شريحة Willow من Google حققت تصحيح الأخطاء الكمومية. إليك ما يعنيه ذلك حقاً.
رقاقة Willow الكمومية من Google حققت ما يسعى الفيزيائيون لتحقيقه منذ عقود: جعل الأخطاء تختفي مع ازدياد حجم النظام. هذا الانعكاس — المزيد من الكيوبتات يعني أخطاء أقل — هو المشكلة المركزية غير المحلولة في الحوسبة الكمومية، ولأول مرة تم إثباتها على نطاق واسع.
لماذا تتعطل الحواسيب الكمومية
البت التقليدي دائمًا 0 أو 1. أما الكيوبت فيمكن أن يكون كلاهما في آن واحد — تراكب من الحالات يسمح للحواسيب الكمومية باستكشاف مساحات حلول شاسعة بالتوازي. يبدو هذا كقوة خارقة، وهو كذلك. وهو أيضًا السبب في صعوبة بناء الحواسيب الكمومية.
الكيوبتات هشة للغاية. أي تفاعل مع البيئة — مجال كهرومغناطيسي عابر، تذبذب طفيف في درجة الحرارة، حتى شعاع كوني — يمكن أن يسبب انهيار التماسك: ينسى الكيوبت حالته الكمومية وينهار إلى ضوضاء تقليدية عادية. تحافظ الكيوبتات الفيزيائية الحالية على التماسك لميكروثانية إلى ملي ثانية. هذا ليس وقتًا كافيًا لتشغيل عملية حسابية.
والأسوأ، أن كل عملية تقوم بها على كيوبت — كل بوابة منطقية في دائرتك — تُدخل أخطاء. هذه ليست أخطاء برمجية يمكنك تصحيحها. إنها عيوب فيزيائية: نبضات ميكروويف غير دقيقة، تداخل بين الكيوبتات المتجاورة، تسرب إلى حالات طاقة أعلى. على الأجهزة الحالية، يتراوح معدل الخطأ حوالي 0.1–1% لكل بوابة. شغّل دائرة بآلاف البوابات وستغرق في الضوضاء.
لهذا السبب لم تحل الحواسيب الكمومية بعد أي مشكلة غير قابلة للحل تقليديًا بطريقة مفيدة عمليًا. الدوائر المطلوبة للمشاكل الحقيقية — محاكاة جزيئات الأدوية، كسر التشفير، تحسين الخدمات اللوجستية — تحتاج إلى آلاف العمليات النظيفة والموثوقة. الآلات اليوم لا تستطيع تحمل ذلك.
أكواد السطح: إخفاء الأخطاء دون النظر
الحل الذي اقترحه الفيزيائيون الكموميون منذ فترة طويلة هو تصحيح الخطأ الكمومي. الفكرة هي ترميز كيوبت منطقي واحد عبر العديد من الكيوبتات الفيزيائية، مرتبة بحيث يمكن اكتشاف الأخطاء وتصحيحها دون قياس حالة الكيوبت المنطقي مباشرة — لأن القياس المباشر يدمر التراكب.
النهج الأكثر نضجًا هو كود السطح. في كود السطح، تُرتب الكيوبتات الفيزيائية في شبكة ثنائية الأبعاد. بعضها «كيوبتات بيانات» تحمل الحالة المنطقية؛ والبعض الآخر «كيوبتات مساعدة» تقوم بقياسات تكافؤ مستمرة على جيرانها. تكتشف هذه القياسات ما إذا حدث خطأ — انقلاب بت، انقلاب طور — وتكشف موقعه، دون الكشف عن الحالة المنطقية الأساسية. ثم يطبق البرنامج التصحيحات في المعالجة اللاحقة التقليدية.
أكواد السطح جذابة لأنها تتحمل معدلات خطأ فيزيائية عالية نسبيًا وتتطلب فقط تفاعلات الجار الأقرب على الرقاقة. المشكلة: تحتاج إلى الكثير من الكيوبتات الفيزيائية. تقديرات كيوبت منطقي عملي متسامح مع الأخطاء تتراوح من مئات إلى آلاف الكيوبتات الفيزيائية، اعتمادًا على معدل الخطأ المستهدف.
