Characterization of drive-induced unwanted state transitions in superconducting circuits

في السعي لبناء حاسوب كمي، يسابق العلماء الزمن لإتقان سلوك المادة عند أصغر مقاييسها. وتعد الدائرة فائقة التوصيل واحدة من أكثر الأدوات واعدة لهذه المهمة، وهي عبارة عن حلقة إلكترونية ضئيلة مصنوعة من مواد توصل الكهرباء دون أي مقاومة عند تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. تعمل هذه الدوائر كذرات اصطناعية، قادرة على حمل المعلومات في حالة من التراكب الكمي، حيث يمكن أن توجد في تكوينات متعددة في آن واحد. ولجعل هذه الدوائر مفيدة، يجب على الباحثين أن يكونوا قادرين على التحكم فيها بدقة متناهية، باستخدام نبضات ميكروويف لقلب حالاتها، وإجراء الحسابات، وقراءة النتائج. ومع ذلك، كلما زاد تعقيد هذه الآلات، ظهرت مشكلة مستمرة: وهي أن الإشارات ذاتها المستخدمة للتحكم في الدوائر يمكن أن تتسبب أحياناً في تعطلها، مما يؤدي إلى قفزها إلى حالات غير مرغوب فيها وفقدان المعلومات التي يُفترض بها حملها. وتعد هذه المشكلة عقبة رئيسية، تحد من سرعة ودقة تشغيل هذه الآلات الكمية.

لقد قام فريق من الباحثين في جامعة ييل الآن برسم خريطة دقيقة لكيفية وسبب حدوث حالات التعطل هذه. فمن خلال إخضاع نوع معين من الدوائر فائقة التوصيل، يُعرف باسم "ترانسمون" (transmon)، لمجموعة واسعة من ترددات وقدرات الميكروويف، اكتشفوا أن انتقالات الحالة غير المرغوب فيها لا تنتج عن خطأ واحد، بل عن ثلاث آليات فيزيائية متميزة. تتعلق الآلية الأولى بضبط محرك الميكروويف بالخطأ لتصبح الدائرة في حالة رنين مع عيوب طفيلية غير مرئية في المواد المحيطة بها. أما الآلية الثانية فهي خاصية جوهرية في الدائرة نفسها، حيث يجبرها المحرك على امتصاص فوتونات متعددة في وقت واحد، مما يدفع النظام إلى حالات عالية الطاقة لم يكن من المفترض أن يصل إليها. والآلية الثالثة هي شكل من أشكال التشتت، حيث يتسبب المحرك في تغيير حالة الدائرة مع تفريغ الطاقة الزائدة في موجات كهرومغناطيسية شاردة محاصرة داخل هيكل الجهاز.

تعامل الباحثون مع هذه المشكلة كما لو كانوا رسامي خرائط يشطّرون تضاريس وعرة. فقد أقاموا تجربة جهزوا فيها دائرتهم في حالة معروفة، ثم قصفوها بنبضة "ضخ" من الميكروويف تختلف في كل من التردد والقدرة. ثم قاموا بقياس الحالة التي انتهت إليها الدائرة. ومن خلال مسح تردد المحرك عبر نطاق هائل، من حوالي 2.8 جيجاهرتز إلى 11.8 جيجاهرتز، وتعديل القدرة، أنشأوا خريطة تفصيلية لكل طريقة ممكنة لإنحراف الدائرة عن مسارها. كشفت هذه الخريطة عن تضاريس معقدة من الرنين، ظهرت كخطوط ساطعة وبقع ضبابية حيث ترتفع احتمالية حدوث الخطأ. كان هدف الفريق هو تصنيف هذه المعالم إلى فئاتها الثلاث، وفهم السبب الجذري لكل منها حتى يمكن للتصاميم المستقبلية تجنبها.

تتصرف الفئة الأولى من المشاكل، التي حددها الباحثون على أنها "تبادل طاقة رنيني"، بشكل مختلف عن غيرها. فهذه الانتقالات لا تعتمد على التردد المحدد لمحرك الميكروويف، بل على مقدار تغيير المحرك لمستويات الطاقة في الدائرة. فعند تطبيق إشارة ميكروويف قوية، فإنها تدفع تردد الدائرة للأعلى أو للأسفل، وهي ظاهرة تُعرف باسم "إزاحة ac-Stark". وإذا أدت هذه الإزاحة إلى مطابقة تردد الدائرة مع تردد عيب صغير وخفي في المادة — والذي يُسمى غالباً "نظاماً ثنائي المستويات" (two-level system) — فقد تقوم الدائرة فجأة بتفريغ طاقتها في ذلك العيب. وقد لاحظ الباحثون ذلك من خلال مراقبة كيفية اضمحلال الدائرة بمرور الوقت؛ حيث وجدوا أن هذه العيوب ليست ثابتة، بل تنزاح وتنتقل بين ترددات مختلفة عبر فترات زمنية تتراوح بين دقائق أو ساعات، مما يخلق هدفاً متحركاً يصعب التنبؤ به. وتعد هذه الآلية سبباً رئيسياً لفقدان الطاقة، مما يحد من المدة التي يمكن أن تظل فيها المعلومات الكمية باقية.

