الرقاقات الكمومية تمهد الطريق لثورة الحوسبة
أتاحت تقنيات المحاكاة الكمومية للعلماء فرصة فريدة لتقليد وفحص الأنظمة المركّبة، التي كانت تمثل عقبة كبيرة أمام الحواسيب التقليدية في شتى الميادين، والتي منها تطوير النماذج المالية والحماية الإلكترونية وابتكار العقاقير ومجالات الذكاء التوليدي والتعلّم العميق. فعلى سبيل المثال، يُعتبر تحليل الأطياف الاهتزازية للجزيئات ذا أهمية قصوى لاستيعاب خصائصها الجزيئية ضمن عمليات التصميم والتحليل. بالرغم من ذلك، تبقى هذه المهمة تحدّيًا حسابيًا معقّدًا، ولم تُحل بفاعليّة عبر الحواسيب العملاقة العادية.
يجهد الباحثون باستخدام الحواسيب الكمومية والخوارزميات المتقدّمة لتقليد هذه الأطياف الاهتزازية، لكنهم ما زالوا يواجهون تحدّيات مع الهياكل الجزيئية المعقدة، معالجين مشكلات مثل الدقة المحدودة والتشويش الذي يصاحب العمليات.
نجح باحثو الهندسة في جامعة هونغ كونغ للفنون التطبيقية (PolyU) في تطوير شريحة معالج كميّ دقيق لمحاكاة التحليل الطيفي الجزيئي للجزيئات المعقدة والكبيرة الحجم الفعلية، وهو إنجاز هو الأول من نوعه في العالم. يتطلب التقاط هذه التأثيرات الكمومية بدقة محاكاة تمّ تطويرها بعناية فائقة تأخذ بالاعتبار التراكب الكمومي والتشابك، والتي تتطلب الكثير من الحوسبة للنمذجة الكلاسيكية. نُشر البحث في مجلة Nature Communications في ورقة بحثية بعنوان "شبكة فوتونية واسعة النطاق مع حالات فراغ مضغوطة للتحليل الطيفي الاهتزازي الجزيئي". تمهد هذه التكنولوجيا المتطورة الطريق لحلّ مشكلات الكيمياء الكمومية المعقدة، بما في ذلك التطبيقات الحسابية الكمومية التي تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
وقد أظهر فريق البحث تجريبياً شريحة معالج كميّ دقيق واسعة النطاق، وقدم نموذجاً نظرياً غير تافه، يستخدم شبكة فوتونية خطيّة ومصادر ضوء كميّ مضغوطة بالفراغ لمحاكاة الأطياف الاهتزازية الجزيئية. وقد تمّ تصنيع شريحة المعالج الكميّ الدقيق المكوّنة من 16 كيوبت ودمجها في شريحة واحدة. وقد تمّ تطوير نظام كامل، بما في ذلك التكامل المادي للتغليف الضوئي الكهربائي الحراري لشريحة المعالج الكميّ الدقيق الفوتوني ووحدة التحكم الكهربائية، وتطوير البرامج لبرامج تشغيل الأجهزة، وواجهة المستخدم والخوارزميات الكمومية الأساسية القابلة للبرمجة بالكامل. يوفر نظام الكمبيوتر الكميّ المتطوّر لبنة أساسية لتطبيقات أخرى.
يمكن تطبيق المعالج الكميّ الدقيق لحلّ المهام المعقّدة، مثل محاكاة هياكل البروتين الكبيرة أو تحسين التفاعلات الجزيئية بسرعة ودقة محسّنة بشكل كبير.
التكنولوجيا الكمومية تؤدّي دورًا محوريًا في مجالات علميّة متعدّدة مثل علم الموادّ، الكيمياء، وفيزياء المادة المكثفة. تعدّ شرائح المعالجات الكموميّة الدقيقة منصّة مثيرة للاهتمام، إذ توفّر طريقة جديدة ومبتكرة لمعالجة البيانات الكموميّة.
الإنجازات البحثية والتطورات في شرائح المعالجات الكمومية تفتح الباب أمام تطبيقات عملية متنوعة. من بين هذه التطبيقات، تحسين فهم الروابط الجزيئية وتطوير أساليب التعلّم الآليّ الكموميّ، مثل تحليل البيانات البيانيّة.
الفريق البحثي قدم إسهامًا متميزًا في مجال التكنولوجيا الكمومية، ويمكن وصف إنجازهم بأنه قد يغيّر قواعد اللعبة. لقد نجحوا في تحدٍّ كبير يتمثل باستخدام المعالجات الكمومية لمحاكاة مطياف الجزيئات، مما يمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير تكنولوجيا الكمّ وإمكانياتها في مجال الحوسبة الكمومية.