الكيوبتات الفيزيائية والمنطقية

في الحوسبة الكمومية ، الكيوبت وحدة معلومات تُشابه البت (الرقم الثنائي) في الحوسبة التقليدية ، لكنها تتأثر بخصائص ميكانيكية كمومية كالتراكب والتشابك ، مما يجعلها في بعض النواحي أقوى من البتات التقليدية في بعض المهام . تُستخدم الكيوبتات في الدوائر الكمومية والخوارزميات الكمومية المُكوّنة من بوابات منطقية كمومية لحل المسائل الحسابية ، حيث تُستخدم للإدخال والإخراج والحسابات الوسيطة.

الكيوبت الفيزيائي هو جهاز مادي يعمل كنظام كمومي ثنائي الحالة ، ويُستخدم كمكون في نظام حاسوبي . ^{[ 1 ] [ 2 ]} أما الكيوبت المنطقي فهو كيوبت فيزيائي أو مجرد يعمل وفقًا لما هو محدد في خوارزمية كمومية أو دائرة كمومية ^{[ 3 ]،} ويخضع لتحويلات وحدوية ، وله زمن تماسك طويل بما يكفي لاستخدامه في البوابات المنطقية الكمومية (انظر تأخير الانتشار للبوابات المنطقية الكلاسيكية). ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 5 ]}

منذ تطوير أول حاسوب كمومي عام 1998، واجهت معظم التقنيات المستخدمة لتنفيذ الكيوبتات مشكلات تتعلق بالاستقرار، وفقدان الترابط الكمومي ، ^{[ 6 ] [ 7 ]} وتحمل الأعطال ^{، [ 8 ] [ 9 ]} وقابلية التوسع . ^{[ 6 ] [ 9 ] [ 10 ]} ولهذا السبب، يلزم وجود العديد من الكيوبتات الفيزيائية لأغراض تصحيح الأخطاء ، وذلك لإنتاج كيان يتصرف منطقيًا كما لو كان كيوبتًا واحدًا في دائرة أو خوارزمية كمومية؛ وهذا هو موضوع تصحيح الأخطاء الكمومية . ^{[ 3 ] [ 11 ]} وبالتالي، تتكون الكيوبتات المنطقية المعاصرة عادةً من العديد من الكيوبتات الفيزيائية لتوفير الاستقرار وتصحيح الأخطاء وتحمل الأعطال اللازمة لإجراء عمليات حسابية مفيدة. ^{[ 1 ] [ 7 ] [ 11 ]}

في عام 2023، أظهر باحثون في جوجل كيف يمكن لتصحيح الأخطاء الكمومية تحسين أداء الكيوبت المنطقي عن طريق زيادة عدد الكيوبتات الفيزيائية. ^{[ 12 ]} وقد وجدت هذه النتائج أن الكيوبت المنطقي الأكبر (49 كيوبتًا فيزيائيًا) يتميز بمعدل خطأ أقل، حوالي 2.9% لكل جولة تصحيح، مقارنةً بمعدل حوالي 3.0% للكيوبت المنطقي الأصغر (17 كيوبتًا فيزيائيًا). ^{[ 13 ]}

في عام 2024، ابتكر باحثون في شركة IBM رمزًا لتصحيح الأخطاء الكمومية أكثر كفاءة بعشر مرات من الأبحاث السابقة، حيث يحمي 12 كيوبتًا منطقيًا لما يقارب مليون دورة من عمليات التحقق من الأخطاء باستخدام 288 كيوبتًا. ^{[ 14 ] [ 15 ]} يُظهر هذا العمل إمكانية تصحيح الأخطاء على الأجهزة المتاحة حاليًا مع تقليل الحمل الزائد - أي عدد الكيوبتات الفيزيائية اللازمة للحفاظ على انخفاض الأخطاء. ^{[ 16 ]}

