تقود ييل جهداً مدعوماً من المؤسسة الوطنية للعلوم ومدته خمس سنوات بقيمة 37.5 مليون دولار لمعالجة تصحيح الأخطاء الكمومية، وهو عائق رئيسي أمام الحوسبة الكمومية الموثوقة. ويجمع معهد NSF Quantum Leap Challenge Institute الجديد للفيزياء وهندسة تصحيح الأخطاء الكمومية العملي، المعروف باسم NSF PRACTIQAL، باحثين من تخصصات وجامعات مختلفة لوضع مسار نحو حواسيب كمومية عملية على نطاق صناعي. وتكتسب هذه الجهود أهمية لأن الآلات الكمومية يجب أن تحدد الأخطاء وتصححها بسرعة تفوق سرعة حدوثها كي تصبح موثوقة بما يكفي للاستخدام في العالم الحقيقي. .
حقائق أساسية
- تبلغ قيمة منحة المؤسسة الوطنية للعلوم 37.5 مليون دولار، وتدعم مشروعاً مدته خمس سنوات تقوده ييل.
- سيتناول NSF PRACTIQAL تصحيح الأخطاء الكمومية بدءاً من الكيوبتات الفيزيائية وإلكترونيات التحكم وصولاً إلى الخوارزميات.
- سيركز المركز على توسيع نطاق الآلات المصححة للأخطاء وعلى «كيوبتات المحو»، المصممة للإشارة إلى مكان حدوث الخطأ ووقت حدوثه.
- تُعد الجائزة واحدة من ثماني منح لمعاهد NSF Quantum Leap Challenge، وهي مراكز بحثية متعددة التخصصات واسعة النطاق.
ما الذي يعنيه ذلك للباحثين والجامعات؟
بالنسبة إلى الباحثين والجامعات المشاركة، ينشئ NSF PRACTIQAL برنامجاً منسقاً يمتد عبر الفيزياء والهندسة وعلوم الحاسوب والكيمياء. وبدلاً من التعامل مع العتاد، ورموز تصحيح الأخطاء، والخوارزميات بوصفها مشكلات منفصلة، يهدف المركز إلى تحسينها معاً، بغية جعل الأنظمة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء أكثر قابلية للتحقيق وكفاءة وعملية.
يشمل أعضاء هيئة التدريس في ييل المشاركون روبرت شولكوف ومايكل هاتريدج، إلى جانب يونغشان دينغ ولين تشونغ وألكساندر كوبيتسا وشروتي بوري وستيفن غيرفين وكونراد لينرت وفيكتور باتيستا. ويضم المعهد أيضاً جامعات شريكة وشركاء صناعيين ومجلساً استشارياً خارجياً يهدف إلى المساعدة في الحفاظ على صلة أبحاثه بمجتمع الحوسبة الكمومية الأوسع.
لماذا يُعد تصحيح الأخطاء الكمومية التحدي المحوري للمشروع؟
يُعد تصحيح الأخطاء الكمومية محورياً لأن الكيوبتات هشة: فالضوضاء وعوامل بيئية أخرى يمكن أن تعطل حالاتها الكمومية. ولذلك تحتاج الآلة العملية إلى اكتشاف الأخطاء وتصحيحها بسرعة أكبر من سرعة نشوء تلك الأخطاء. وقد صُمم NSF PRACTIQAL لدراسة العلوم والهندسة اللازمتين لجعل هذه العملية أكثر كفاءة وقابلية للتنفيذ في أنظمة أكبر.
تُمثّل المعلومات في الحوسبة التقليدية بواحدات وأصفار متينة، بينما تكون الكيوبتات أكثر عرضة للأخطاء بدرجة كبيرة. وقد جعل هذا الاختلاف الموثوقية عائقاً رئيسياً أمام الحوسبة الكمومية، رغم قدرتها المحتملة على معالجة مسائل تكاد تكون مستحيلة للحواسيب التقليدية، بما في ذلك تطبيقات محتملة في علم المواد وتصميم الأدوية.
