تتطلب الحواسيب الكمومية ملايين الكيوبتات لتحقيق إمكانياتها. تعرف على كيف تمكن العلماء من تطوير شريحة ضوئية ثورية.
شريحة قادرة على عرض الفيديو بحجم حبة رمل
تتطلب الحواسيب الكمومية، وفقًا للعديد من التقديرات، ملايين الكيوبتات لتحقيق إمكانياتها في التطبيقات المتعلقة بالأمن السيبراني وتطوير الأدوية وغيرها من الصناعات. المشكلة تكمن في أن أي شخص أراد التحكم في ملايين من نوع معين من الكيوبتات في وقت واحد واجه صعوبة في التحكم في ملايين من أشعة الليزر.
هذا هو التحدي الذي واجهه العلماء المشاركون في مشروع MITRE Quantum Moonshot، الذي جمع بين علماء من MITRE وMIT وجامعة كولورادو في بولدر ومختبرات سانديا الوطنية. الحل الذي توصلوا إليه جاء في شكل تقنية عرض الصور التي أدركوا أنها قد تكون أيضًا حلاً للعديد من التحديات الأخرى في الواقع المعزز، التصوير الطبي، وغيرها. الجهاز هو شريحة ضوئية بحجم ملليمتر مربع واحد قادرة على عرض لوحة الموناليزا على مساحة أصغر من حجم بيضتين بشريتين.
يقول مات إيشينفيلد، أحد قادة مشروع Quantum Moonshot، وهو جهد بحثي تعاوني يركز على تطوير حاسوب كمومي قائم على الألماس: “عندما بدأنا، لم نتوقع أبدًا أننا سنقوم بصنع تقنية قد تحدث ثورة في التصوير”. كل ثانية، يمكن لشريحتهم عرض 68.6 مليون نقطة ضوء فردية – تُسمى بكسلات قابلة للمسح لتفريقها عن البكسلات الفيزيائية. هذه أكثر من خمسين مرة من قدرة التكنولوجيا السابقة، مثل مصفوفات المرايا الدقيقة (MEMS).
يقول هنري وين، باحث زائر في MIT ومهندس ضوئيات في QuEra Computing: “لقد صنعنا الآن بكسل قابل للمسح عند الحد الأقصى لما يسمح به التشتت”.
الميزة المميزة للشريحة هي مجموعة من الكانتليفرات الدقيقة، التي تنحني بعيدًا عن مستوى الشريحة استجابةً للجهد وتعمل كـ”زلاجات صغيرة” للضوء. يتم توجيه الضوء على طول كل كانتليفر عبر دليل موجي، ويخرج عند طرفه. تحتوي الكانتليفرات على طبقة رقيقة من نيتريد الألمنيوم، وهو مادة بيزوكهربائية تتوسع أو تنكمش تحت الجهد، مما يحرك الميكانيكية الصغيرة لأعلى ولأسفل، مما يمكّن المجموعة من مسح أشعة الضوء على منطقة ثنائية الأبعاد.
على الرغم من حجم إنجاز الفريق، يقول إيشينفيلد إن عملية هندسة الكانتليفرات كانت “سلسة جدًا”. كل كانتليفر يتكون من مجموعة من عدة طبقات فرعية ميكرومترية من المواد وينحني حوالي 90 درجة بعيدًا عن المستوى في حالة الراحة. لتحقيق هذه الانحناءة العالية، استغل الفريق الفروق في الانكماش والتوسع للطبقات الفردية الناجمة عن الضغوط الفيزيائية في المادة الناتجة عن عملية التصنيع. يتم أولاً ترسيب المواد بشكل مسطح على الشريحة. ثم، تتم إزالة طبقة تحت الكانتليفر، مما يسمح للضغوط المادية بالتأثير، مما يحرر الكانتليفر من الشريحة ويسمح له بالانحناء للخارج. تحتوي الطبقة العلوية من كل كانتليفر أيضًا على سلسلة من قضبان ثاني أكسيد السيليكون التي تعمل بشكل عمودي على الدليل الموجي، مما يمنع الكانتليفر من الانحناء على عرضه بينما يحسن أيضًا انحناءه في الطول.
كان التحدي الأكبر من هندسة الشريحة نفسها هو معرفة تفاصيل كيفية جعل الشريحة تعرض الصور ومقاطع الفيديو. كان العمل على عملية مزامنة وتوقيت حركة الكانتليفرات وأشعة الضوء لتوليد الألوان الصحيحة في الوقت المناسب جهدًا كبيرًا، وفقًا لأندي غرينسبون، باحث في MITRE عمل أيضًا على المشروع. الآن، تمكن الفريق من عرض مجموعة متنوعة من مقاطع الفيديو من كانتليفر واحد، بما في ذلك مقاطع من فيلم عيد الميلاد تشارلي براون.
نظرًا لأن الشريحة يمكنها عرض المزيد من النقاط في أي فترة زمنية مقارنةً بأي ماسح ضوئي سابق، يمكن استخدامها أيضًا للتحكم في عدد أكبر من الكيوبتات في الحواسيب الكمومية. مهمة برنامج Quantum Moonshot هي بناء حاسوب كمومي يمكن توسيعه إلى ملايين الكيوبتات. لذا من الواضح أنه يحتاج إلى طريقة قابلة للتوسع للتحكم في كل واحد، كما يوضح وين. بدلاً من استخدام ليزر واحد لكل كيوبت، أدرك الفريق أن ليس كل كيوبت يحتاج إلى التحكم فيه في كل لحظة. ستسمح قدرة الشريحة على تحريك أشعة الضوء على منطقة ثنائية الأبعاد لهم بالتحكم في جميع الكيوبتات باستخدام عدد أقل بكثير من الليزر.
تعتقد وين أيضًا أن الشريحة يمكن أن تحسن عملية مسح الأشياء للطباعة ثلاثية الأبعاد. اليوم، يتضمن ذلك عادةً استخدام ليزر واحد لمسح السطح بالكامل لجسم ما. ومع ذلك، يمكن للشريحة الجديدة أن تستخدم آلاف أشعة الليزر. “أعتقد أنه يمكنك الآن أخذ عملية كانت ستستغرق ساعات وتقليلها إلى دقائق”، كما يقول وين.
وهو متحمس أيضًا لاستكشاف إمكانيات أشكال الكانتليفر المختلفة. من خلال تغيير اتجاهات القضبان العمودية على الدليل الموجي، تمكن الفريق من جعل الكانتليفرات تنحني إلى شكل حلزوني. يقول وين إن مثل هذه الأشكال غير العادية قد تكون مفيدة في صنع مختبر على شريحة لعلم الأحياء الخلوية أو تطوير الأدوية. “الكثير من هذه الأشياء تتعلق بالتصوير، مسح الليزر عبر شيء ما، إما لتصويره أو لتحفيز استجابة ما. لذا يمكن أن يكون لدينا واحد من هذه الزلاجات تنحني ليس فقط لأعلى، ولكن في الواقع تنحني للخلف، ثم تتحرك حول وتقوم بمسح عينة”، يوضح وين. “إذا كنت تستطيع تخيل هيكل سيكون مفيدًا لك، يجب أن نجربه.”
تفتح هذه الشريحة آفاقًا جديدة في مجالات متعددة، من التصوير إلى تطوير الأدوية، مما يعيد تعريف كيفية تعاملنا مع التكنولوجيا.
