فريق من جامعة سري يقترح تصميماً لـ «كيوبت» الهيليوم الفائق الميوعة لخفض معدلات الخطأ الكمي

جيلدفورد، المملكة المتحدة — قدّم باحثون في جامعة سري تصميماً مفاهيمياً جديداً للبت الكمي، أو الكيوبت، يستفيد من الهيليوم الفائق الميوعة لخفض معدلات الخطأ في الأجهزة الكمية بشكل كبير، وذلك وفقاً لتقرير نشرته منصة phys.org في 8 سبتمبر 2026. وتعالج البنية المقترحة إحدى أكثر العقبات استمراراً في علوم المعلومات الكمية: وهي حساسية الكيوبتات الفيزيائية للضوضاء البيئية، مما يؤدي إلى تدهور الحالة الكمية وحدوث أخطاء حسابية. ومن خلال استغلال الخصائص المترابطة والخالية من الاحتكاك للهيليوم السائل المبرد إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يهدف فريق البحث في جامعة سري إلى إنشاء منصة فيزيائية مبتكرة يمكن أن تسهم في تسهيل الطريق نحو أجهزة كمبيوتر كمية واسعة النطاق ومقاومة للأخطاء.

## حقائق رئيسية - صمم باحثون في جامعة سري بنية مفاهيمية للكيوبت تستفيد من الخصائص الفيزيائية للهيليوم الفائق الميوعة. - صُمّم هذا التصميم للحد من فقدان الترابط والضوضاء التشغيلية، اللذين يجبران مطوري الأجهزة الكمية حالياً على نشر بروتوكولات مكثفة لتصحيح الأخطاء. - يخضع الهيليوم-4 السائل لانتقال طوري إلى حالة الميوعة الفائقة عند "نقطة لامدا" البالغة نحو 2.17 كلفن (-270.98 درجة مئوية)، حيث تنخفض لزوجته تماماً إلى الصفر. - تعمل المعالجات الكمية فائقة التوصيل القياسية، مثل تلك التي تعتمد على كيوبتات الترانزمون (transmon)، داخل ثلاجات التخفيف في درجات حرارة شديدة الانخفاض تتراوح بين 10 و15 ميلي كلفن. - يأتي هذا التطوير المفاهيمي وسط استثمارات دولية أوسع في الأجهزة الكمية، بما في ذلك الاستراتيجية الوطنية للتقنيات الكمية في المملكة المتحدة بقيمة 2.5 مليار جنيه إسترليني والممتدة لعشر سنوات من 2023 إلى 2033.

## ماذا حدث صاغ فريق البحث في جامعة سري إطاراً نظرياً ومفاهيمياً لكيوبت يدمج الهيليوم الفائق الميوعة كوسط أساسي له. في الحوسبة الكلاسيكية، يوجد البت إما كصفر أو واحد ثنائي حصراً. وفي المقابل، يعتمد البت الكمي على مبادئ ميكانيكا الكم مثل التراكب والتشابك للوجود في مزيج من الحالات في وقت واحد، مما يمنح مزايا معالجة أسية لمشكلات رياضية محددة.

ومع ذلك، فإن التطبيقات الفيزيائية الحالية للكيوبتات — سواء كانت مصنعة من دوائر فائقة التوصيل، أو أيونات محتجزة، أو نقاط كمية شبه موصلة — تتسم بهشاشة فائقة. إذ تتسبب الاضطرابات الدقيقة الناجمة عن الطاقة الحرارية المحيطة، أو الإشعاع الكهرومغناطيسي الشارد، أو العيوب المادية على المستوى الذري في فقدان الكيوبتات لخصائصها الكمية، وهي ظاهرة تُعرف باسم "فقدان الترابط" (decoherence). وعندما يحدث فقدان الترابط، تتعرض المعلومات المخزنة للتلف، مما يدخل أخطاء على الحسابات.

ووفقاً لتقرير منصة phys.org، يقدم التصميم المفاهيمي لجامعة سري نهجاً هيكلياً مبتكراً لعزل الكيوبت عن هذه الاضطرابات البيئية. وباستخدام الهيليوم الفائق الميوعة — وهو حالة من حالات المادة يتدفق فيها الهيليوم السائل بلزوجة ميكانيكية معدومة ويظهر ترابطاً كمياً جلياً — يُنشئ التصميم ركيزة تبريد عالية الهدوء. وتقلل هذه البنية النظرية من تبدد الطاقة المباشر وفقدان الطور غير المرغوب فيهما، مما يتيح محتملاً للبيانات الكمية الاستمرار لفترات أطول بكثير مقارنة بالأجهزة الصلبة التقليدية.

