تصف ميكانيكا الكم السلوك الغريب للجسيمات المجهرية. يعد استخدام الأنظمة الكمومية لإجراء العمليات الحسابية بالسماح للباحثين بحل المشكلات في مجالات من الكيمياء إلى التشفير التي لديها العديد من الحلول الممكنة بحيث تتجاوز قدرات حتى أقوى أجهزة الكمبيوتر غير الكمومية الممكنة.
تعتمد الحوسبة الكمومية على الباحثين الذين يقومون بتطوير تقنيات الكم العملية. تعد الدوائر الكهربائية فائقة التوصيل تقنية واعدة، ولكن منذ وقت ليس ببعيد لم يكن من الواضح ما إذا كانت تُظهر سلوكًا كميًا أم لا. مُنحت جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 لثلاثة علماء لعملهم الذي أثبت أن التأثيرات الكمومية تستمر حتى في الدوائر الكهربائية الكبيرة، مما مكن من تطوير تقنيات الكم العملية.
أنا فيزيائي يدرس الدوائر فائقة التوصيل للحوسبة الكمومية والاستخدامات الأخرى. ينبع العمل في مجال عملي من الأبحاث الرائدة التي أجراها الحائزون على جائزة نوبل.
كبيرة، باردة، الكم
في عملهما في عامي 1984 و1985، حصلا على درجة الدكتوراه. أظهر الطالب جون مارتينيس، وباحث ما بعد الدكتوراه آنذاك ميشيل ديفوريت، وأستاذ جامعة كاليفورنيا في بيركلي جون كلارك أنه حتى الدوائر الكهربائية الكبيرة يمكن أن تظهر سلوكًا كميًا. لقد استخدموا دائرة مصنوعة من النيوبيوم والرصاص. وعندما يتم تبريدها إلى درجات قليلة فوق الصفر المطلق، تصبح هذه المعادن موصلة للكهرباء. الموصل الفائق هو مادة تحمل تيارًا كهربائيًا دون توليد أي حرارة.
أظهر مارتينيز وديفوريت وكلارك أنه في الموصل الفائق، تخضع الفولتية والتيارات لميكانيكا الكم. تحتوي الدائرة على مستويات طاقة كمية – أي منفصلة وغير قابلة للتجزئة – ويمكن أن تكون في حالة تراكب لحالات متعددة.
يمكن وصف أي نظام فيزيائي بحالة تخبرك بكل ما يمكن معرفته عن هذا النظام. تُظهر ميكانيكا الكم أن الحالة يمكن أن تحتوي على قيم كمية معينة للأشياء التي يمكن قياسها. ومن الأمثلة على ذلك الطاقة: يمكن لنظام معين أن يحتوي على الطاقة 1 أو الطاقة 2، ولكن لا شيء بينهما. في الوقت نفسه، يمكن للنظام الكمي أن يكون في حالة تراكب لأكثر من حالة واحدة، مثلما يمكنك إضافة كميات مختلفة من اللون الأحمر/الأخضر/الأزرق للحصول على أي لون في بكسل من الصورة.
والأهم من ذلك، أن الفائزين أظهروا أن الباحثين يمكنهم وصف إحدى هذه الدوائر فائقة التوصيل كما لو كانت جسيمًا كميًا واحدًا. هذا السلوك البسيط هو ما يجعل الدوائر فائقة التوصيل مفيدة جدًا كتقنية.
اليوم، تُستخدم الدوائر فائقة التوصيل لدراسة فيزياء الكم الأساسية، ولمحاكاة الأنظمة الفيزيائية الأخرى، واختبار بروتوكولات الاستشعار فائقة الدقة. على سبيل المثال، قامت مجموعة ديفوريت مؤخرًا بعرض مضخم ميكروويف شبه مثالي يعتمد على دائرة فائقة التوصيل. تستخدم مكبرات الصوت بالموجات الدقيقة على نطاق واسع في الاتصالات والرادار والأدوات العلمية.
استخدمت مجموعة مارتينيز دوائر فائقة التوصيل لمحاكاة مجموعة من الجسيمات الشبيهة بالإلكترون. يعد هذا النوع من المحاكاة تقنية أساسية في دراسة الفيزياء الأساسية.
وفي مجموعتي، استخدمنا مؤخرًا دائرة فائقة التوصيل لإظهار بروتوكول لقياس المجال المغناطيسي بشكل أكثر حساسية من التقنيات القياسية. تقوم أجهزة الاستشعار الكمومية بقياس الكميات الفيزيائية بدقة متناهية، بدءًا من النشاط البيولوجي وحتى شذوذات الجاذبية.
لكن أكبر تطبيق للدوائر فائقة التوصيل على الإطلاق هو استخدامها كمنصة للحوسبة الكمومية.
أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة التوصيل
يمكن للأنظمة الكمومية المتعددة أن تتفاعل مع بعضها البعض وتصبح متشابكة، بحيث تعمل كنظام واحد. هذا المزيج من التكميم والتراكب والتشابك هو ما يمنح أجهزة الكمبيوتر الكمومية قوتها.
في تكنولوجيا الحوسبة الكمومية، يستخدم الباحثون نظامًا كميًا – البت الكمي أو الكيوبت – الذي يمكن أن يكون في حالتين فقط. يجب أن تكون البتات الكمومية متماسكة. هذا يعني أننا إذا وضعناه في حالة معينة، فإننا نريده أن يبقى هناك وألا يتم تدافعه بشكل عشوائي إلى حالة أخرى. يجب أن تكون الكيوبتات قابلة للتحكم. وهذا يعني أن الباحثين يجب أن يكونوا قادرين على جعل الكيوبت يغير حالته حسب الحاجة وجعله يتفاعل مع الكيوبتات الأخرى. ويجب أن تكون الكيوبتات قابلة للتطوير، مما يعني أننا بحاجة إلى تصنيع الكثير منها.
تبدو العديد من التقنيات واعدة، مثل مصفوفات الذرات في الفراغ، والأيونات المحاصرة، والإلكترونات المحاصرة في أشباه الموصلات، والفوتونات التي يتم التحكم فيها بواسطة الدوائر الضوئية. لكن جميع التقنيات تقوم بمقايضات، وتضحي بالتماسك، أو التحكم، أو قابلية التوسع لتحسين شيء آخر.
إن بساطة ومرونة الدوائر فائقة التوصيل تعني أنه من خلال تغيير تصميم الدائرة، يمكن للباحثين الحصول على أي سلوك نريده للكيوبت تقريبًا، ومن السهل التنبؤ بهذا السلوك. وهذا يمثل نقطة تكنولوجية رائعة للحوسبة الكمومية. ومن الواضح أن التقنيات الكمومية، مثل الذرات المحاصرة، صغيرة جدًا بحيث يصعب التحكم فيها والتفاعل معها. إن الكيوبتات فائقة التوصيل كبيرة بما يكفي ليكون من السهل التحكم فيها، وبسيطة بما يكفي لتكون موثوقة، وكمية بما يكفي لجعل الأمر برمته يعمل.
اليوم، تعمل مجموعات البحث الأكاديمية مثل مجموعتي على تطوير أنواع جديدة من الكيوبتات فائقة التوصيل، والبحث عن طرق لجعلها أكثر تماسكًا، ومحاولة تحسين سيطرتنا عليها، وتطوير تقنيات لتسهيل توسيع نطاقها. تأخذ الشركات والمختبرات الحكومية هذه النتائج الأكاديمية جنبًا إلى جنب مع أبحاثها الأساسية وتطبقها، وتقوم بالهندسة الصعبة لإنشاء معالجات كمومية واسعة النطاق للاستخدام العملي.
رواد الموصلات الفائقة
ومن غير المستغرب أن الحائزين على جائزة نوبل قدموا وما زالوا يقدمون مساهمات ضخمة تتجاوز أعمالهم في الثمانينيات. بالإضافة إلى عملهم الأكاديمي، كان مارتينيس يرأس في السابق جهود المعالج الكمي في Google ولديه الآن شركته الخاصة، بينما يساعد ديفوريت الآن في جهود Google. كلارك، المتقاعد الآن، قام أيضًا بالكثير من أعماله في أواخر حياته المهنية على الدوائر الكمومية. وكان لهم تأثير كبير على مسيرتي المهنية وعلى العديد من الآخرين.
لقد حظيت بشرف إجراء حلقة نقاش مع ديفوريت في الثاني والعشرين من مايو/أيار 2025. فقد قدم مقولة لا تُنسى: إن اختيار مستشار أكاديمي قد يكون أكثر أهمية من اختيار الزوج، لأنه “لا يمكنك تطليق مستشارك”.
غالبًا ما يُقال مازحًا أن نصف الباحثين في مجال الموصلات الفائقة الكمومية يمكنهم تتبع نسب أكاديمي لكلارك. أستطيع أن أفعل ذلك مرتين: درجة الدكتوراه. كان المستشار عرفان صديقي يتلقى المشورة من ديفوريت، وكان كلارك مستشاري الثانوي. وكان أحد أكثر إنجازاتي التي أفتخر بها كطالب دراسات عليا هو عدم الذعر عندما خطفني المارتيني بعد أن ألقيت محاضرة لاستجوابي بشأن التفاصيل.
اليوم يتم تكريمهم على عملهم، وغدًا، سأبذل أنا والباحثين الآخرين الذين دربوهم قصارى جهدنا لمواصلة هذا العمل.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: إيلي ليفنسون فالك، كلية USC Dornsife للآداب والفنون والعلوم
اقرأ المزيد:
لا يعمل Eli Levenson-Falk لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.