Enhancing dissipative cat qubit protection by squeezing

إن بناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تفوق قدرات آلات اليوم يتطلب تحولاً جذرياً في كيفية تخزين المعلومات. في العالم الكمي، تكون الوحدة الأساسية للبيانات هشة؛ فهي تتأثر بسهولة بأدنى همسة من الحرارة أو الضجيج الكهرومغناطيسي، مما يؤدي إلى انهيار العملية الحسابية. لبناء آلة موثوقة، يجب على العلماء إيجاد طريقة لحماية هذه المعلومات دون استخدام جيوش هائلة من المكونات الإضافية للتحقق منها وتصحيحها باستمرار. يتضمن أحد النهج الواعدة تشفير البيانات ليس في جسيم واحد، بل في السلوك الجماعي لجسيمات الضوء، أو الفوتونات، المحتجزة داخل دائرة كهربائية صغيرة. تُسمى هذه "الكيوبتات القططية" (cat qubits) نسبةً إلى تجربة فكرية شهيرة تتضمن قطة تكون حية وميتة في آن واحد؛ وفي هذا السياق، يوجد الكيوبت في حالتين متمايزتين في وقت واحد. تكمن عبقرية هذا التصميم في أنه يقاوم طبيعياً نوعاً واحداً من الأخطاء، المعروف باسم "قلب البت" (bit-flip)، حيث تنقلب الحالة عرضياً من حالة إلى أخرى. ومع ذلك، يظل عرضة لنوع آخر من الأخطاء، وهو "قلب الطور" (phase-flip)، الذي يربك العلاقة بين الحالتين. لقد كان التحدي دائماً هو جعل الحماية ضد الخطأ الأول أقوى دون جعل الخطأ الثاني أسوأ، وهو توازن كان من الصعب تحقيقه.

لقد وجد فريق من الباحثين في شركة "Alice & Bob"، بالتعاون مع شركاء من عدة مؤسسات فرنسية، طريقة لإمالة هذا التوازن بشكل كبير لصالحهم. فقد أخذوا التصميم القياسي لهذه الكيوبتات الضوئية وطبقوا تشوهاً محدداً على شكل حالات الضوء التي يستخدمونها. تخيل الحالتين لكيوبت قياسي كأنهما سحابتان مستديرتان متميزتان من الاحتمالات تطفوان في مساحة رياضية. في التصميم الجديد، قام الباحثون بضغط هذه السحب، ومدّها لتصبح أشكالاً مستطيلة تشبه أهلة القمر. هذا التغيير الهندسي البسيط، الذي تم تحقيقه عن طريق إضافة نوع محدد من الإشارات إلى معداتهم الموجودة، سمح للحالتين بأن تكونا متباعدتين جداً بطريقة تجعل من الصعب للغاية الخلط بينهما، مع الحفاظ على استقرارهما ضد النوع الآخر من الأخطاء.

كانت نتائج هذه التجربة مذهلة. فقد قاس الباحثون المدة التي يستغرقها الكيوبت لقلب حالته عرضاً. في النسخة القياسية غير المشوهة من هذا الكيوبت، كان الخطأ يحدث كل 138 مللي ثانية تقريباً. أما في نسخة "قط القمر" المضغوطة الجديدة، فقد حافظ الكيوبت على حالته لمدة 22 ثانية قبل حدوث خطأ مماثل. ويمثل هذا تحسناً بمقدار 160 ضعفاً في الاستقرار. والأهم من ذلك، أن هذا المكسب الهائل لم يأتِ على حساب زيادة الضعف تجاه النوع الآخر من الأخطاء؛ إذ ظلت معدل قلب الطور للكيوبت كما هي تقريباً، حيث استمرت حوالي 1.3 ميكروثانية في كلتا الحالتين. وهذا يعني أن الباحثين نجحوا في جعل الكيوبت أكثر متانة ضد نمط فشل محدد دون إضعاف دفاعه ضد النوع الآخر.

كما اختبر الفريق مدى كفاءة هذه الكيوبتات الجديدة عند مطالبتها بالعمل، وتحديداً عبر تشغيل "بوابة منطقية" (logic gate)، وهي عملية أساسية حيث يعالج الحاسوب المعلومات. ووجدوا أن الكيوبتات المضغوطة لم تكتفِ فقط بالحفاظ على حالتها لفترة أطول أثناء السكون، بل قامت أيضاً بهذه العمليات بسرعة ودقة أكبر. كانت عمليات البوابات أسرع، وانخفض احتمال حدوث الأخطاء أثناء الحساب بشكل ملحوظ. لاحظ الباحثون أن شكل حالات الضوء الجديد جعل من الصعب على النظام التسرب عرضاً خارج منطقته الآمنة أثناء هذه التحركات السريعة، مما قلل الأخطاء بشكل أكبر. كان هذا التحسن واضحاً لدرجة أن احتمالية حدوث خطأ "قلب البت" أثناء عملية البوابة انخفضت بمقدار 220 ضعفاً مقارنة بالتصميم القياسي.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهماً للغاية هو أنه لم يتطلب بناء آلة جديدة أو تغيير التخطيط الفيزيائي للدائرة. فقد استخدم الباحثون نفس الشريحة فائقة التوصيل ونفس المكونات الأساسية المستخدمة في التجارب السابقة. لقد قاموا ببساطة بإضافة إشارة تحكم ثانية، وهي تردد ضخ (pump frequency) محدد، إلى الإعداد الحالي لخلق تأثير الضغط. وهذا يشير إلى أن الطريق نحو حواسيب كمية أكثر قوة قد لا يتطلب دائماً اختراع أجهزة جديدة تماماً، بل العثور على طرق أفضل لتشكيل المعلومات الموجودة بالفعل في النظام. ومن خلال ضبط شكل الحالات الكمية بعناية، أثبت الفريق أنه من الممكن دفع حدود الحماية من الأخطاء إلى ما هو أبعد بكثير مما كان يُعتقد سابقاً مع التصاميم القياسية.

أشار الباحثون إلى أنه بينما أدت عملية الضغط إلى زيادة طفيفة جداً في معدل النوع الآخر من الأخطاء، إلا أن هذه الخسارة كانت ضئيلة مقارنة بالمكسب الهائل في الاستقرار ضد "قلب البت". كما لاحظوا أن التحسن في الاستقرار نما بسرعة مع زيادة عدد الفوتونات في النظام، متبعاً نمطاً أكثر حدة بكثير من الحدود النظرية للتصاميم القياسية غير المضغوطة. وهذا يشير إلى أنه مع توسيع نطاق هذه الأنظمة، يمكن أن تصبح فوائد هذه التقنية أكثر قوة. يوفر هذا العمل طريقة واضحة وعملية لتعزيز أداء المعالجات الكمية، مما يقرب هدف الحوسبة الكمية المقاومة للأخطاء، حيث يمكن للآلات تشغيل خوارزميات معقدة دون الحاجة إلى تصحيح مستمر، من أرض الواقع.