«اليوم، يُعد تصحيح الأخطاء التحدي العلمي والهندسي الرئيسي لجعل الحوسبة الكمومية مفيدة»، قال روبرت شولكوف، مدير المركز وأستاذ سترلينغ للفيزياء التطبيقية.
كيف يخطط NSF PRACTIQAL لربط طبقات الحوسبة الكمومية؟
يقوم نهج المركز على العمل عبر كل مستوى من مستويات الحاسوب الكمومي. وسيدرس باحثوه الكيوبتات الفيزيائية وإلكترونيات التحكم، فضلاً عن الرموز والخوارزميات المستخدمة لتشغيل الآلة. ويتمثل الهدف في ضمان تصميم العتاد والبرمجيات لتشغيل أنواع متوافقة من الرموز، بما يحسن الكفاءة ويقلل قابلية التعرض للأخطاء.
تتمثل إحدى أولويات البحث في تحديد المسائل التي أبطأت توسيع نطاق الآلات المصححة للأخطاء. أما الأولوية الثانية فهي استكشاف كيوبتات المحو، التي ابتكرها أعضاء من فريق PRACTIQAL. وتعمل هذه الكيوبتات المصممة خصيصاً كإشارات تحدد مكان الخطأ وتوقيته، وهو نهج سيدرسه المعهد ضمن جهوده لجعل تصحيح الأخطاء أكثر عملية.
قال مايكل هاتريدج، المدير المشارك لـPRACTIQAL وأستاذ الفيزياء التطبيقية المشارك، إن كثيراً من الأعمال السابقة ركزت على آلات صغيرة جداً مُحسّنة لتصحيح الأخطاء. ويتمثل هدف المجموعة في تقصير الطريق إلى حواسيب كمومية مصححة للأخطاء على نطاق واسع، عبر إثبات الأفكار ووضع مسار لأنظمة أكبر بدلاً من بناء نظام عملاق بنفسه.
ما الذي يُراد أن يحققه الجهد الممتد لخمس سنوات؟
بحلول نهاية المشروع الممتد لخمس سنوات، يتوقع الباحثون أن يكونوا قد طوروا مساراً نحو حواسيب عملية لتصحيح الأخطاء على نطاق صناعي. ويتمثل دور المعهد في تنسيق الخبرات التي غالباً ما تتركز في مكونات منفردة وتطبيقها على تصميم محسّن للآلة كاملة.
تُعد منحة المؤسسة الوطنية للعلوم واحدة من ثماني جوائز لمعاهد Quantum Leap Challenge، وهي مراكز متعددة التخصصات واسعة النطاق تعالج تحديات كبرى في علم وتكنولوجيا المعلومات الكمومية. وبالنسبة إلى ييل وشركائها، تدعم المنحة جهداً لربط البحوث الأساسية حول الأخطاء في الأجهزة الكمومية بخيارات العتاد والبرمجيات اللازمة لآلات موثوقة.
أسئلة شائعة
ما هو NSF PRACTIQAL؟
NSF PRACTIQAL هو معهد NSF Quantum Leap Challenge Institute للفيزياء وهندسة تصحيح الأخطاء الكمومية العملي. وتقوده ييل، وهو مركز مدته خمس سنوات بقيمة 37.5 مليون دولار يجمع علماء الحاسوب والكيميائيين والفيزيائيين والمهندسين لدفع الحوسبة الكمومية المصححة للأخطاء على نطاق واسع.
ما هي كيوبتات المحو؟
كيوبتات المحو هي كيوبتات مصممة خصيصاً للإشارة بدقة إلى مكان حدوث الخطأ ووقت حدوثه. وسيستكشف NSF PRACTIQAL استخدامها ضمن عمله لجعل تصحيح الأخطاء الكمومية أكثر عملية وكفاءة.