العتبة: رقم حاسم
هذا هو المفهوم الأساسي الذي يجعل نتيجة Willow مهمة. تعمل أكواد السطح فقط إذا كان معدل خطأ الكيوبت الفيزيائي أقل من قيمة حرجة تسمى عتبة تحمل الأخطاء — حوالي 1% لكل عملية لأكواد السطح.
فوق العتبة، إضافة المزيد من الكيوبتات الفيزيائية يجعل الأمور أسوأ. العبء الإضافي لتصحيح الأخطاء يقدم المزيد من العمليات، والتي تقدم المزيد من الأخطاء، مما يطغى على التصحيح. أنت تجري أسرع لتبقى في مكانك وتخسر.
تحت العتبة، تنقلب الرياضيات. إضافة المزيد من الكيوبتات الفيزيائية لكل كيوبت منطقي — زيادة ما يسمى مسافة الكود — يقمع معدل الخطأ المنطقي بشكل أسي. كل مرة تزيد فيها مسافة الكود، تصبح الأخطاء أندر. هذا هو النظام الذي يعمل فيه تصحيح الأخطاء فعليًا.
كل تجربة جدية لتصحيح الخطأ الكمومي استهدفت هذه العتبة. ورقاقة Willow من Google، التي أُعلن عنها في ديسمبر 2024، تجاوزتها — وأثبتت أن التوسع يساعد حقًا.
ما فعله Willow بالضبط
Willow هي رقاقة فائقة التوصيل مكونة من 105 كيوبتات تم تصنيعها بدقة تصنيع محسّنة بشكل كبير مقارنة بمعالج Sycamore السابق من Google. النتيجة الرئيسية: مع توسيع الفريق لكود السطح من مسافة-3 (17 كيوبتًا) إلى مسافة-5 (49 كيوبتًا) إلى مسافة-7 (101 كيوبت)، انخفض معدل الخطأ المنطقي بشكل أسي مع كل خطوة. في كل مرة أضافوا فيها المزيد من الكيوبتات الفيزيائية، أصبح الكيوبت المنطقي أنظف.
هذا أول إثبات على نطاق ذي معنى أن تصحيح الخطأ الكمومي يفعل ما تنبأت به النظرية. السلوك تحت العتبة تم إظهاره في تجارب صغيرة من قبل، لكن أبدًا بهذا العدد من الكيوبتات وبهذا المنحنى النظيف للتوسع.
قامت Google أيضًا بتشغيل معيار أخذ عينات الدوائر العشوائية على Willow — نفس فئة المهام المستخدمة للادعاء بالتفوق الكمومي في 2019. كانت النتيجة مذهلة: أكمل Willow المعيار في أقل من خمس دقائق. تقدر Google أن نفس العملية الحسابية ستستغرق حوالي 10 سبتيليون سنة (1025 سنة) على حاسوب فائق تقليدي.
هذا الرقم يحتاج إلى سياق صادق. أخذ عينات الدوائر العشوائية ليس عملية حسابية مفيدة. لقد صُمم خصيصًا ليكون صعبًا على الحواسيب التقليدية وسهلًا على الكمومية — إنه معيار، وليس تطبيقًا. لا أحد يحتاج إلى أخذ عينات من دوائر كمومية عشوائية. النتيجة تظهر قدرة الأجهزة، وليس تفوقًا كموميًا عمليًا.
الفجوة بين الإنجاز والفائدة
هنا يلتقي الضجيج بالواقع. إظهار تصحيح الخطأ تحت العتبة باستخدام 105 كيوبتات هو إنجاز فيزيائي حقيقي. إنه يؤكد أن الأساس النظري للحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء سليم تجريبيًا. هذا مهم للغاية.
