تجاوز أكبر عائق في الحوسبة الكمومية
طالبت الحوسبة الكمومية بمشكلة أساسية طوال الوقت: الكيوبتات، الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية، هشة للغاية. الضوضاء البيئية — المجالات الكهرومغناطيسية الشاردة، والتقلبات الحرارية، بل حتى الأشعات الكونية — يمكنها أن تدمر الحالات الكمومية الدقيقة التي تشفر المعلومات، مما يسبب أخطاء تتراكم وتجعل الحسابات عديمة الفائدة. لعقود من الزمان، سعى الفيزيائيون إلى حل جذري: كيوبتات طوبولوجية تخزن المعلومات بطريقة محمية بشكل طبيعي من الضوضاء. الآن، حقق فريق بقيادة Ramón Aguado من معهد مدريد لعلوم المواد اختراقاً يقرب هذه الرؤية من الواقع، حيث نجح في قراءة الحالات الكمومية لكيوبتات مايورانا للمرة الأولى.
يمثل البحث، المنشور في مجلة Nature في فبراير 2026، تعاوناً بين معهد مدريد لعلوم المواد، الذي يعتبر جزءاً من المجلس الأعلى للبحث العلمي الإسباني، وجامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا. لم يقتصر الفريق على هندسة جهاز فيزيائي قادر على استضافة أنماط مايورانا، بل طوّر أيضاً تقنية قياس جديدة يمكنها استخراج المعلومات الكمومية المخزنة بداخله — وهي قدرة ظلت بعيدة عن متناول الباحثين حتى الآن.
ما الذي يجعل كيوبتات مايورانا خاصة
تنتسب جزيئات مايورانا إلى الفيزيائي الإيطالي Ettore Majorana، الذي توقع وجودها عام 1937. بخلاف الجزيئات العادية، جزيئات مايورانا هي الأضدادية لنفسها — وهي خاصية تمنحها خصائص ميكانيكية كمومية غير عادية. عند إنشاء أنماط مايورانا في نظام حالة صلبة، تظهر على شكل أزواج في نهايات متقابلة من هيكل نانوي مهندس بشكل خاص، مع توزيع المعلومات الكمومية عبر كلا الجزيئين في نفس الوقت.
هذا الترميز الموزع هو مصدر الحماية الطوبولوجية. لأن المعلومات لا تُخزن في أي موقع واحد، بل توزعت عبر أنماط مايورانا المقترنة، فإن الاضطرابات المحلية — الضوضاء التي تدمر الكيوبتات التقليدية — لا تستطيع إفسادها بسهولة. لتدمير المعلومات الكمومية، ستحتاج الضوضاء للتأثير على كلا جزيئي مايورانا في نفس الوقت، وهو احتمال أقل بكثير من إزعاج كيوبت واحد. هذه المرونة الطبيعية هي ما يجعل الكيوبتات الطوبولوجية جاذبة جداً لبناء حواسيب كمومية عملية.
ومع ذلك، الخاصية ذاتها التي تجعل كيوبتات مايورانا قوية تجعلها أيضاً صعبة جداً على القراءة. المعلومات الكمومية، بالتصميم، مخفية عن القياسات المحلية. تطوير طريقة للوصول إلى هذه المعلومات دون تدميرها كان أحد التحديات المركزية في الحوسبة الكمومية الطوبولوجية.
بناء سلسلة Kitaev من الصفر
لمواجهة هذا التحدي، قام فريق البحث ببناء ما يسمونه سلسلة Kitaev الدنيا — وهي هيكل نانوي معياري مستوحى من النموذج النظري الذي اقترحه الفيزيائي Alexei Kitaev عام 2001. يتكون الجهاز من نقطتي كم شبه موصلة متصلة عبر موصل فائق، مرتبة لتوليد أنماط مايورانا بطريقة خاضعة للتحكم وقابلة للتكرار.
يصف الباحثون الهندسة المعمارية بأنها تشبه كتل Lego — مكونات معيارية يمكن تجميعها وتكوينها لإنتاج الحالات الكمومية المرغوبة. تعمل نقاط الكم شبه الموصلة كذرات اصطناعية، تقيد الإلكترونات في مستويات طاقة منفصلة، بينما يوسط الموصل الفائق التفاعلات بينهما التي تعطي الفيزياء مايورانا. يسمح هذا النهج من الأسفل إلى الأعلى للفريق بهندسة النظام بدقة، وضبط المعاملات لإحضار الجهاز إلى النظام الطوبولوجي حيث تظهر أنماط مايورانا.
كان بناء هذا الجهاز يتطلب تطورات في النانوتصنيع وعلم المواد والهندسة التبريد. أجريت التجارب في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق — بضعة ميليكلفن فقط فوق سالب 273 درجة مئوية — حيث تهيمن التأثيرات الكمومية وتقل ضوضاء الحرارة. قدم فريق جامعة دلفت للتكنولوجيا، الذي لديه خبرة واسعة في الأجهزة الهجينة شبه الموصل-الموصل الفائق، المنصة التجريبية، بينما ساهمت مجموعة مدريد الإطار النظري الذي وجه تصميم الجهاز وتفسير البيانات.