## أهمية هذا التطور تتمثل العقبة الرئيسية التي تمنع أجهزة الكمبيوتر الكمية من حل المشكلات المعقدة في العالم الحقيقي — مثل محاكاة البنى الجزيئية لعلم الصيدلة المتقدم، أو تحسين شبكات اللوجستيات العالمية، أو كسر خوارزميات التشفير الحديثة — في التوسع في الأجهزة. وعلى الرغم من أن المعالجات الكمية الحديثة تحتوي على عشرات إلى مئات الكيوبتات الفيزيائية، فإن معدلات الخطأ الحالية تظل مرتفعة للغاية بحيث لا تسمح بحسابات مستمرة دون مساعدة. وتتراوح معدلات الخطأ في بوابات الكيوبتات الثنائية في الأنظمة فائقة التوصيل الرائدة عادة بين 0.1 بالمئة و1 بالمئة.

ولتحقيق حسابات موثوقة، يجب أن تستخدم الأنظمة تصحيح الأخطاء الكمية (QEC). وتجمع بروتوكولات تصحيح الأخطاء الكمية عشرات أو مئات أو حتى آلاف الكيوبتات الفيزيائية معا لتشكيل "كيوبت منطقي" واحد شديد التحمل. وتحت عتبات الخطأ الحالية، فإن بناء كمبيوتر كمي ذي جدوى تجارية يحتوي على بضعة آلاف من الكيوبتات المنطقية سيتطلب نظاماً يضم ملايين الكيوبتات الفيزيائية. ويفرض هذا النطاق عوائق هندسية هائلة، بما في ذلك متطلبات التبريد الشديد، والتوصيلات المعقدة للتحكم بالموجات الدقيقة، والاستهلاك العالي للطاقة.

وإذا حقق مفهوم كيوبت الهيليوم الفائق الميوعة لجامعة سري حتى تخفيضاً متواضعاً في معدلات الخطأ الفيزيائي، فقد يغير هذا الديناميكيات بشكل جذري. إذ تقلل معدلات الخطأ الفيزيائي الذاتي المنخفضة من نسبة العبء الإضافي — أي عدد الكيوبتات الفيزيائية المطلوبة لدعم كل كيوبت منطقي. ومن شأن خفض هذه النسبة بمقدار درجة واحدة أن يتيح لمصنعي الأجهزة الكمية الوصول إلى حوسبة كمية مقاومة للأخطاء بمعالجات فيزيائية أصغر بكثير، مما يقلل تعقيد تصنيع الأجهزة وتكاليف التشغيل.

## خلفية الموضوع يعود تاريخ الفيزياء وراء الميوعة الفائقة إلى نحو قرن من الزمان. ففي عام 1937، اكتشف الفيزيائي بيوتر كابيتسا في موسكو، إلى جانب جون ألين ودون ميسينر في كامبريدج، بشكل مستقل أن الهيليوم-4 السائل يتحول إلى حالة الميوعة الفائقة عند تبريده إلى ما دون 2.17 كلفن، وهو حد يُعرف باسم "نقطة لامدا". وفي هذا النظام، تتكثف ذرات الهيليوم في حالة أرضية كمية واحدة توصف بدالة موجية واحدة. ويوصل الهيليوم الفائق الميوعة الحرارة بصورة شبه فورية، ولا يظهر أي لزوجة قابلة للقياس، ويمكنه الزحف في غشاء مجهري فوق جدران الوعاء الذي يحتويه.

وعلى مدى العقود الاثنين الماضية، استكشف الفيزيائيون بشكل دوري الهيليوم السائل كبيئة مثالية للتجارب الكمية. وشمل أحد المسارات البارزة "الإلكترونات على الهيليوم"، حيث تُحتجز الإلكترونات المفردة فوق سطح الهيليوم السائل بواسطة شحناتها الصورة الخاصة ويتم الإمساك بها في مكانها بوساطة مجالات كهروسكونية خارجية. ولأن الهيليوم السائل لا يحتوي فعلياً على شوائب ذرية، ويتمتع بغزل نووي معدوم، ويحافظ على سطح سائل أملس للغاية خالٍ من العيوب البلورية، فإن الإلكترونات المعلقة فوقه تتعرض لضوضاء مغناطيسية وكهربائية منخفضة للغاية.

وعلى الرغم من هذه الخصائص الفيزيائية الجذابة، حققت النهوج القائمة على الحالة الصلبة أسبقية هائلة في السباق العالمي نحو التفوق الكمي. فالدوائر فائقة التوصيل القائمة على وصلات جوزيفسون — التي رُئدت في أواخر تسعينيات القرن الماضي وأوائل القرن الحادي والعشرين — استفادت من تقنيات الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات الراسخة، مما سمح لشركات مثل IBM وGoogle وRigetti بالتوسع السريع في تصاميم الرقائق. وبالمثل، استغلت أنظمة الأيونات المحتجزة التي طورتها شركات مثل IonQ وQuantinuum أدوات تحكم دقيقة بالليزر لتحقيق دقة بوابات عالية. ومع ذلك، ومع اقتراب كل من الأنظمة فائقة التوصيل والأيونات المحتجزة من السقوف الهندسي المتعلق بالتداخل والعيوب المادية وكثافة التوصيل، تشهد البنى الفيزيائية البديلة — بما في ذلك الذرات المحايدة، والكيوبتات التوبولوجية، وأنظمة الهيليوم السائل — اهتماماً متجدداً من المؤسسات البحثية حول العالم.

