Quasiparticle-induced decoherence of a driven superconducting qubit
تطور هذه الورقة نظرية توضح أن الكيوبتات فائقة التوصيل التي يتم تشغيلها بالموجات الميكروية تعاني من آليتين محددتين لفك الترابط ناتجين عن أشباه الجسيمات، وهما النفق بمساعدة الفوتونات وتوليد الأزواج الناجم عن التشغيل، واللذان يحدان بشكل أساسي من دقة العمليات الكمومية حتى في الأجهزة المصممة بهندسة الفجوة لتكون غير حساسة لأشباه الجسيمات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في سعيها لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرات الآلات الحالية، تتوجه العلماء نحو العالم الغريب لميكانيكا الكم. وفي قلب هذا الجهد تكمن الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي دوائر كهربائية متناهية الصغر تعمل كوحدات أساسية للمعلومات. ولكي تعمل، يجب الحفاظ على هذه الدوائر في درجات حرارة أبرد من الفضاء السحيق، قريبة من الصفر المطلق. وتحت هذه الظروف شديدة البرودة، تتدفق الكهرباء دون أي مقاومة، وتتصرف الدائرة كجسم كمي واحد وموحد. ومع ذلك، حتى في درجات الحرارة القصوى هذه، لا تكون المادة نقية تماماً؛ إذ يمكن أن توجد لا تزال شظايا مكسورة ضئيلة من الحالة فائقة التوصيل، تُعرف باسم "الجسيمات شبه الموصلة" (quasiparticles). تعمل هذه الشظايا مثل إلكترونات شاردة يمكنها التسلل إلى الدائرة وتعطيل حالتها الكمية الدقيقة، مما يسبب أخطاءً. ولسنوات، حاول المهندسون حل هذه المشكلة عبر تصميم دوائر ذات حاجز طاقة محدد يجعل من الصعب على هذه الجسيمات الشاردة عبورها، مما يحمي الكيوبت فعلياً من تداخلها.
وعلى الرغم من هذه الحيل الهندسية الذكية، تكشف دراسة جديدة أن الأداة المستخدمة للتحكم في الكيوبت نفسه — وهي إشارة الميكروويف التي تخبره بما يجب فعله — يمكن أن توقظ عن غير قصد هذه المشكلات النائمة. فقد اكتشف الباحثون، الذين يعملون مع الدوائر فائقة التوصيل في "جوجل كوانتوم إيه آي" (Google Quantum AI) وجامعات في الولايات المتحدة، أنه عندما يتم دفع الكيوبت بواسطة إشارة ميكروويف لأداء عملية حسابية أو قياس، فإن الطاقة الناتجة عن تلك الإشارة يمكن أن تساعد الجسيمات شبه الموصلة على تجاوز الحواجز التي كان من المفترض أن توقفها. الأمر يشبه كون إشارة الميكروويف توفر دفعة من الطاقة تسمح لجسيم محاصر بالقفز فوق سياج لم يكن ليستطيع تجاوزه بمفرده. يحدث هذا بطريقتين متميزتين؛ في الأولى، يمتص جسيم شارد موجود بالفعل حزمة من الطاقة من إشارة الميكروويف وحزمة أخرى من طاقة الكيوبت نفسه، مما يسمح له بالنفق عبر الدائرة وقلب حالة الكيوبت. وفي الثانية، تكون إشارة الميكروويف مكثفة لدرجة أن عدة حزم من طاقتها تتحد لكسر زوج من الإلكترونات التي كانت مرتبطة ببعضها سابقاً، مما يخلق جسيمين شاردين جديدين ويتسبب في قفز الكيوبت إلى حالة غير مقصودة.
