علماء الفيزياء يطورون خوارزمية لجعل الحسابات الكمومية أكثر كفاءة

الحوسبة الكمومية هي واحدة من أقوى الأدوات المتاحة للمجتمع، مع إمكانية حل العديد من المشاكل المعقدة للغاية التي لا يمكن للحواسيب الكلاسيكية التعامل معها. ومع ذلك، من أجل تحقيق أقوى الحواسيب الكمومية، هناك حاجة إلى زيادة في الكفاءة.

علماء الفيزياء الكمومية في جامعة ساسكس يعالجون مشكلة الكفاءة هذه. لقد أنشأوا خوارزمية جديدة يمكنها زيادة سرعة معدل الحسابات في الحواسيب الكمومية التي يتم تطويرها حاليًا. توفر الخوارزمية طريقة جديدة لتحريك الأيونات حول الحاسوب الكمومي، مما يزيد من كفاءة الحسابات.

تم توضيح خوارزمية “التوجيه” في ورقة بحثية بعنوان “التوجيه الكفئ للقوبيت في حاسوب كمومي متصل عالميًا“، التي نُشرت في مجلة تقنيات كمومية متقدمة.

قاد الفريق البروفيسور وينفريد هينسينجر، ويشمل مارك ويبر، الدكتور ستيفن هيربرت، والدكتور سباستيان فايdt.

لقد أطلق هينسينجر وويبر مؤخرًا شركتهما الخاصة، كوانتوم يونيفرسال. تهدف إلى بناء أول حاسوب كمومي كبير النطاق، وأعرب مستثمرون تقنيون من المستوى العالي عن اهتمامهم.

خوارزمية التوجيه

تعمل خوارزمية التوجيه عن طريق تنظيم حركة المرور في الحاسوب الكمومي، مما يجعل من الممكن نقل القوبيت بشكل физي على مسافات طويلة. هذا يسمح للقوبيت بالتفاعل مع بعضها البعض، ويمكن للبيانات أن تتحرك بكفاءة داخل الحاسوب الكمومي دون أي انسداد.

من المفاهيم الأساسية للحواسيب الكمومية هي البتات الكمومية، أو القوبيت، التي تستخدم لمعالجة المعلومات. قام الفريق بتحليل حاسوب كمومي من نوع “أيون محبوس”، الذي يتكون من شرائح دقيقة من السيليكون مع ذرات مشحونة. تطفو هذه الذرات المشحونة، أو الأيونات، فوق سطح الشريحة الدقيقة، وتستخدم لتخزين البيانات. يمكن لكل أيون أن يحمل بت كمومي واحد.

من أجل إجراء حسابات على هذا النوع من الحواسيب الكمومية، يتعين نقل الأيونات. تعتمد قوة الحاسوب الكمومي على مدى سرعة وكفاءة هذا النقل.

الأجهزة الفائقة التوصيل مقابل الأيونات المحبوسة

هناك نوعان رئيسيان من الأجهزة المستخدمة في مجال الحوسبة الكمومية: الأجهزة الفائقة التوصيل والأجهزة المحبوسة للأيونات.

تستخدم الأجهزة الفائقة التوصيل من قبل بعض الشركات الكبيرة مثل آي بي إم وجوجل، بينما تستخدم أجهزة الأيونات المحبوسة من قبل فريق جامعة ساسكس وشركات أخرى.

تعتمد الحواسيب الكمومية الفائقة التوصيل على قوبيت ساكنة، وغالبًا ما يمكنها التفاعل فقط مع القوبيت المجاورة. من أجل إجراء حسابات بين قوبيت غير مجاورة، يجب أن يكون هناك تواصل عبر سلسلة من القوبيت المجاورة.

كلما انتقلت المعلومات من قوبيت إلى أخرى، أصبحت أكثر تدهورًا كلما طالت السلسلة. بسبب ذلك، يرى الفريق أن الحواسيب الكمومية الفائقة التوصيل محدودة القدرة الحاسوبية.

نظرًا لهذه القيود، اختار الفريق تطوير خوارزمية توجيه جديدة لعمارة الأيونات المحبوسة. الطريقة الحالية لقياس القدرة الحاسوبية للحواسيب الكمومية في المدى القصير هي “الحجم الكمومي”، الذي استخدمه الفريق لمقارنة نموذجه بالنموذج الفائق التوصيل.

وجد الفريق أن نموذج الأيونات المحبوسة أكثر ثباتًا وأداءً أفضل من نموذج القوبيت الفائقة التوصيل، ويرجع ذلك إلى أن خوارزميته تسمح للقوبيت بالتفاعل مباشرة مع قوبيت أكثر. هذا الأسلوب يؤدي إلى زيادة القدرة الحاسوبية المتوقعة.

قال ويبر: “يمكننا الآن توقع القدرة الحاسوبية للحواسيب الكمومية التي نحن بصددها. أشارت دراستنا إلى ميزة أساسية للأجهزة المحبوسة للأيونات، وستسمح لنا الخوارزمية الجديدة بتحقيق أقصى أداء للحواسيب الكمومية المبكرة.”

وفقًا لهينسينجر، “في الواقع، هذا العمل هو خطوة أخرى نحو بناء حواسيب كمومية عملية يمكنها حل مشاكل العالم الحقيقي”.