## ردود الفعل في حين قدم فريق جامعة سري مساراً نظرياً واعداً، يؤكد الفيزيائيون التجريبيون والمهندسون الكميون أن التصاميم المفاهيمية للكيوبت تمثل فقط المرحلة الأولية من دورة تطوير طويلة. ويُقيم الباحثون الأكاديميون في علوم المعلومات الكمية عادة المقترحات الجديدة للكيوبت بناءً على إثباتات رياضية صارمة للتحكم بالحالة، ونمذجة تفصيلية للضوضاء، ومدى القابلية للتطبيق تحت ظروف المختبر القياسية.

ويدرك متخصصو القطاع أن ترجمة مفاهيم الهيليوم الفائق الميوعة إلى أجهزة فيزيائية تفرض تحديات هندسية فريدة في مجالات الموائع الدقيقة والتبريد العميق. إذ يتطلب تشغيل أنظمة الهيليوم السائل في درجات حرارة الميلي كلفن داخل ثلاجات التخفيف إدارة فائقة الدقة للضغط، وإخماداً صوتياً متخصصاً، وأنظمة ميكانيكية الكترونية دقيقة (MEMS) متقدمة للتعامل مع المائع دون إحداث اضطراب ميكانيكي.

علاوة على ذلك، أولت هيئات البحث العامة في المملكة المتحدة — التي تعمل تحت مظلة الاستراتيجية الوطنية للتقنيات الكمية الحكومية البالغة 2.5 مليار جنيه إسترليني — أولوية متزايدة للمشاريع التي تجسر الفجوة بين الفيزياء النظرية والتصنيع العملي. ويتوقع مراقبو الأوساط العلمية أن يدقق متخصصو الأجهزة الكمية مقترح فريق سري في الندوات الأكاديمية القادمة لتقييم ما إذا كان التصميم يمكن أن يتكامل بسلاسة مع إلكترونيات التحكم بالموجات الدقيقة الحالية أو أنظمة القراءة الضوئية.

## ما لا نعرفه بعد عدة تفاصيل فنية لا تزال غير مؤكدة بشأن تصميم الكيوبت لجامعة سري: - الآلية الفيزيائية الدقيقة المستخدمة لترميز الحالات الكمية داخل وسط الهيليوم الفائق الميوعة أو فوقه (على سبيل المثال، ما إذا كان الكيوبت يستخدم حالات الغزل الإلكتروني، أو الأمواج الصوتية السطحية، أو خطوط الدوامات الكمية) ليست مفصلة بالكامل في التقرير الأولي. - لم ينشر المشروع بعد قياسات تجريبية لزمن الاسترخاء في الطاقة (T1) أو زمن فقدان الطور (T2)، حيث تتطلب هذه المقاييس بناء نماذج أولية فيزيائية واختبارها في بيئة شديدة التبريد. - تظل بنية التحكم الدقيقة لتنفيذ عمليات البوابات ذات الكيوبت الواحد والكيوبت المزدوج غير مؤكدة. ومن غير الواضح ما إذا كانت معالجة الحالة ستعتمد على نبضات التردد الراديوي، أو رنانات الموجات الدقيقة، أو الملاقط الضوئية بالليزر المركّز. - يظل مدى توافق التصميم مع عمليات تصنيع أشباه الموصلات القياسية غير معروف. ويجب على المطورين تحديد ما إذا كان يمكن إنتاج خلايا كيوبت الهيليوم الفائق الميوعة بكميات تجارية على رقاقات السيليكون أو الياقوت الأزرق إلى جانب دوائر القراءة الكلاسيكية.

## التطورات المرتقبة التطورات الرئيسية التي يجب مراقبتها في الأشهر القادمة تشمل: - النشر الرسمي للورقة المحكّمة لفريق البحث بجامعة سري في مجلة أكاديمية مرموقة، والتي ستحدد الإطار الرياضي الكامل، والمعلمات الفيزيائية، وهندسة الجهاز. - العروض التقديمية التي سيقدمها فريق جامعة سري في المؤتمرات الدولية للفيزياء، مثل اجتماع مارس للجمعية الفيزيائية الأمريكية (APS)، حيث سيحلل علماء مستقلون النمذجة النظرية. - الإعلانات عن منح المتابعة الممنوحة أو الشراكات الصناعية التي تهدف إلى بناء أول نموذج أولي فيزيائي لكيوبت الهيليوم الفائق الميوعة. - الجهود التجريبية من مراكز البحوث المنافسة في مجالات التبريد والتقنيات الكمية التي تسعى لتكرار أو تكييف ركائز الهيليوم الفائق الميوعة لعزل الحالة الكمية.

يعتمد هذا التقرير على التغطية الأصلية التي أعدتها منصة phys.org.