لا يزال الخبراء غير واضحين بشأن المادة التي ستصنع أفضل كمبيوتر كمي ، لكن أحد المرشحين الغامض يكتسب قوة دفع: ضوء الأشعة تحت الحمراء. في وقت سابق من هذا الشهر ، وضعت شركة الحوسبة الكمومية Xanadu ، ومقرها في تورونتو ، كندا ، اثنين من ما يسمى بأجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية على السحابة – أول الأجهزة المتاحة تجارياً من نوعها.

تتكون كل أجهزة كمبيوتر Xanadu من شريحة سيليكون بحجم الصورة المصغرة ، مع تسليط 8 و 12 أشعة ليزر تحت الحمراء عليها ، على التوالي. لتنفيذ خوارزمية ، يقوم الكمبيوتر بمحرك الدمى بعناية لعكس الحزم والجمع والتفاعل بطريقة مسيطر عليها. يمكنك التفكير في الرقاقة على أنها معداد من نوع ما ، حيث تحل الرقاقة مسائل الرياضيات من خلال معالجة أشعة الليزر بدلاً من الخرز الخشبي. لإجراء العمليات الحسابية على العداد ، يمكنك تحريك الخرز وفقًا لمجموعة من القواعد وحساب العدد الناتج من الخرزات في كل صف للحصول على الإجابة. وبالمثل ، في الكمبيوتر الكمومي الخاص بـ Xanadu ، فإنك تتفاعل مع كل شعاع من الضوء وتجد إجابة لمشكلتك عن طريق حساب العدد الناتج من الفوتونات في كل شعاع. ولكن على عكس الخرز ، تتبع هذه الفوتونات قواعد ميكانيكا الكم ، مما يتيح إجراء عمليات حسابية أكثر تعقيدًا من عمليات الجمع والطرح. يعتقد خبراء الحوسبة الكمومية أن هذه الأجهزة يجب أن تكون قادرة على حل بعض المسائل الرياضية ذات الصلة بالأعمال بشكل أسرع من أجهزة الكمبيوتر التقليدية ، على الرغم من أنهم لم يثبتوا هذه الادعاءات بشكل قاطع.

في الوقت الحالي ، المادة التي يتكون منها الكمبيوتر الكمومي تحدد مسبقًا ما تجيده هذه الآلة. تمامًا كما أنه من الأسهل بناء هياكل صندوقية باستخدام Legos والنقط غير المتبلورة باستخدام Play-Doh ، يمكن للكمبيوتر الكمي المصنوع من الضوء حل بعض المسائل الرياضية بسهولة أكبر مقارنةً بالكمبيوتر الكمومي المصنوع من دوائر فائقة التوصيل (مثل Google) والعكس صحيح. قال كريستيان ويدبروك ، الرئيس التنفيذي لشركة Xanadu ، وهو عالم فيزياء من خلال التدريب: “مجموعة المشكلات التي يمكنك حلها على السحابة لدينا تختلف حرفياً عن أي شخص آخر”.

حدد الباحثون العاملون في Xanadu حالات استخدام مختلفة في الأعمال التجارية والكيمياء حيث قد توفر أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدرة أكبر من الحوسبة التقليدية. على سبيل المثال ، يجب أن تكون أجهزتهم قادرة على حل الحالات المستعصية حاليًا لما يسمى بمشكلة الرسم البياني الفرعي الأكثر كثافة ، حيث يحاول المستخدم تحديد أي عقدة في الشبكة لديها معظم الاتصالات. قال ويدبروك: “يمكنك التفكير في الأمر على أنه إيجاد المؤثر الأكبر في شبكة التواصل الاجتماعي”. بصرف النظر عن الصور الذاتية وعلامات التصنيف ، فإن مشكلة الرسم البياني الفرعي الأكثر كثافة لها تطبيقات في علم الأحياء والطب ، حيث يحاول الباحثون ، على سبيل المثال ، فهم كيفية تفاعل شبكات البروتينات المعقدة في جسم الإنسان. قال ويدبروك إن Xanadu تهدف إلى إظهار الميزة الكمية لأجهزتها في تطبيق الأعمال في العام المقبل.

يمكن لأي شخص التقدم للحصول على الوقت على أجهزة الكمبيوتر ، على الرغم من أن Xanadu يعطي الأولوية للباحثين في المعامل الحكومية والشركات متعددة الجنسيات والمؤسسات متعددة المستخدمين. وفقًا لـ Weedbrook ، تقدم أكثر من 250 شخصًا بالفعل بطلبات لاستخدام أجهزة Xanadu. بمجرد الموافقة ، يتلقى المستخدم رمزًا رقميًا للاتصال بالكمبيوتر عبر منصة برمجيات Xanadu ، Strawberry Fields ، حيث يمكنه تشغيل رمز مستند إلى Python على الجهاز الكمي عن بُعد.

يقدم تصميم أجهزة Xanadu مزايا أخرى. على سبيل المثال ، من السهل نسبيًا توصيل أجهزة كمبيوتر Xanadu باستخدام الألياف البصرية التقليدية لأنها تستخدم ضوء الأشعة تحت الحمراء ، مثل البنية التحتية للاتصالات الحالية. هذا يمكن أن يبسط مخططات الإنترنت الكمومية ، المقترحة لمدة عقد على الأقل من الآن ، لربط عدة أجهزة كمومية حول العالم. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية قادرة نظريًا على العمل في درجة حرارة الغرفة ، على الرغم من أنه لا يزال يتعين على Xanadu حاليًا تبريد عداد الفوتونات الخاص به.

