The high-stakes race to make quantum computers work - Chiara Decaroli

المترجم: Nadeen Suleyman المدقّق: Hussain Laghabi

The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology

قد تُحدِثُ محتويات هذه الأسطوانة المعدنية ثورة في عالم التكنولوجيا

or be completely useless—

أو قد تكون بلا جدوى تماماً.

it all depends on whether we can harness the strange physics of matter

هذا يعتمد على قدرتنا على تسخير الحالات الفيزيائية الغريبة للمادة

at very, very small scales.

على نطاقٍ صغير جداً.

To have even a chance of doing so,

ولنحظى بفرصة تنفيذ هذا،

we have to control the environment precisely:

علينا أن نتحكم في البيئة بدقّة

the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps,

لا يتأثر سطح الأسطوانة السميك وقاعدتاه بالاهتزازت الناتجة عن وقع الأقدام

nearby elevators, and opening or closing doors.

والمصاعد القريبة وغلق وفتح الأبواب.

The cylinder is a vacuum chamber,

الأسطوانة عبارة عن حجرة مُفرَغة،

devoid of all the gases in air.

خالية من كل الغازات الموجودة في الهواء.

Inside the vacuum chamber is a smaller,

يوجد بداخل هذه الحجرة قسم أصغر،

extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams.

بارد جداً وتصله أشعة الليزر الصغيرة جداً.

Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.

يحتوي على جسيمات حساسة جداً تُكوّن الحاسوب الكمومي.

So what makes these particles worth the effort?

ما الذي يجعل هذه الجسيمات تستحق بذل الجهد؟

In theory, quantum computers could outstrip the computational limits

نظرياً، يمكن للحواسيب الكمومية تجاوز الحدود الحسابية

of classical computers.

للحواسيب العادية.

Classical computers process data in the form of bits.

فالحواسيب العادية تعالج البيانات باستخدام النظام الثنائي (البتات)

Each bit can switch between two states labeled zero and one.

يعمل كل بت باحتمالين متمثلين في صورة 0 و1

A quantum computer uses something called a qubit,

أما الحاسوب الكمِّي فيعمل بنظام يسمى كيوبت

which can switch between zero, one, and what’s called a superposition.

والذي يمكنه التبديل بين 0 أو 1 أو ما يسمى بالتراكب.

While the qubit is in its superposition,

عندما يكون الكيوبت في حالة التراكب،

it has a lot more information than one or zero.

فإنه يخزَّن معلومات أكثر من 0 أو 1.

You can think of these positions as points on a sphere:

تخيّل هذه الحالات كنقاط على كرة

the north and south poles of the sphere represent one and zero.

يمثل قطباها الشمالي والجنوبي 1و0.

A bit can only switch between these two poles,

يعمل نظام البت في نطاق هذين القطبين فقط

but when a qubit is in its superposition,

ولكن عندما يكون الكيوبت في حالة التراكب،

it can be at any point on the sphere.

فقد يكون في أي مكان على الكرة.

We can’t locate it exactly—

لا يمكننا تحديد مكانه

the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one.

عند قراءتنا له، يتمثل الكيوبت في إحدى القيمتين 0 أو 1

But even though we can’t observe the qubit in its superposition,

حتى لو لم نرصد الكيوبت في حالة التراكب

we can manipulate it to perform particular operations while in this state.

يمكننا استغلاله في حالة التراكب، لتنفيذ عمليات معينة.

So as a problem grows more complicated,

لذا، حين تتعقد الأمور أكثر؛

a classical computer needs correspondingly more bits to solve it,

ستحتاج الحواسيب العادية بالمقابل؛ عدداً أكبر من البتات للحلّ

while a quantum computer will theoretically be able to handle

أما الحواسيب الكمِّية فستتمكن -نظرياً- من معالجة

more and more complicated problems

الكثير من المسائل المعقدة

without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.

دون الحاجة لعدد كبير من الكيوبتات كما في الحاسب العادي.

The unique properties of quantum computers

الخصائص الفريدة للحواسيب الكمِّية

result from the behavior of atomic and subatomic particles.

تنتج عن سلوك الجسيمات الذرية ودون الذرية.

These particles have quantum states,

توجد هذه الجسيمات في حالات كمِّية

which correspond to the state of the qubit.

تتوافق مع حالة الكيوبت.

Quantum states are incredibly fragile,

إنّ الحالات الكمومية ضعيفة للغاية

easily destroyed by temperature and pressure fluctuations,

تزول بسهولة بسبب تغيرات درجة الحرارة والضغط

stray electromagnetic fields,

والمجالات الكهرومغناطيسية الشاردة

and collisions with nearby particles.

والتصادمات مع الجسيمات القريبة منها.

That’s why quantum computers need such an elaborate set up.

لهذا، تحتاج الحواسيب الكمِّية لمثل هذه التهيئة المُتقَنة

It’s also why, for now,

ولهذا السبب، ظلّت

the power of quantum computers remains largely theoretical.

