اختراق الحوسبة الكمومية يقلص الجهاز الرئيسي إلى 100 مرة أصغر من شعرة الإنسان

يوفر جهاز جديد على نطاق الرقاقة تحكمًا غير مسبوق في ترددات الليزر، وهو مكون رئيسي للنطاق الواسع الحوسبة الكمومية.

حقق الباحثون خطوة مهمة إلى الأمام في مجال الحوسبة الكمومية من خلال تطوير جهاز صغير جدًا لدرجة أنه أرق بحوالي 100 مرة من شعرة الإنسان.

التقدمة، ذكرت في المجلة اتصالات الطبيعة، يركز على نوع جديد من مُعدِّل الطور البصري المُصمم للتحكم بدقة في أشعة الليزر. تعتبر هذه القدرة ضرورية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية، والتي ستعتمد على آلاف أو حتى ملايين الكيوبتات – الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية – لإجراء حسابات معقدة.

الجزء الرئيسي من الإنجاز هو كيفية صنع الأجهزة. وبدلاً من الاعتماد على مكونات متخصصة مصنوعة يدوياً، استخدم الباحثون أساليب تصنيع قابلة للتطوير مماثلة لتلك التي تقف وراء المعالجات الموجودة في أجهزة الكمبيوتر والهواتف والمركبات والأجهزة المنزلية – كل شيء تقريباً يعمل بالكهرباء (حتى المحامص).

أشرف على هذا العمل جيك فريدمان، وهو طالب دكتوراه جديد في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات والطاقة في كلية جامعة كولورادو في بولدر، جنبًا إلى جنب مع مات إيشنفيلد، الأستاذ ورئيس كرسي كارل جوستافسون في هندسة الكم. لقد تعاونوا مع باحثين من مختبرات سانديا الوطنية، بما في ذلك المؤلف الرئيسي المشارك نيلز أوترستروم، لإنشاء جهاز يجمع بين مساحة صغيرة للغاية وأداء قوي مع الحفاظ على سعر معقول لإنتاجه على نطاق واسع.

تعمل الشريحة عن طريق توليد اهتزازات تردد الموجات الدقيقة التي تتأرجح مليارات المرات في الثانية، والتي تستخدم للتحكم في ضوء الليزر بشكل استثنائي دقة.

ومن خلال تسخير هذه الاهتزازات السريعة، يمكن للجهاز ضبط مرحلة شعاع الليزر بدقة وتوليد ترددات ليزر جديدة ذات استقرار وكفاءة عالية. وتعتبر هذه القدرات ضرورية لتطوير الحوسبة الكمومية، فضلاً عن التطبيقات الناشئة في الاستشعار الكمي والشبكات الكمومية.

لماذا تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على التحكم الدقيق في التردد البصري

من بين الأساليب الرائدة في الحوسبة الكمومية أنظمة الذرة المحاصرة والذرة المحايدة المحايدة، والتي تخزن المعلومات في الذرات الفردية.
لتشغيل هذه الكيوبتات، “يتحدث” الباحثون مع كل منها ذرة باستخدام أشعة ليزر دقيقة، مما يسمح لهم بإعطاء التعليمات لإجراء الحسابات.
يجب ضبط تردد كل ليزر بدقة متناهية، غالبًا ما تصل إلى جزء من المليار من النسبة المئوية أو حتى أقل.

قال فريدمان: “إن إنشاء نسخ جديدة من الليزر مع اختلافات دقيقة جدًا في التردد يعد أحد أهم الأدوات للعمل مع أجهزة الكمبيوتر الكمومية القائمة على الذرة والأيون”. “ولكن للقيام بذلك على نطاق واسع، تحتاج إلى تكنولوجيا يمكنها توليد تلك الترددات الجديدة بكفاءة.”

اليوم، يتم إجراء تحولات التردد هذه باستخدام أجهزة كبيرة الحجم توضع على الطاولة وتستهلك كميات كبيرة من طاقة الموجات الدقيقة.

تعمل الإعدادات الحالية بشكل جيد مع التجارب المعملية الصغيرة وأجهزة الكمبيوتر الكمومية التي تحتوي على أعداد صغيرة من الكيوبتات، لكنها لا تستطيع التوسع إلى عشرات أو مئات الآلاف من القنوات الضوئية المطلوبة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية.

