عمليات منطقية شاملة في معالج كمومي من السيليكون

تحويل بتات الكم الهشة إلى أدوات موثوقة

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات تتجاوز قدرات الآلات الحالية بكثير، لكن لبناتها الأساسية المعروفة بالكيوبِتات هشة للغاية. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن جمع كيوبِتات مصنعة في السيليكون بحيث تتصرف كحاملات معلومات أكثر متانة، مما يقرب الحوسبة الكمومية العملية من تقنيات مستخدمة بالفعل في الإلكترونيات اليومية.

لماذا يهم الاعتماد على السيليكون

تعمل معظم حواسيبنا الكلاسيكية على رقائق سيليكون، لذا فإن القدرة على بناء أجهزة كمومية في نفس المادة قد تُسهل التصنيع والتوسيع مستقبلاً. يعمل الفريق مع كيوبِتات سبينية تتكوّن من ذرات الفسفور الموضوعة بدقة ذرية داخل بلورة سيليكون. يمكن لهذه العزوم أن تحتفظ بالمعلومات الكمومية لفترات طويلة، وقد أظهرت أعمال سابقة إمكانية التحكم بدقة عالية في كيوبِتات مفردة ومجموعات صغيرة منها. ما كان مفقودًا في السيليكون هو الخطوة التالية: تنفيذ عمليات "منطقية" كاملة تحمي المعلومات بنشاط من الضوضاء.

تخزين بت منطقي واحد في عدة بتات فيزيائية

يستخدم الباحثون مخططًا ذكيًا يُدعى رمز [[4, 2, 2]]، حيث تخزن أربعة كيوبِتات فيزيائية معًا اثنين من الكيوبِتات المنطقية، في حين يقوم كيوبِت خامس بدور داعم. بدلًا من الوثوق في كيوبِت واحد، تُوزَّع المعلومات عبر الأربعة بحيث يمكن اكتشاف واستبعاد أخطاء أحادية الجسيم. بُنِيَ الجهاز بنقش أنماط على سطح السيليكون بمسح نفقٍ ذري ثم تعزيز المناطق المنقوشة بذرات الفسفور لتشكيل عنقود محكم من خمسة عزوم نووية تعمل ككيوبِتات. بواسطة نبضات مغناطيسية معايرة بعناية، يُعدّ الفريق حالتين منطقيتين، بما في ذلك زوج متشابك من نوع "بل"، ويُظهر أنه بعد استبعاد البيانات المتأثرة بأخطاء مكتشفة، تُستعاد هذه الحالات المنطقية بأمانة تتجاوز 95%.

إبقاء المعلومات الكمومية حية وتحت السيطرة

لاختبار متانة المعلومات المنطقية، يتتبع المؤلفون تطور الحالات المشفّرة مع الزمن. يراقبون أنواعًا مختلفة من الأخطاء ويلاحظون أن انقلاب طور الكم يهيمن على الانقلابات البتية البسيطة، وهو "انحياز ضوضائي" تقترح النظرية أنه يمكن أن يجعل تصحيح الأخطاء أكثر كفاءة بالفعل. ثم يعرض الفريق صندوق أدوات كامل من البوابات المنطقية: عمليات تقلب وتدور وتتشابك مع الكيوبِتات المنطقية دون الحاجة لفك تشفيرها إلى عزوم مفردة. تُنفَّذ معظم هذه البوابات مباشرة بالتفاعلات الأصلية داخل عنقود المانحين. يُحقق نوع خاص من الدوران، المعروف ببوابة T والضروري للحوسبة الكمومية العامة الحقيقية، بشكل غير مباشر بإشراك كيوبِت مساعد إضافي واستخدام نتائج القياس لتقرير كيف دارت الحالة المنطقية.

إنشاء وقود كمومي خاص واختبار خوارزمية حقيقية

تسمح عمليات من نوع T نفسها للفريق أيضًا بتحضير ما يُعرف بـ"حالات السحر"، أنماط خاصة من التراكب الكمومي اللازمة لتشغيل خوارزميات كلية مُصححة للأخطاء. تُنشأ وتُقاس عدة نسخ من هذه الحالات، متجاوزة نسخة واحدة العتبة المعروفة للجودة المطلوبة لروتينات تنقية مستقبلية. لعرض استخدام عملي، ينفذ الباحثون حسابًا صغيرًا في الكيمياء الكمومية باستخدام إجراء هجين كمومي–كلاسيكي يُدعى محلل القيم الذاتية المتغيّر (VQE). باستخدام كيوبِتين منطقيتين فقط، يقاربون طاقة الحالة الأرضية لجزيء الماء مع تغير زاوية الربط، ويطبقون خطوات إضافية لتنقية البيانات لمواجهة الضوضاء المتبقية. تتفق منحنى الطاقة الناتجة عن كثب مع التوقعات النظرية، على الرغم من أن العتاد ما زال صغيرًا نسبيًا.

ماذا يعني هذا لآلات الكم المستقبلية

تمثل هذه العمل المرة الأولى التي تُعرض فيها عمليات منطقية شاملة في معالج كمومي قائم على السيليكون مبني من ذرات مانحة. من خلال تشفير المعلومات عبر عدة عزوم، واكتشاف الأخطاء بعد وقوعها، وتشغيل خوارزمية مستوحاة من الكيمياء بنجاح، يبرهن المؤلفون أن كيوبِتات سبين السيليكون يمكن أن تتجاوز كونه لبنات معزولة نحو وحدات محمية وقابلة للبرمجة. مع تحسين التصنيع لوضع المانحين بدقة أعلى، وتقليل التداخل بين إشارات التحكم وتوسيع مصفوفات هذه العنقودات، يمكن لمخططات منطقية مشابهة أن تتوسع لتصبح حواسيب كمومية متسامحة مع الأخطاء وعملية أقرب بكثير لتكنولوجيا الرقائق الحالية.

الاستشهاد: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

الكلمات المفتاحية: معالج كمومي من السيليكون, كيوبِتات منطقية, رمز [[4, 2, 2]], حوسبة كمومية متسامحة مع الأخطاء, كيمياء كمومية