في عام 2024، أعلنت مايكروسوفت وشركة كوانتينوم عن نتائج تجريبية أظهرت إمكانية إنشاء كيوبتات منطقية باستخدام عدد أقل بكثير من الكيوبتات الفيزيائية. ^{[ 17 ]} استخدم الفريق تقنيات تصحيح الأخطاء الكمومية التي طورتها مايكروسوفت، بالإضافة إلى أجهزة الأيونات المحصورة من كوانتينوم ، لدمج 30 كيوبتًا فيزيائيًا في أربعة كيوبتات منطقية. ولتحقيق ذلك، استخدم العلماء نظامًا لمحاكاة الكيوبتات وتقنية استخلاص المتلازمة النشطة، والمعروفة أيضًا بتصحيح الأخطاء المتكرر. ^{[ 18 ]} يحدد هذا العمل كيفية إنشاء كيوبتات منطقية ضمن الحوسبة الكمومية. ^{[ 19 ]}

لقد ثبت أن عمليات البوابات الكمومية أحادية البت وثنائية البت عالمية. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} ويمكن تمثيل الخوارزمية الكمومية كدائرة كمومية . ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يُحدد الكيوبت المنطقي كيفية تصرف كيوبت واحد في خوارزمية كمومية، وذلك وفقًا لعمليات المنطق الكمومي التي يمكن بناؤها باستخدام بوابات المنطق الكمومي. مع ذلك، فإنّ المشكلات في التقنيات الحالية تحول دون قدرة الأنظمة الكمومية ثنائية الحالة ، التي يمكن استخدامها ككيوبتات فيزيائية ، على ترميز هذه المعلومات والاحتفاظ بها بشكل موثوق لفترة كافية لتكون مفيدة. لذا، تتطلب المحاولات الحالية لإنتاج حواسيب كمومية قابلة للتطوير تصحيحًا كموميًا للأخطاء، ويجب استخدام كيوبتات فيزيائية متعددة (عددها كبير حاليًا) لإنشاء كيوبت منطقي واحد مقاوم للأخطاء. اعتمادًا على آلية تصحيح الأخطاء المستخدمة، ومعدلات الخطأ لكل كيوبت فيزيائي، يمكن تكوين كيوبت منطقي واحد من 1000 كيوبت فيزيائي كحد أقصى. ^{[ 26 ]}

يُقترح نهج الكيوبتات الطوبولوجية ، الذي يستفيد من التأثيرات الطوبولوجية في ميكانيكا الكم ، باعتباره يتطلب عددًا أقل بكثير من الكيوبتات الفيزيائية، أو حتى كيوبتًا واحدًا فقط، لكل كيوبت منطقي. ^{[ 10 ]} تعتمد الكيوبتات الطوبولوجية على فئة من الجسيمات تُسمى الأنيونات، والتي لها عزم مغزلي ليس نصف صحيح ( فيرميونات ) ولا صحيح ( بوزونات )، وبالتالي لا تخضع لإحصاءات فيرمي-ديراك ولا لإحصاءات بوز-أينشتاين لسلوك الجسيمات. ^{[ 27 ]} تُظهر الأنيونات تناظرًا مضفرًا في خطوطها العالمية ، وهو ما يُوفر خصائص مرغوبة لاستقرار الكيوبتات. والجدير بالذكر أن الأنيونات يجب أن توجد في أنظمة مُقيدة ببعدين مكانيين أو أقل، وفقًا لنظرية إحصاءات العزم المغزلي ، التي تنص على أنه في ثلاثة أبعاد مكانية أو أكثر، لا يُمكن إلا وجود الفيرميونات والبوزونات. ^{[ 27 ]} في عام 2025، أحرز الباحثون تقدماً في الحوسبة الكمومية الطوبولوجية من خلال قياس حالة جسيمات خاصة تسمى أنماط ماجورانا الصفرية بنجاح في خطوة واحدة. ^{[ 28 ]}

• تصحيح الأخطاء الكمومية ونظرية العتبة الكمومية
• الحوسبة الكمومية §  العقبات
• الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل
  • تقاطع جوزيفسون
• الحوسبة الكمومية للأيونات المحصورة
• الحوسبة الكمومية القائمة على أشباه الموصلات
  • النقاط الكمومية
• الحوسبة الكمومية الطوبولوجية