون على الأرجح في المجال العلمي، إلا أن سيمونز يأمل أن تكون التوائم الكمية مفيدة في النهاية للتطبيقات الصناعية مثل اكتشاف الأدوية. “إذا نظرت إلى أدوية مختلفة، فهي في الواقع تشبه إلى حد كبير البولي أسيتيلين. إنها سلاسل كربون، ولها مجموعات وظيفية. لذلك، فهم كيفية رسم خريطة لها [onto our simulator] يمثل تحديًا فريدًا. وتقول: “لكن هذا بالتأكيد مجال سنركز عليه. نحن متحمسون للإمكانيات المحتملة”.