لكن المسافة بين هذا الإنجاز وحاسوب كمومي يحل مشاكل حقيقية شاسعة. فكر فيما تتطلبه الحوسبة المتسامحة مع الأخطاء:
- كسر تشفير RSA-2048 (خوارزمية شور) سيتطلب حوالي 4000 كيوبت منطقي — كل منها مدعوم بـ 1000 كيوبت فيزيائي تقريبًا — بإجمالي حوالي 4 ملايين كيوبت فيزيائي بمعدلات خطأ أقل بكثير مما تحققه Willow اليوم.
- محاكاة جزيء دوائي مفيد (يتجاوز ما تستطيع الحواسيب التقليدية التعامل معه) من المحتمل أن يتطلب مئات من الكيوبتات المنطقية عالية الجودة.
- حتى التقديرات المتفائلة تضع الحوسبة الكمومية العملية المتسامحة مع الأخطاء على بعد عقد من الزمن.
Willow تحتوي على 105 كيوبتات فيزيائية تُظهر تصحيح الأخطاء. الفجوات ذات الرتب المقدارية — من مئات إلى ملايين الكيوبتات، من معدلات الأخطاء الحالية إلى عتبات تحمل الأخطاء للدوائر المفيدة — لا تزال بحاجة إلى أن تُسد.
السباق الأوسع
Google ليست وحدها. خارطة الطريق الكمومية لـ IBM تستهدف أكثر من 100,000 كيوبت بحلول 2033، مع تركيز معماري على الأنظمة المعيارية المتصلة عبر روابط كمومية. أظهرت IBM أيضًا تقدمًا في تصحيح الأخطاء، باستخدام عائلة أكواد مختلفة تسمى أكواد heavy-hex المحسّنة لاتصال الكيوبتات لديها.
مايكروسوفت تراهن على كيوبت فيزيائي مختلف جذريًا: كيوبتات طوبولوجية تعتمد على جسيمات شبه غريبة تسمى فرميونات ماجورانا. إذا أمكن تحقيقها، فإن الكيوبتات الطوبولوجية سيكون لها معدلات خطأ منخفضة بطبيعتها — مما يجعل تصحيح الخطأ أرخص بكثير من حيث العبء الإضافي للكيوبتات الفيزيائية. أظهرت نتائج مايكروسوفت في 2025 مع رقاقة Majorana 1 إشارات مبكرة واعدة، على الرغم من أن هذا النهج لا يزال أقل نضجًا من الأنظمة فائقة التوصيل.
IonQ، Quantinuum وآخرون يسعون وراء الكيوبتات الأيونية المحصورة، التي تتمتع بدقة بوابة أعلى من الكيوبتات فائقة التوصيل ولكنها أبطأ وأصعب في التوسع. حققت معالجات سلسلة H من Quantinuum بعضًا من أعلى دقة بوابة ثنائية الكيوبت تم تسجيلها على الإطلاق.
كل نهج رئيسي لديه مسار موثوق. لم يصل أي منها إلى خط النهاية.
ما يعنيه هذا حقًا
نتيجة Willow تحت العتبة تجيب على سؤال طارد الحوسبة الكمومية لمدة 30 عامًا: هل يعمل تصحيح الخطأ الكمومي فعليًا في نظام فيزيائي على نطاق واسع، أم أن الواقع الهندسي يتدخل دائمًا ليكسر الرياضيات؟ الإجابة الآن هي نعم تجريبيًا — إنه يعمل.
هذا يغير المشكلة من «هل يمكننا فعل هذا من حيث المبدأ» إلى «كيف نوسع هذا بأربع مراتب مقدارية». الثاني هو مشكلة هندسية، وليست مشكلة فيزيائية. المشاكل الهندسية صعبة ومكلفة وبطيئة — لكنها تُحل بالتكرار والاستثمار والوقت. المشاكل الفيزيائية قد تكون غير قابلة للحل.
Willow لم تجعل الحوسبة الكمومية وشيكة. جعلتها ذات مصداقية. العقد القادم سيحدد ما إذا كانت الهندسة قادرة على اللحاق بالفيزياء التي أثبتت قضيتها للتو.