وقد طور الفريق نظرية مفصلة لتفسير كيفية حدوث هذه العمليات، مع التركيز على نوع معين من الدوائر يسمى "ترانسمون" (transmon)، وهو مستخدم على نطاق واسع في الحوسبة الكمية. ووجدوا أن المعدل الذي تحدث به هذه الأخطاء يعتمد مباشرة على قوة وتردد إشارة الميكروويف المستخدمة. فإذا كانت الإشارة قوية بما يكفي، يمكنها أن تبطل تماماً الفوائد المكتسبة من تصميم حاجز الطاقة، مما يؤدي إلى فقدان الكيوبت لمعلوماته بشكل أسرع بكثير مما هو متوقع. وهذا اكتشاف حاسم لأنه يضع حداً جوهرياً لمدى دقة عمل هذه الحواسيب. وقد أظهر الباحثون أنه بالنسبة لأكثر طرق القراءة تقدماً والمستخدمة حالياً، فإن وجود هذه الجسيمات يمكن أن يؤدي إلى معدلات خطأ كبيرة بما يكفي لتكون مؤثرة في الحسابات عالية الدقة. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنهم وجدوا أنه بينما قد يتم حظر نوع واحد من الأخطاء عند إعدادات معينة، فإن نوعاً آخر يتضمن امتصاص حزم متعددة من الميكروويف لا يزال ممكناً، مما يعني أن المشكلة لا تُحل بسهولة بمجرد خفض قوة الإشارة.
كما بحثت الدراسة أيضاً في كيفية تغير هذه الأخطاء عندما يتم ضبط الدائرة بواسطة مجال مغناطيسي. واكتشفوا أنه عند إعدادات معينة، تلغي الأخطاء الناتجة عن حزم الميكروويف الفردية بعضها البعض بسبب تأثير تداخل دقيق، لكن هذه الحماية تختفي عندما يتم ضبط الدائرة على إعدادات أخرى. وفي تلك الحالات، تصبح الأخطاء الناتجة عن امتصاص حزمتين من الميكروويف هي المصدر المهيمن للمتاعب. وتعد عملية "الفوتون المزدوج" هذه معقدة للغاية لأنها يمكن أن تحدث حتى عندما تكون عملية الحزمة الواحدة محظورة، وتصبح أكثر احتمالاً مع زيادة تردد الميكروويف. وقد حسب الباحثون أنه بالنسبة لإعداد نموذجي، فإن احتمال حدوث هذه الأخطاء مرتبط مباشرة بعدد الجسيمات الشاردة في الجهاز. فإذا ارتفع عدد هذه الجسيمات، ربما بسبب اصطدام الإشعاع بالجهاز، يرتفع معدل الخطأ بشكل تناسبي، مما قد يقلل من دقة مخرجات الحاسوب بهامش ملحوظ.
ويشير هذا العمل إلى أن طريق الحوسبة الكمية الموثوقة أكثر تعقيداً من مجرد بناء حواجز أفضل. ويشير الباحثون إلى أنه بينما يعد حماية الكيوبت من الجسيمات الشاردة أمراً ضرورياً، فإن الطريقة المستخدمة للتحكم في الكيوبت يجب أيضاً أن تُصمم بعناية لتجنب منح تلك الجسيمات الطاقة التي تحتاجها لإحداث المشاكل. وهم يقترحون أن التصميمات المستقبلية قد تحتاج إلى استخدام وصلات ذات حواجز طاقة أعلى أو تضمين مصائد خاصة لالتقاط هذه الجسيمات قبل وصولها إلى الأجزاء الحساسة من الدائرة. كما تسلط النتائج الضوء على وجود مقايضة في طرق القراءة عالية التردد؛ فبينما يمكن لاستخدام الترددات الأعلى تحسين سرعة ووضوح القياس، فإن رفع التردد عالياً جداً ينطوي على خطر كسر أزواج الإلكترونات وخلق أخطاء جديدة. ولا تدعي الدراسة أنها حلت مشكلة تداخل الجسيمات شبه الموصلة، لكنها تقدم خارطة طريق واضحة لمواطن الخطر عند تشغيل الحاسوب الكمي. ومن خلال فهم كيفية تفاعل دفع الميكروويف مع هذه الجسيمات الشاردة بدقة، يمكن للمهندسين الآن العمل على تصميم أنظمة تتجنب هذه العثرات المحددة، مما يقرب حلم بناء حاسوب كمي مستقر وواسع النطاق خطوة أخرى من الواقع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.