قد تُحدِثُ محتويات هذه الأسطوانة المعدنية ثورة في عالم التكنولوجيا أو قد تكون بلا جدوى تماماً. هذا يعتمد على قدرتنا على تسخير الحالات الفيزيائية الغريبة للمادة على نطاقٍ صغير جداً. ولنحظى بفرصة تنفيذ هذا، علينا أن نتحكم في البيئة بدقّة لا يتأثر سطح الأسطوانة السميك وقاعدتاه بالاهتزازت الناتجة عن وقع الأقدام والمصاعد القريبة وغلق وفتح الأبواب. الأسطوانة عبارة عن حجرة مُفرَغة، خالية من كل الغازات الموجودة في الهواء. يوجد بداخل هذه الحجرة قسم أصغر، بارد جداً وتصله أشعة الليزر الصغيرة جداً. يحتوي على جسيمات حساسة جداً تُكوّن الحاسوب الكمومي.
The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
ما الذي يجعل هذه الجسيمات تستحق بذل الجهد؟ نظرياً، يمكن للحواسيب الكمومية تجاوز الحدود الحسابية للحواسيب العادية. فالحواسيب العادية تعالج البيانات باستخدام النظام الثنائي (البتات) يعمل كل بت باحتمالين متمثلين في صورة 0 و1 أما الحاسوب الكمِّي فيعمل بنظام يسمى كيوبت والذي يمكنه التبديل بين 0 أو 1 أو ما يسمى بالتراكب. عندما يكون الكيوبت في حالة التراكب، فإنه يخزَّن معلومات أكثر من 0 أو 1. تخيّل هذه الحالات كنقاط على كرة يمثل قطباها الشمالي والجنوبي 1و0. يعمل نظام البت في نطاق هذين القطبين فقط ولكن عندما يكون الكيوبت في حالة التراكب، فقد يكون في أي مكان على الكرة. لا يمكننا تحديد مكانه عند قراءتنا له، يتمثل الكيوبت في إحدى القيمتين 0 أو 1 حتى لو لم نرصد الكيوبت في حالة التراكب يمكننا استغلاله في حالة التراكب، لتنفيذ عمليات معينة.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
لذا، حين تتعقد الأمور أكثر؛ ستحتاج الحواسيب العادية بالمقابل؛ عدداً أكبر من البتات للحلّ أما الحواسيب الكمِّية فستتمكن -نظرياً- من معالجة الكثير من المسائل المعقدة دون الحاجة لعدد كبير من الكيوبتات كما في الحاسب العادي.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
الخصائص الفريدة للحواسيب الكمِّية تنتج عن سلوك الجسيمات الذرية ودون الذرية. توجد هذه الجسيمات في حالات كمِّية تتوافق مع حالة الكيوبت. إنّ الحالات الكمومية ضعيفة للغاية تزول بسهولة بسبب تغيرات درجة الحرارة والضغط والمجالات الكهرومغناطيسية الشاردة والتصادمات مع الجسيمات القريبة منها. لهذا، تحتاج الحواسيب الكمِّية لمثل هذه التهيئة المُتقَنة ولهذا السبب، ظلّت قدرة الحواسيب الكمِّية بمعظمها دون تطبيق. للآن، يمكننا التحكم بعدد كافٍ من الكيوبتات في نفس المكان والزمان.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
هناك عنصران أساسيان يديران هذه الحالات الكمومية المتغيرة بفاعلية هما: الجسيمات التي يستخدمها الحاسوب الكمِّي، وطريقة معالجته لتلك الجسيمات. حالياً، ثمَّة منهجان أساسيان: مصائد الأيونات والكيوبتات فائقة التوصيل.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
فالحاسوب المكون من أيونات مُحتجزة يستخدم الأيونات حسب جسيماتها ويتحكم بها بواسطة الليزر. ويحتجز تلك الأيونات في مصيدة من الحقول الكهربائية. تتلقى الأيونات المعلومات من أشعة الليزر حول العملية التي يجب تنفيذها حيثُ تجعل الكيوبت في حالة دوران فوق مجسم كروي. لدينا مثال توضيحي بسيط: قد يصدر سؤال عن أشعة الليزر هو: ما العوامل الأولية للعدد 15؟ رداً على ذلك، تُحرِرُ الأيوناتُ فوتوناتٍ تحدد حالة الكيوبت ما إذا أطلق الأيون الفوتونات وكم عدد الفوتونات التي أطلقها. يقوم نظام تصوير بجمع هذه الفوتونات ومعالجتها ليظهر الإجابة 3 و5.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
الحواسيب ذات الكيوبتات فائقة الناقلية تفعل ذلك ولكن بشكل مختلف وذلك باستخدام شريحة إلكترونية ذات دوائر إلكترونية بدلاً من مصيدة أيونات. حيث تتخذ كل دائرة كهربائية حالة الكيوبت نتحكم بها عن طريق مُدخلات كهربائية تُمثَلُ في شكل موجات دقيقة. تنبعث الكيوبتات من أيونات أو من دوائر كهربائية تعمل وفقاً لأشعة الليزر أوالموجات الدقيقة. هناك مميزات وعيوب لكلا الطريقتين يمكن التحكم بالأيونات بدقة وتستمر بالعمل لوقت طويل، ولكن كلما زادت الأيونات في المصيدة الأيونية، زادت صعوبة التحكم الدقيق بكل أيون على حدة لا يمكننا حالياً حصر أيونات تكفي لإجراء عمليات حسابية متقدمة، ولكن يمكن حل هذه المسألة بتوصيل عدة مصائد أصغر، والتي تتصل مع بعضها بواسطة الفوتونات بدلاً من محاولة إنشاء مصيدة واحدة كبيرة. حينها تقوم الدوائر فائقة الناقلية بالعمليات أسرع من الأيونات المحتجزة، ويصبح من الأسهل زيادة عدد الدوائر الكهربائية في الحاسوب مقارنة بزيادة عدد الأيونات. ولكن الدوائر أكثر ضعفاً هي الأخرى، وعمرها أقصر إجمالاً.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
ومع تقدم الحواسيب الكمومية، فستظل خاضعةً للقيود البيئية اللازمة للحفاظ على الحالات الكمومية. ولكن بالرغم من كل هذه العوائق، فقد نجحنا بالفعل في إجراء عمليات حسابية في عالم حسابي لا نستطيع دخوله أو حتى مراقبته.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.