ومع ذلك ، نظرًا لقيود الأجهزة ، فإن آلة Xanadu مجهزة حاليًا لتنفيذ مجموعة محددة فقط من الخوارزميات ، كما قالت عالمة الفيزياء جوليا فيريني من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد ، والتي تبحث في خوارزميات أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضوئية ولا تنتمي إلى Xanadu. الهدف النهائي لصناعة الحوسبة الكمومية هو بناء ما يسمى بالحاسوب الكمومي العالمي ، والذي يمكنه حل فئة واسعة من المشاكل. وقالت إن كمبيوتر Xanadu “هو الخطوة الأولى”.

نظرًا لأنه يستخدم الضوء ، يستغل كمبيوتر Xanadu الخصائص الكمومية للفوتونات المميزة عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأخرى المتاحة تجاريًا. على سبيل المثال ، يستغل الكمبيوتر مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ، والذي يقول أن الطبيعة غير دقيقة بطبيعتها ، بطريقة فريدة. إذا قمت بقياس سرعة الفوتون بدقة ، فإنك تضحي بالدقة في معرفة موقعه ، على سبيل المثال. لإجراء حساباته ، يتحكم جهاز Xanadu في خصائص الضوء غير المؤكدة ، وهي تقنية تُعرف باسم “الضغط”. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر غرابة ميكانيكا الكم أيضًا عندما يقوم الكمبيوتر بعد الفوتونات في كل حزمة ليزر. قبل أن يقوم الكمبيوتر بعد الفوتونات ، يكون عدد الجسيمات في الحزمة غير محدد – يحتوي الضوء في الواقع على تراكب 1 و 10 و 20 فوتونًا ، على سبيل المثال. مثل قطة شرودنغر ، التي تكون حية أو ميتة فقط عندما تنظر إليها ، يتم تحديد عدد الفوتونات في الحزمة فقط عند عدهم.

يتناقض تصميم Xanadu مع جميع أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأخرى المتاحة تجاريًا ، والتي تعتمد على ما يسمى هندسة الكيوبت ، أو البت الكمي. على عكس البتة الكلاسيكية ، التي تمثل المعلومات على أنها 1 أو 0 ، فإن البتة الكمومية هي تراكب 1 و 0 ، مثل تقليب العملة في الهواء ليس وجهًا ولا ذيلًا ولكن هناك احتمال لكليهما. لكن كمبيوتر Xanadu لا يستخدم الأرقام 1 و 0 على الإطلاق. وبدلاً من ذلك ، فإنه يستخدم خصائص الضوء – شدة ووقت إصدار الحزمة لأول مرة – والتي يمكن أن تأخذ أي قيمة.

للبقاء متسقًا مع المصطلحات في بقية الصناعة ، يشير Xanadu إلى كل شعاع ضوئي على رقاقاته على أنه كيوبت ، لكن من الناحية الفنية ليست كيوبتات على الإطلاق. في لغة الحوسبة الكمومية ، كل شعاع ضوئي هو شيء يسمى “qumode” ، اختصارًا لـ “الوضع الكمومي” ، حيث “الوضع” هي كلمة خيالية للضوء الذي تظهر خصائصه الموجية أنماطًا محددة. يُعرف هذا التصميم بالهندسة المعمارية المتغيرة المستمرة.

تمثل أجهزة Xanadu الظهور الأول لطريقة جديدة لإجراء الرياضيات باستخدام ميكانيكا الكم. قال فيريني: “أعتقد أن هذا الكمبيوتر الكمومي سيثير المزيد من الاهتمام في مجتمع تكنولوجيا الكم الأوسع نحو هذه البنى المتغيرة المستمرة”. قد تضفي أجهزة Xanadu الشرعية على الباحثين الآخرين الذين يحاولون بناء أجهزة كمبيوتر كمومية متغيرة باستمرار باستخدام إشعاع الميكروويف بدلاً من ضوء الأشعة تحت الحمراء.

تتطلع Xanadu إلى عملائها لمعرفة الدور الذي يمكن أن تلعبه أجهزة الكمبيوتر هذه في المستقبل. على سبيل المثال ، قام الباحثون في مختبر أوك ريدج الوطني بشراء الوصول إلى أجهزة Xanadu من أجل تصميم الجيل التالي من أجهزة الكمبيوتر العملاقة. قال عالم الكمبيوتر الكمومي في أوك ريدج ترافيس هامبل إنهم يعتقدون أن الحواسيب العملاقة في المستقبل يمكن أن تحتوي على شريحة حوسبة كمومية – “QPU” أو وحدة معالجة كمومية – مكرسة لأداء المهام المتخصصة بسرعة. في إطار جهودهم لتصميم وحدة QPU ، اشترت Oak Ridge إمكانية الوصول إلى أجهزة كمبيوتر كمومية تجارية أخرى أيضًا ، مثل الأجهزة التي صنعتها IBM و D-Wave و Rigetti – “بقدر ما يمكننا الحصول عليها” ، قال همبل.

من المؤكد أن أجهزة Xanadu الجديدة لا تزال جزءًا كبيرًا من مرحلة المراهقة للحوسبة الكمية ، وهي حقبة يطلق عليها الخبراء اسم NISQ ، للحوسبة الكمومية ذات النطاق المتوسط الصاخب. تعمل آلات NISQ بطرق محدودة ، ولا يزال من غير الواضح كيف ستندمج الآلات في التكنولوجيا الحالية والغرض الذي ستخدمه. قال هامبل: “يبدو الأمر كما لو كنت تكتسب طفرة في النمو عندما تكون صغيرًا ، وتتكبر عن كل ملابسك وتصبح غير ملائمة”. “الحوسبة الكمومية وصلت إلى المرحلة التالية من التطور.”