علماء سويسريون يبتكرون "ذاكرة كمومية مهتزة" لأول مرة، يدرك الكمبيوتر الكمي تقسيم العمل بين المعالج والذاكرة.

الملخص:

على الرغم من أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تتمتع بإمكانات حوسبة مذهلة منذ فترة طويلة، إلا أنها واجهت دائمًا تحديات في تخزين المعلومات. الآن، اقترح فريق بحث من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ (ETH Zurich) بنية جديدة للحوسبة الكمومية تقوم بتخزين المعلومات عن طريق التسبب في اهتزازات ميكانيكية في الهياكل المجهرية، مما يقلل بشكل كبير من حجم الذاكرة الكمومية، ومن المتوقع أن يضع الأساس لأجهزة الكمبيوتر الكمومية العالمية القابلة للبرمجة في المستقبل.

تستخدم الشريحة الكمومية الجديدة التي طورها فريق البحث مكونًا صغيرًا يسمى "الرنان الميكانيكي". عندما يحتاج النظام إلى الحفاظ على المعلومات الكمومية، تبدأ هذه الهياكل في الاهتزاز بترددات عالية للغاية، ويتم تخزين المعلومات في هذه الحالات الاهتزازية. يبلغ طول الشريحة بأكملها حوالي 7.5 ملم، وعرضها 2.5 ملم، وارتفاعها 1 ملم، وهي بحجم ظفر صغير فقط.

يعمل النظام بطريقة تشبه الجيتار، كما يقول قائد المشروع يوين تشو، عالم فيزياء الكم في ETH زيورخ. تهتز أوتار الجيتار لإنتاج النوتات الموسيقية، وتستخدم الرقائق الكمومية الجديدة اهتزازات ميكانيكية مجهرية تتجاوز نطاق السمع البشري بكثير للحفاظ على المعلومات الكمومية ومعالجتها. ومع ذلك، فإن هذه الاهتزازات ليست أصواتًا، ولكنها حاملة لحالة كمومية.

تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل السائدة حاليًا تصميمًا متكاملًا للغاية، حيث تكون الكيوبتات مسؤولة عن كل من مهام الحوسبة وتخزين المعلومات. على الرغم من أن هذه الطريقة لها بنية بسيطة، إلا أن الوقت الذي تقوم فيه البتات الكمومية بتخزين المعلومات قصير نسبيًا، ويتم فقدان البيانات بسهولة عند إجراء عمليات معقدة وطويلة المدى. من أجل حل هذه المشكلة، تقوم الأنظمة الحالية عمومًا بتوصيل رنانات كهرومغناطيسية إضافية لاستخدامها كذاكرة. هذه الرنانات قادرة على الحفاظ على الحالات الكمومية مؤقتًا، مما يسمح للبتات الكمومية بإعادة قراءتها عند الحاجة. ومع ذلك، غالبًا ما تعتمد هذه الهياكل على تجاويف رنين الموجات الدقيقة، وغالبًا ما تكون أطوال موجات الموجات الدقيقة في نطاق السنتيمتر، وبالتالي فإن أحجام المكونات المرتبطة بها تكون كبيرة أيضًا.

بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية، التي يجب أن تعمل في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، يعد الفضاء موردًا ثمينًا للغاية. يجب وضع النظام بأكمله في جهاز تبريد كبير الحجم، وستحد وحدة الذاكرة الكهرومغناطيسية الضخمة بشكل كبير من إمكانيات توسيع النظام. اختار فريق ETH Zurich نهجًا مختلفًا تمامًا.

إنها تخزن المعلومات الكمية ليس في موجات كهرومغناطيسية على شكل فوتونات، ولكن في اهتزازات ميكانيكية تسمى "الفونونات". نظرًا لأن سرعة انتشار الموجات الصوتية في المواد الصلبة أقل بكثير من سرعة الضوء، فإن الأطوال الموجية المقابلة لها أيضًا يتم تقصيرها بشكل كبير. وهذا يعني أنه يمكن استيعاب المزيد من وحدات تخزين المعلومات في نفس المساحة. وقال فريق البحث إن هذه البنية الجديدة تميز بوضوح بين مسؤوليات المعالج الكمي والذاكرة العاملة الكمومية لأول مرة، على غرار العلاقة بين وحدة المعالجة المركزية وذاكرة الوصول العشوائي في أجهزة الكمبيوتر الرقمية الحديثة. تعتبر البتات الكمومية فائقة التوصيل مسؤولة عن الحساب والتحكم، بينما تعمل الرنانات الميكانيكية كذاكرة عاملة وتحفظ البيانات المؤقتة أثناء العمليات.

يعتقد الباحثون أن هذا التصميم لا يعمل على تحسين كثافة التخزين فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة تنظيم النظام. ونظرًا لإعادة تقسيم المعالجة الكمومية والتخزين الكمي، يمكن لكل مكون التركيز على المهام التي يجيدها بشكل أفضل، وبالتالي تحسين الأداء العام.

خلال التجربة، نجح الفريق في استخدام هذه البنية لإكمال عمليات المنطق الكمي الأساسية ومهام الحوسبة الكمومية الأكثر تعقيدًا، والتحقق من جدوى هذا التصميم في الأنظمة الفعلية. يعتقد الباحثون أن هذا يمثل خطوة مهمة نحو أنظمة قابلة للبرمجة حقًا في بنية الحوسبة الكمومية.

قال تشو ييوين إن التعاون الفعال بين المعالجات الكمومية والذاكرات الكمومية يعد أساسًا مهمًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية لتكون قادرة على حل المشكلات التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية التعامل معها. إنها تعتقد أنه فقط من خلال إنشاء بنية ذات تقسيم واضح للعمل مشابه لتلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الحديثة، يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية تحقيق تطور واسع النطاق.

حاليًا، لا يزال هذا الإنجاز في مرحلة البحث التجريبي ولا يزال بعيدًا عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية التجارية. ومع ذلك، يعتقد المطلعون على الصناعة أنه مع استمرار توسع حجم الأجهزة الكمومية، فإن كيفية تخزين واسترجاع المعلومات الكمومية بكفاءة ستصبح عاملاً مهمًا في تحديد قدرات الحوسبة الكمومية المستقبلية. هذه الفكرة الجديدة المتمثلة في استخدام الاهتزاز الميكانيكي لبناء الذاكرة الكمومية قد توفر مسارًا تقنيًا رئيسيًا للجيل القادم من منصات الحوسبة الكمومية.