اختراق السعة الكمومية
كان الابتكار الرئيسي هو تطوير تقنية قراءة قائمة على السعة الكمومية. بخلاف أساليب القياس التقليدية التي تتحقق من الخصائص المحلية لنقاط كم فردية، تعمل السعة الكمومية كما يصفها الباحثون بأنها مسح عام حساس للحالة الكلية للنظام. هذا حرج لأن المعلومات في كيوبت مايورانا غير محلية بطبيعتها — فهي تكمن في العلاقة بين أنماط مايورانا المقترنة بدلاً من أي نمط على حدة.
يعمل قياس السعة الكمومية بكشف ما إذا كانت الحالة الكمومية المدمجة لزوج مايورانا لها تماثل زوجي أو فردي — وهي خاصية تكشف عما إذا كان الكيوبت في حالته صفر أو حالته واحدة دون انهيار التراكب الكمومي الدقيق الذي يمكّن الحوسبة. قياس الترقيم هو العملية الأساسية المطلوبة لقراءة الكيوبتات الطوبولوجية، وإثبات ذلك تجريبياً هو إنجاز مهم.
أفاد الفريق بأن تماسك الترقيم — المدة التي تبقى فيها المعلومات الكمومية سليمة وقابلة للقراءة — تجاوز ميلي ثانية واحدة. بينما قد يبدو هذا قصيراً، إنه مقياس زمني واعد لعمليات كمومية. تقوم معالجات كمومية حديثة بإجراء عمليات بوابة في نانو ثانية، مما يعني أن وقت تماسك ميلي ثانية واحد قد يسمح بملايين العمليات قبل تدهور الحالة الكمومية.
تأكيد الحماية الطوبولوجية
بعيداً عن إنجاز القراءة، قدمت التجربة دليلاً مباشراً على أن آلية الحماية الطوبولوجية تعمل كما هو موضوع نظرياً. أثبت الباحثون أن الحالة الكمومية لكيوبت مايورانا كانت أكثر قوة بشكل جوهري ضد الاضطرابات المحلية مقارنة بما ستكون عليه حالات الكيوبتات التقليدية. هذا التأكيد مهم لأنه على الرغم من أن الحجج النظرية للحماية الطوبولوجية راسخة جيداً، فقد كان التحقق التجريبي في الأجهزة الحقيقية مليئاً بالتحديات وأحياناً مثيراً للجدل.
شهد مجال أبحاث مايورانا نكسة كبيرة في 2021 عندما تم سحب ورقة عالية الملف تدعي الأدلة على جزيئات مايورانا بسبب قلق تحليل البيانات. منذ ذلك الحين، اعتمدت المجتمع معايير أكثر صرامة للمطالبات التجريبية. يعكس نشر الدراسة الحالية في Nature، جنباً إلى جنب مع تحليلها النظري الشامل والتحقق التجريبي المستقل، هذا المعيار الأعلى ويضيف الثقة إلى النتائج.
الطريق إلى حاسوب كمومي طوبولوجي
بينما يوضح هذا الاختراق القدرة على إنشاء وقراءة كيوبتات مايورانا، فإن بناء حاسوب كمومي طوبولوجي عملي يتطلب عدة قدرات إضافية. يجب على الباحثين إثبات القدرة على التلاعب بكيوبتات مايورانا — تنفيذ العمليات الكمومية التي تشكل الحوسبة — وتوسيع النظام من كيوبت واحد إلى الآلاف أو الملايين المطلوبة لحسابات مفيدة.
توفر هندسة سلسلة Kitaev المعيارية مساراً طبيعياً نحو التوسع، حيث يمكن إضافة نقاط كم وموصلات فائقة إضافية لإنشاء سلاسل أطول وتكوينات كيوبت أكثر تعقيداً. أعلنت Microsoft، التي استثمرت بكثافة في الحوسبة الكمومية الطوبولوجية، في 2025 أنها حققت معالم رئيسية في أجهزة قائمة على مايورانا، والنهج الموصوف في هذه الدراسة الجديدة متوافق مع تلك الجهود.
بالنسبة لصناعة الحوسبة الكمومية الأوسع، تمثل قراءة كيوبت مايورانا دليل الحقيقة على أن الحوسبة الكمومية الطوبولوجية ليست مجرد فضول نظري بل نهج قابل للتطبيق تجريبياً لبناء معالجات كمومية متسامحة مع الأخطاء. ستكون الرحلة من هذه القراءة الأولى الناجحة إلى حاسوب كمومي طوبولوجي عملي طويلة، لكن مع هذه النتيجة، عبر المجال عتبة حرجة — من النظرية الواعدة إلى الممارسة المثبتة.
يستند هذا المقال على التقارير من Science Daily. اقرأ المقالة الأصلية.
