تصل ترانزستورات الكيوبت إلى معيار تصحيح الأخطاء

أظهر فريق في أستراليا مؤخرًا تقدمًا رئيسيًا في أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على أشباه الموصلات وأكسيد المعادن (أو المستندة إلى MOS). لقد أظهروا أن بواباتهم ثنائية الكيوبت، وهي العمليات المنطقية التي تتضمن أكثر من بت كمي واحد، أو كيوبت، تعمل بدون أخطاء بنسبة 99% من الوقت. وهذا الرقم مهم، لأنه هو الأساس الضروري لإجراء تصحيح الأخطاء، والذي يُعتقد أنه ضروري لبناء حاسوب كمي واسع النطاق. علاوة على ذلك، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبنية على MOS متوافقة مع تقنية CMOS الحالية، مما سيجعل تصنيع عدد كبير من الكيوبتات على شريحة واحدة أكثر سهولة مقارنة بالتقنيات الأخرى.

“إن الحصول على أكثر من 99 بالمائة يعد أمرًا مهمًا لأن الكثيرين يعتبرون ذلك بمثابة عتبة تصحيح الخطأ، بمعنى أنه إذا كانت إخلاصك أقل من 99 بالمائة، فلا يهم حقًا ما ستفعله في تصحيح الخطأ، يقول يوفال بوجر، الرئيس التنفيذي للعمليات في شركة الحوسبة الكمومية QuEra والذي لم يشارك في العمل. “لن تتمكن أبدًا من إصلاح الأخطاء بشكل أسرع من تراكمها.”

هناك العديد من المنصات المتنافسة في السباق لبناء حاسوب كمي مفيد. تعمل شركات IBM وGoogle وغيرهما على بناء أجهزتهم باستخدام الكيوبتات فائقة التوصيل. يستخدم Quantinuum وIonQ الأيونات الفردية المحاصرة. تستخدم QuEra وAtom Computing ذرات مشحونة محايدة. يراهن Xanadu وPsiQuantum على الفوتونات. القائمة تطول.

في النتيجة الجديدة، اتخذ التعاون بين جامعة نيو ساوث ويلز (UNSW) وشركة Diraq الناشئة في سيدني، مع مساهمين من اليابان وألمانيا وكندا والولايات المتحدة، نهجًا آخر: محاصرة إلكترونات مفردة في أجهزة MOS. يقول تومو تانتو، وهو زميل باحث في جامعة نيو ساوث ويلز، والذي قاد هذا الجهد: “ما نحاول القيام به هو أننا نحاول صنع كيوبتات قريبة قدر الإمكان من الترانزستورات التقليدية”.

الكيوبتات التي تعمل مثل الترانزستورات

تشبه هذه البتات الكمومية إلى حد كبير الترانزستور العادي، حيث يتم بوابته بطريقة تجعله يحتوي على إلكترون واحد فقط في القناة. أكبر ميزة لهذا النهج هو أنه يمكن تصنيعه باستخدام تقنيات CMOS التقليدية، مما يجعل من الممكن نظريًا التوسع إلى ملايين الكيوبتات على شريحة واحدة. وهناك ميزة أخرى تتمثل في إمكانية دمج البتات الكمومية MOS على الرقاقة مع الترانزستورات القياسية لتبسيط الإدخال والإخراج والتحكم، كما يقول أندرو دزوراك، الرئيس التنفيذي لشركة Diraq.

ومع ذلك، فإن عيب هذا النهج هو أن البتات الكمومية MOS عانت تاريخياً من التباين من جهاز إلى جهاز، مما تسبب في ضوضاء كبيرة على البتات الكمومية.

“الحساسية في [MOS] ستكون الكيوبتات أكثر مما هي عليه في الترانزستورات، لأنه في الترانزستورات، لا يزال لديك 20، 30، 40 إلكترونًا تحمل التيار. يقول رافي بيلاريسيتي، أحد كبار مهندسي الأجهزة في أجهزة إنتل الكمومية، والذي لم يشارك في العمل: “في جهاز الكيوبت، أنت حقًا لا تملك سوى إلكترون واحد”.

لم تُظهِر نتيجة الفريق الأداء الوظيفي الدقيق بنسبة 99% فقط في بوابات ثنائية الكيوبت الخاصة بأجهزة الاختبار، ولكنها ساعدت أيضًا في فهم مصادر التباين من جهاز إلى جهاز بشكل أفضل. اختبر الفريق ثلاثة أجهزة تحتوي كل منها على ثلاث كيوبتات. بالإضافة إلى قياس معدل الخطأ، قاموا أيضًا بإجراء دراسات شاملة لاستخلاص الآليات الفيزيائية الأساسية التي تساهم في الضوضاء.

ووجد الباحثون أن أحد مصادر الضوضاء كان الشوائب النظائرية في طبقة السيليكون، والتي عند التحكم فيها، قللت بشكل كبير من تعقيد الدائرة اللازمة لتشغيل الجهاز. السبب الرئيسي التالي للضوضاء هو الاختلافات الصغيرة في المجالات الكهربائية، ويرجع ذلك على الأرجح إلى عيوب في طبقة الأكسيد بالجهاز. يقول تانتو إن هذا الأمر يجب أن يكون سهل التحسين من خلال الانتقال من غرفة مختبر نظيفة إلى بيئة مسبك.

“إنها نتيجة رائعة وتقدم عظيم. وأعتقد أن هذا يحدد الاتجاه الصحيح للمجتمع من حيث التفكير بشكل أقل في جهاز فردي واحد، أو عرض شيء ما على جهاز فردي، مقابل التفكير على المدى الطويل حول مسار التوسع.

والآن، سيكون التحدي هو توسيع نطاق هذه الأجهزة إلى عدد أكبر من الكيوبتات. إحدى الصعوبات في القياس هي عدد قنوات الإدخال/الإخراج المطلوبة. الفريق الكمي في شركة إنتل، الذي يتابع تقنية مماثلة، ابتكر مؤخرًا شريحة أطلقوا عليها اسم Pando Tree لمحاولة معالجة هذه المشكلة. سيكون Pando Tree على نفس الركيزة مثل المعالج الكمي، مما يتيح مدخلات ومخرجات أسرع للكيوبتات. ويأمل فريق إنتل في استخدامه لتوسيع نطاق آلاف الكيوبتات. “تدور الكثير من منهجياتنا حول كيفية جعل معالج الكيوبت الخاص بنا يبدو أشبه بوحدة المعالجة المركزية الحديثة؟” يقول بيلاريسيتي.

وبالمثل، يقول دزوراك، الرئيس التنفيذي لشركة Diraq، إن فريقه يخطط لتوسيع نطاق التكنولوجيا الخاصة بهم إلى آلاف الكيوبتات في المستقبل القريب من خلال شراكة تم الإعلان عنها مؤخرًا مع Global Foundries. “مع شركة Global Foundries، قمنا بتصميم شريحة تحتوي على الآلاف من هذه الرقائق [MOS qubits]. وسيتم ربطها ببعضها البعض باستخدام دوائر الترانزستور الكلاسيكية التي صممناها. يقول دزوراك: “هذا أمر غير مسبوق في عالم الحوسبة الكمومية”.