Characterising the failure mechanisms of error-corrected quantum logic gates

لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرة الآلات الحالية، يحاول العلماء إنشاء نوع جديد من المعالجات يستخدم القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية. تعتمد هذه الآلات على وحدات معلومات دقيقة تسمى الكيوبتات (qubits)، والتي يمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد. ومع ذلك، فإن الكيوبتات هشة للغاية؛ إذ يمكن لأدنى اضطراب ناتج عن الحرارة أو الضوضاء الكهربائية أن يفسد المعلومات التي تحملها، مما يؤدي إلى فشل العملية الحسابية. وللحماية من ذلك، يستخدم الباحثون تقنية تسمى تصحيح الخطأ. فبدلاً من الاعتماد على كيوبت فيزيائي واحد، يقومون بتجميع العديد من الكيوبتات الفيزيائية معاً لتشكيل كيوبت "منطقي" واحد أكثر متانة. يقوم هذا النظام بفحص نفسه باستمرار، تماماً مثل برنامج التدقيق الإملائي الذي يمسح المستند بحثاً عن الأخطاء المطبعية، وذلك عبر قياس أنماط محددة من الكيوبتات دون النظر إلى البيانات الفعلية. وإذا تم اكتشاف خطأ، يمكن للنظام إصلاحه قبل أن ينتشر. الهدف النهائي هو جعل هذه الكيوبتات المنطقية مستقرة بما يكفي لتشغيل برامج معقدة، لكن الوصول إلى ذلك يتطلب فهم كيفية ولماذا تفشل هذه الأنظمة الواقية في الأجهزة الحقيقية.

لقد اتخذ فريق من الباحثين مؤخراً خطوة مهمة نحو هذا الهدف من خلال اختبار أنظمة تصحيح الخطأ هذه على معالج كمومي حقيقي من صنع شركة IBM. وركزوا على تصميم محدد يُعرف باسم "كود السداسي الثقيل" (heavy-hex code)، والذي يرتب الكيوبتات في نمط يتناسب جيداً مع التخطيط الفيزيائي للآلة. أراد الباحثون فهم تحديين حاسمين: مدى جودة قدرة النظام على تخزين المعلومات بمرور الوقت، ومدى جودة أدائه للعمليات المنطقية، وهي العمليات الحسابية الفعلية. ولتحقيق ذلك، أجروا نوعين من التجارب. كانت الأولى اختبار ذاكرة، حيث حاولوا ببساطة الحفاظ على كيوبت منطقي حياً لأطول فترة ممكن من الممكنة بينما يقوم النظام بالتحقق من الأخطاء. أما الثانية فكانت اختبار استقرار، حيث قاموا بمحاكاة عملية بوابة منطقية لمعرفة ما إذا كان النظام سينجح في إتمام عملية حسابية رغم الضوضاء والعيوب الموجودة في الأجهزة.

في تجربة الذاكرة، اكتشف الفريق أن الطريقة التي كانوا يتحققون بها من الأخطاء كانت تسبب ضرراً أكثر من النفع. ففي النهج القياسي، تقوم الآلة بقياس نوع واحد من الأخطاء، ثم تعيد ضبط أدوات القياس، ثم تقيس نوعاً ثانياً. تستغرق هذه العملية وقتاً طويلاً، وبينما تنتظر الآلة، تفقد الكيوبتات معلوماتها طبيعياً بسبب عملية اضمحلال بطيئة. أعاد الباحثون تصميم الدائرة لقياس كلا النوعين من الأخطاء في وقت واحد وألغوا الحاجة إلى إعادة ضبط أدوات القياس بين عمليات التحقق. ومن خلال القيام بذلك، خفضوا الوقت المطلوب لدورة كاملة من التحقق من الخطأ من 11.1 ميكروثانية إلى 3.2 ميكروثانية فقط. وكان لهذا التسريع تأثير دراماتيكي: حيث قفز معدل بقاء الكيوبت المنطقي من أقل من 90 بالمائة إلى أكثر من 96 بالمائة لكل دورة. ووجد الفريق أن العدو الرئيسي لم يكن عملية القياس نفسها، بل الوقت الذي تقضيه الكيوبتات في الانتظار الخامل أثناء إجراء القياسات.