وتتكون الفئة الثانية من انتقالات متأصلة في تصميم الدائرة نفسها. فحتى لو كانت الأجهزة معزولة تماماً عن العالم الخارم، يمكن لمحرك الميكروويف أن يجبر الدائرة على امتصاص فوتونين أو أكثر في الوقت نفسه. ولأن الدائرة "غير خطية"، بمعنى أن استجابتها تتغير اعتماداً على حالتها، يمكنها القفز مباشرة من حالتها الأرضية إلى حالة أعلى بك much higher-energy وغير حسابية عبر ابتلاع عدة فوتونات من المحرك في حدث واحد. استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية متقدمة تعتمد على قوانات ميكانيكا الكم للتنبؤ بمكان حدوث هذه القفزات بدقة. وقد تطابقت عمليات المحاكاة مع البيانات التجريبية بشكل ملحوظ، مما أكد أن هذه الانتقالات هي سمة متأصلة في فيزياء الدائرة. وأشار الباحثون إلى أن هذه القفزات تصبح "ضبابية" أو منتشرة لأن الشحنة الكهربائية الداخلية للدائرة تنزاح قليلاً بمرور الوقت، مما يجعل الظروف الدقيقة اللازمة للقفزة غير واضحة.

وتتضمن الفئة الثالثة تفاعل الدائرة مع البيئة الكهرومغناطيسية الناتجة عن الهيكل الفيزيائي للجهاز. فعندما تصطدم موجات الميكروويف بالدائرة، يمكنها أن تتشتت، مما يغير حالة الدائرة مع إثارة موجة كهرومغناطيسية شاردة محاصرة في الغلاف المعدني أو العبوة المحيطة بالشريحة في آن واحد. تعمل هذه الموجات الشاردة مثل رنانات خفية، وإذا طابق ترددها فرق الطاقة الناتج عن حدث التشتت، يصبح الانتقال مرجحاً للغاية. وقد وجد الباحثون أن هذه الأنماط الشاردة يمكن أن توجد عند ترددات أعلى بكثير من تردد تشغيل الدائرة نفسه، لتصل أحياناً إلى 28 جيجاهرتز. ومن خلال إجراء محاكاة كهرومغناطيسية لكامل عبوة الجهاز، تمكنوا من تحديد الأشكال والمواقع المحددة لهذه الأنماط الشاردة، مما أظهر أن التصميم الفيزيائي للجهاز يلعب دوراً حاسماً في خلق هذه الأخطاء.

وللتمييز بين هذه الأسباب الثلاثة، طور الفريق طريقة منهجية للاستبعاد. فإذا ظهر الانتقال بغض النظر عن تردد المحرك واعتمد فقط على الإزاحة الناجمة عن القدرة، فقد عُزي ذلك إلى عيوب المواد. وإذا ظهر الانتقال في محاكاة الحاسوب للدائرة المعزولة، فقد صُنّف كحدث "متعدد الفوتونات" جوهري. وأي انتقالات متبقية لم تستطع الدائرة وحدها تفسيرها، تم تحديدها كأحداث تشتت غير مرنة تتضمن البيئة الخارجية. سمح هذا التصنيف لهم بتحديد أصل كل خطأ لوحظ في التجربة تقريباً. ووجدوا أنه بينما كانت بعض الانتقالات ناتجة عن السلوك غير المتوقع لعيوب المواد، فإن غالبية الأنماط المعقدة التي رصدوها يمكن التنبؤ بها من خلال محاكاة تفاعل الدائرة مع محيطها الكهرومغناطيسي.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من تجربة واحدة. فقد أظهر الباحثون أنه من خلال فهم الآليات المحددة وراء هذه الأخطاء، يمكن للمهندسين اتخاذ خيارات مدروسة لتجنبها. فعلى سبيل المثال، أوضحوا أن بعض ترددات المحرك أكثر أماناً من غيرها، حيث توفر "نوافذ" يمكن فيها التحكم في الدائرة دون تحفيز هذه الانتقالات غير المرغوب فيها. كما سلطوا الضوء على أن تصميم عبوة الجهاز لا يقل أهمية عن تصميم الدائرة نفسها، إذ يمكن للغلاف المعدني أن يحتوي على أنماط رنين تخرب عملية التشغيل. وبينما تظل العيوب المجهرية في المواد تحدياً يتطلب تقنيات تصنيع أفضل، يمكن هندسة البيئة الكهرومغناطيسية ومحاكاتها لتقليل تأثيرها.

تقدم هذه الدراسة إطاراً شاملاً لتشخيص وتخفيف الأخطاء التي تعصف بالدوائر الكمية فائقة التوصيل. ومن خلال فصل أسباب الفشل إلى فئات متميزة ومفهومة، قدم الباحثون مساراً واضحاً لتحسين دقة العمليات الكمية. ويشير عملهم إلى أن مفتاح بناء حواسيب كمية أكثر موثوقية لا يكمن فقط في صنع دوائر أفضل، بل في فهم الرقصة المعقدة بين الدائرة، والمواد التي بُنيت منها، والموجات الكهرومغناطيسية التي تحيط بها. ومن خلال التصميم الدقيق والاختيار الاستراتيجي لترددات التحكم، يمكن التنقل حول هذه العقبات، مما يمهد الطريق لمعالجة معلومات كمية أكثر قوة ومتانة.