قال إيشنفيلد: “لن تقوم ببناء حاسوب كمي يحتوي على 100 ألف مُعدِّل كهروضوئي موجود في مستودع مليء بالطاولات الضوئية”. “أنت بحاجة إلى بعض الطرق الأكثر قابلية للتطوير لتصنيعها والتي لا يلزم تجميعها يدويًا وباستخدام مسارات بصرية طويلة. أثناء قيامك بذلك، إذا تمكنت من جعلها كلها مناسبة لعدد قليل من الرقائق الدقيقة الصغيرة وتنتج حرارة أقل 100 مرة، فمن المرجح أن تنجح في ذلك.”

يمكن للجهاز توليد ترددات جديدة من الضوء من خلال تعديل الطور الفعال الذي يستهلك طاقة الموجات الدقيقة أقل بحوالي 80 مرة من العديد من المغيرات التجارية.

يؤدي استخدام طاقة أقل إلى تقليل الحرارة ويسمح بوضع العديد من القنوات بالقرب من بعضها البعض، حتى على شريحة واحدة.

تعمل هذه الميزات معًا على تحويل الشريحة إلى نظام قوي وقابل للتطوير لإدارة الرقصة المعقدة التي يجب أن تؤديها الذرات لإجراء حسابات كمومية.

تم تصميمه باستخدام تكنولوجيا التصنيع الأكثر قابلية للتطوير في العالم

أحد أهم جوانب المشروع هو أنه تم إنتاجه بالكامل في “مصنع” أو مسبك، وهو نفس نوع المنشأة المستخدمة لصنع الإلكترونيات الدقيقة المتقدمة.

وقال إيشنفيلد: “إن تصنيع CMOS هو التكنولوجيا الأكثر قابلية للتطوير التي اخترعها البشر على الإطلاق”.

“تحتوي كل شريحة إلكترونية دقيقة في كل هاتف خلوي أو كمبيوتر على مليارات الترانزستورات المتطابقة بشكل أساسي. لذلك، باستخدام تصنيع CMOS، في المستقبل، يمكننا إنتاج آلاف أو حتى ملايين الإصدارات المتطابقة من أجهزتنا الضوئية، وهو بالضبط ما ستحتاجه الحوسبة الكمومية.”

وفقًا لـ Otterstorm، فقد أخذوا أجهزة تعديل، والتي كانت في السابق باهظة الثمن ومستهلكة للطاقة، وجعلوها أكثر كفاءة وأقل حجمًا.

وقال أوترستورم: “إننا نساعد في دفع البصريات إلى “ثورة الترانزستورات” الخاصة بها، والابتعاد عن المعادل البصري للأنابيب المفرغة ونحو التقنيات الضوئية المتكاملة القابلة للتطوير”.

ويعمل الفريق الآن على تطوير دوائر ضوئية متكاملة تمامًا تجمع بين توليد التردد والترشيح ونحت النبض على نفس الشريحة، مما يجعل هدف شريحة تشغيلية كاملة أقرب إلى الواقع.

للمضي قدمًا، سوف يتعاونون مع شركات الحوسبة الكمومية لاختبار إصدارات هذه الرقائق داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات الذرة المحاصرة والذرة المحايدة المحايدة.

وقال فريدمان: “هذا الجهاز هو أحد الأجزاء الأخيرة من اللغز”. “نحن نقترب من منصة فوتونية قابلة للتطوير حقًا وقادرة على التحكم في أعداد كبيرة جدًا من الكيوبتات.”

المرجع: “تعديل الطور الصوتي البصري بتردد جيجاهيرتز للضوء المرئي في دائرة ضوئية مصنعة بواسطة CMOS” بقلم جاكوب إم. فريدمان، وماثيو ج. ستوري، ودانيال دومينغيز، وأندرو لينهير، وسيباستيان ماجري، ونيلز تي أوترستروم، ومات إيشنفيلد، 8 ديسمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-65937-z

تم دعم هذا المشروع من قبل وزارة الطاقة الأمريكية من خلال مسرع الأنظمة الكمومية برنامج مركز البحوث العلمية لمبادرة الكم الوطنية.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.