قدرة الحواسيب الكمِّية بمعظمها دون تطبيق.

So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.

للآن، يمكننا التحكم بعدد كافٍ من الكيوبتات في نفس المكان والزمان.

There are two key components involved

هناك عنصران أساسيان

in managing these fickle quantum states effectively:

يديران هذه الحالات الكمومية المتغيرة بفاعلية هما:

the types of particles a quantum computer uses,

الجسيمات التي يستخدمها الحاسوب الكمِّي،

and how it manipulates those particles.

وطريقة معالجته لتلك الجسيمات.

For now, there are two leading approaches:

حالياً، ثمَّة منهجان أساسيان:

trapped ions and superconducting qubits.

مصائد الأيونات والكيوبتات فائقة التوصيل.

A trapped ion quantum computer uses ions as its particles

فالحاسوب المكون من أيونات مُحتجزة يستخدم الأيونات حسب جسيماتها

and manipulates them with lasers.

ويتحكم بها بواسطة الليزر.

The ions are housed in a trap made of electrical fields.

ويحتجز تلك الأيونات في مصيدة من الحقول الكهربائية.

Inputs from the lasers tell the ions what operation to make

تتلقى الأيونات المعلومات من أشعة الليزر حول العملية التي يجب تنفيذها

by causing the qubit state to rotate on the sphere.

حيثُ تجعل الكيوبت في حالة دوران فوق مجسم كروي.

To use a simplified example,

لدينا مثال توضيحي بسيط:

the lasers could input the question:

قد يصدر سؤال عن أشعة الليزر هو:

what are the prime factors of 15?

ما العوامل الأولية للعدد 15؟

In response, the ions may release photons—

رداً على ذلك، تُحرِرُ الأيوناتُ فوتوناتٍ

the state of the qubit determines whether the ion emits photons

تحدد حالة الكيوبت ما إذا أطلق الأيون الفوتونات

and how many photons it emits.

وكم عدد الفوتونات التي أطلقها.

An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer:

يقوم نظام تصوير بجمع هذه الفوتونات ومعالجتها ليظهر الإجابة

3 and 5.

3 و5.

Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way:

الحواسيب ذات الكيوبتات فائقة الناقلية تفعل ذلك ولكن بشكل مختلف

using a chip with electrical circuits instead of an ion trap.

وذلك باستخدام شريحة إلكترونية ذات دوائر إلكترونية بدلاً من مصيدة أيونات.

The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit.

حيث تتخذ كل دائرة كهربائية حالة الكيوبت

They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves.

نتحكم بها عن طريق مُدخلات كهربائية تُمثَلُ في شكل موجات دقيقة.

So: the qubits come from either ions or electrical circuits,

تنبعث الكيوبتات من أيونات أو من دوائر كهربائية

acted on by either lasers or microwaves.

تعمل وفقاً لأشعة الليزر أوالموجات الدقيقة.

Each approach has advantages and disadvantages.

هناك مميزات وعيوب لكلا الطريقتين

Ions can be manipulated very precisely,

يمكن التحكم بالأيونات بدقة

and they last a long time,

وتستمر بالعمل لوقت طويل،

but as more ions are added to a trap,

ولكن كلما زادت الأيونات في المصيدة الأيونية،

it becomes increasingly difficult to control each with precision.

زادت صعوبة التحكم الدقيق بكل أيون على حدة

We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations,

لا يمكننا حالياً حصر أيونات تكفي لإجراء عمليات حسابية متقدمة،

but one possible solution might be to connect many smaller traps

ولكن يمكن حل هذه المسألة بتوصيل عدة مصائد أصغر،

that communicate with each other via photons

والتي تتصل مع بعضها بواسطة الفوتونات

rather than trying to create one big trap.

بدلاً من محاولة إنشاء مصيدة واحدة كبيرة.

Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions,

حينها تقوم الدوائر فائقة الناقلية بالعمليات أسرع من الأيونات المحتجزة،

and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer

ويصبح من الأسهل زيادة عدد الدوائر الكهربائية في الحاسوب

than the number of ions.

مقارنة بزيادة عدد الأيونات.

But the circuits are also more fragile,

ولكن الدوائر أكثر ضعفاً هي الأخرى،

and have a shorter overall lifespan.

وعمرها أقصر إجمالاً.

And as quantum computers advance,

ومع تقدم الحواسيب الكمومية،

they will still be subject to the environmental constraints

فستظل خاضعةً للقيود البيئية

needed to preserve quantum states.

اللازمة للحفاظ على الحالات الكمومية.

But in spite of all these obstacles,

ولكن بالرغم من كل هذه العوائق،

we’ve already succeeded at making computations

فقد نجحنا بالفعل في إجراء عمليات حسابية

in a realm we can’t enter or even observe.

في عالم حسابي لا نستطيع دخوله أو حتى مراقبته.