Towards quantum error correction with two-body gates for quantum registers based on nitrogen-vacancy centers in diamond

في السعي لبناء آلة يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرات الحواسيب الفائقة اليوم، يتطلع العلماء إلى أصغر اللبنات الأساسية للطبيعة: الذرات الفردية والجسيمات التي بداخلها. هذه الأنظمة المتناهية الصغر، المعروفة باسم الكيوبتات (qubits)، يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد، مما يوفر قفزة محتملة في القدرة الحوسبية. ومع ذلك، فإن هذه الحالات الهشة تتأثر بسهولة بأدنى لمسة من الحرارة أو الاهتزاز من محيطها، مما يؤدي إلى تلاشي المعلومات التي تحملها قبل إتمام عملية حسابية. وللتغلب على ذلك، يستكشف الباحثون نوعًا محددًا من العيوب الموجودة في الألماس، حيث تُستبدل ذرة كربون مفقودة بذرة نيتروجين. يعمل هذا "مركز النيتروجين-الفراغ" (nitrogen-vacancy center) كمرساة مستقرة للمعلومات الكمومية، محاطًا بذرات كربون مجاورة تمتلك بدورها لفاتها المغناطيسية الخاصة. يمكن لهذه اللفات المحيطة أن تعمل كوحدات تخزين إضافية، مما يخلق سجلًا كموميًا صغيرًا. ويكمكن التحدي في ربط هذه الوحدات دون إزعاج المعلومات الدقيقة التي تحملها، مما يتطلب طريقة لإجراء عمليات دقيقة تكون سريعة بما يكفي لإنهاء العملية قبل أن تدمر البيئة البيانات، وفي الوقت نفسه لطيفة بما يكفي لتجنب إدخال أخطاء جديدة.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة أولم طريقة جديدة لإدارة هذا التوازن الدقيق، حيث ابتكروا وسيلة لإجراء اتصالات عالية الجودة بين عيب الماس المركزي وذرات الكربون المجاورة له. في عملهم، ركزوا على نوع محدد من العمليات يسمى "بوابة ثنائية الجسم" (two-body gate)، والتي تسمح لللف الإلكتروني المركزي بالتفاعل مع لف نووي مستهدف مع تجاهل اللفات الأخرى القريبة. تكمن الصعوبة في هذه المهمة في أن ذرات الكربون في الماس متقاربة جدًا بحيث تتداخل بصماتها المغناطيسية، مما يجعل من الصعب اختيار ذرة واحدة فقط للعمل معها. تتطلب الطرق التقليدية لعزل ذرة واحدة سلاسل طويلة من نبضات التحكم، ولكن كلما طالت السلسلة، زاد احتمال فقدان النظام لحالته الكمومية بسبب الضوضاء البيئية. وقد وجد الباحثون طريقة لتقصير هذه السلاسل دون التضحية بالدقة باستخدام تقنية تسمى "إلغاء الاقتران الديناميكي التكيفي" (adaptive dynamical decoupling). يتضمن هذا النهج ضبط توقيت وتباعد نبضات الميكروويف بعناقة لتشكيل التفاعل، مما يعمل فعليًا على تصفية الإشارات غير المرغوب فيها وشحذ التركيز على الذرة المحددة التي يرغبون في التحكم بها.

أثبت الفريق أنه من خلال ضبط تسلسلات النبضات هذه، يمكنهم إيجاد "نقطة مثالية" في الزمن حيث تكون العملية سريعة ودقيقة للغاية في آن واحد. وقد أظهروا أنه من الممكن تحقيق مستوى من الدقة حيث تكون فرصة الخطأ أقل من واحد في الألف، وهو حد ضروري للحوسبة الكمومية الموثوقة. تم تحقيق ذلك من خلال استغلال حقيقة أن بعض الأخطاء في النظام تلغي نفسها طبيعيًا في لحظات زمنية محددة. ومن خلال اختيار اللحظة الدقيقة لإيقاف العملية، استطاع الباحثون القضاء على هذه الأخطاء دون الحاجة إلى تشغيل التسلسل لفترة طويلة بشكل مفرط. وتسمح هذه الطريقة لهم بتجاوز المقايضة المعتادة حيث تكون العمليات الأسرع أقل دقة، مما يوفر وسيلة لتنفيذ الخطوات اللازمة للحوسبة الكمومية بسرعة تحافظ على سلامة النظام من فقدان الترابط (decoherence).

ولإثبات أن هذه البوابات المحسنة مفيدة للتطبيقات الواقعية، استخدمها الباحثون لبناء نظام أساسي لتصحيح الخطأ. في هذا الإعداد، تم ترتيب عيب الماس المركزي مع لفتين كربونيتين قريبتين لحماية قطعة واحدة من المعلومات الكمومية من نوع معين من الفساد يُعرف باسم "خطأ الطور" (phase error). هذا النوع من الأخطاء يشبه انزياحًا طفيفًا في توقيت ساعة ما، مما يتسبب في انحراف المعلومات عن مسارها. أنشأ الفريق بروتوكولًا يتم فيه ترميز المعلومات عبر اللفات الثلاث، مما يسمح للنظام باكتشاف ما إذا كان قد حدث انزياح وتصحيحه تلقائيًا. أظهرت عمليات المحاكاة التي أجروها أنه حتى مع العيوب المتأصلة في إشارات التحكم في العالم الحقيقي، يمكن لهذا النظام استعادة المعلومات الأصلية بنج برم أكثر من 98.5 بالمائة، حتى عندما كان معدل الخطأ مرتفعًا نسبيًا. وقد ظل هذا التحقق ساريًا حتى عند مراعاة الاسترخاء الطبيعي لـلف الإلكتروني، وهي عملية يفقد فيها النظام طاقته ببطء إلى محيطه، والتي يمكن أن تحدث حتى في درجات حرارة تصل إلى 77 كلفن.

تمتد أهمية هذا العمل إلى ما هو أبعد من النجاح المباشر لكود تصحيح الخطأ. فقد قدم الباحثون أداة تحليلية واضحة تسمح للعلماء بتحديد التوقيت الأمثل لهذه العمليات دون الحاجة إلى إجراء تجارب لا حصر لها ومستهلكة للوقت لاختبار كل الاحتمالات. وهذا أمر بالغ الأهمية مع نمو الأنظمة الكمومية، لأن اختبار كل معلم لكل نظام يحتوي على العديد من الذرات يدويًا سيكون مستحيلاً. ومن خلال استخدام طريقتهم للتنبؤ بأفضل معاملات التسلسل، يمكن للباحثين تصميم سجلات كمومية أكبر وأكثر تعقيدًا بثقة. كما تشير الورقة البحثية إلى أنه بينما يستخدم نهجهم الحالي أنماط نبض ثابتة، فإن التحسينات المستقبلية قد تتضمن تغيير قوة التفاعل بسلاسة بمرور الوقت، مما قد يوفر أداءً أفضل في البيئات المزدحمة حيث تكون العديد من الذرات متراصة بالقرب من بعضها البعض. في نهاية المطاف، يقدم هذا العمل مسارًا عمليًا لبناء حواسيب كمومية قوية تعتمد على عيوب الماس، محولًا إياها من إمكانية نظرية إلى واقع هندسي ملموس.