تناولت الدراسة الجزء الثاني مما يحدث عندما تحاول الآلة تنفيذ بوابة منطقية، وهي عملية أساسية مطلوبة لأي عملية حسابية. هنا، اختبر الباحثون ما إذا كان تكرار عمليات التحقق من الخطأ عدة مرات سيجعل العملية أكثر موثوقية. ووجدوا أنه مع زيادة عدد عمليات التحقق، تنخفض فرصة فشل العملية بالفعل، مما يظهر أن النظام يعمل كما هو مخطط له لكبح الأخطاء. ومع ذلك، لاحظوا أيضاً وجود مقايضة؛ فكل عملية تحقق إضافية تستغرق مزيداً من الوقت، وهذا الوقت الإضافي يعطي الكيوبتات فرصة أكبر للاضمحلال طبيعياً. قارن الباحثون بين نسختين من التجربة: إحداهما استخدمت إجراء إعادة ضبط قياسي بعد كل قياس، والأخرى تخطت عملية إعادة الضبط واستخدمت بدلاً من ذلك تحديثاً برمجياً لتتبع التغييرات. ومن المثير للدهشة، وجدوا عدم وجود فرق يذكر في الأداء بين النسختين. كان هذا غير متوقع لأن النظريات السابقة اقترحت أن تخطي عملية إعادة الضبط سيؤدي إلى أنواع جديدة من الأخطاء. وخلص الفريق إلى أن عملية إعادة الضبط في هذه الآلة المحددة هي بنفس قدر ضجيج القياس، لذا فإن إزالتها لم توفر الفائدة التي كان مأمول الحصول عليها.

لفهم الأجزاء التي تسبب أكبر قدر من المشاكل في الآلة، بنى الباحثون محاكاة حاسوبية مفصلة تحاكي سلوك جهازهم الفيزيائي. قاموا بتغذية المحاكاة ببيانات حول مدى تكرار ارتكاب الآلة للأخطاء في بواباتها، ومدى تكرار قراءتها الخاطئة لنتائج القياس، وكمية انحراف الكيوبتات أثناء الانتظار. ومن خلال تعديل هذه الأرقام في المحاكاة، استطاعوا رؤية أي عامل كان له التأثير الأكبر على النتيجة النهائية. كشفت المحاكاة أن ضجيج القياس كان المشكلة المهيمنة؛ إذ كانت الأخطاء في قراءة حالة الكيوبتات أكثر ضرراً لنجاح البوابات المنطقية من أخطاء البوابات نفسها أو الوقت الذي تقضيه الكيوبتات في الانتظار. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن مجرد جعل الكيوبتات تدوم لفترة أطول أو جعل البوابات أكثر دقة لن يكون كافياً لحل المشكلة. بدلاً من ذلك، فإن المسار الأكثر حرجاً للمضي قدماً هو تحسين سرعة ودقة عمليات القياس في منتصف الدورة (mid-circuit measurements) – وهي عملية قراءة الكيوبتات أثناء تشغيل الحاسوب.

تقدم الدراسة خارطة طريق واضحة للجيل القادم من الحواسيب الكمومية. فهي تُظهر أنه بينما يمكن للأجهزة الحالية تخزين ومعالجة المعلومات المصححة من الأخطاء، فإن الأداء حالياً مقيد بمدى سرعة ودقة قدرة الآلة على قراءة حالتها الخاصة. أثبت الباحثون أنه من خلال تحسين توقيت هذه القراءات وإزالة الخطوات غير الضرورية، يمكنهم تعزيز موثوقية النظام بشكل كبير. ويؤكد عملهم أن الطريق نحو حاسوب كمومي واسع النطاق ومقاوم للأخطاء لا يقتصر فقط على بناء كيوبتات أفضل، بل في هندسة النظام بأكمله لتقليل الوقت الذي تقضيه هذه الوحدات الهشة معرضة للبيئة الصاخبة. وتشير النتائج إلى أنه إذا تمكنت الأجهزة المستقبلية من قياس الكيوبتات بشكل أسرع وبأخطاء أقل، فإن معدل نجاح العمليات الكمومية المعقدة سيتحسن بشكل كبير، مما يقرب حلم الحاسوب الكمومي العملي من الواقع.