⚛️ quantum physics

Above 99.9% Fidelity Single-Qubit Gates, Two-Qubit Gates, and Readout in a Single Superconducting Quantum Device

تُظهر هذه الورقة مساراً قابلاً للتوسع نحو الحوسبة الكمومية المصححة للأخطاء من خلال تحقيق دقة تتجاوز 99.9% لكل من بوابات الكيوبت الأحادية، وبوابات الكيوبت الثنائية، وعمليات القراءة في آن واحد ضمن جهاز فائق التوصيل واحد، وذلك عبر معلمات اقتران محسّنة وبروتوكول معايرة مبتكر.

المؤلفون الأصليون: Fabian Marxer, Jakub Mrożek, Joona Andersson, Leonid Abdurakhimov, Janos Adam, Ville Bergholm, Rohit Beriwal, Chun Fai Chan, Saga Dahl, Soumya Ranjan Das, Frank Deppe, Olexiy Fedorets, Zheming Gao, Al

نُشر 2026-05-26

📖 4 دقيقة قراءة🧠 قراءة متعمّقة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Fabian Marxer, Jakub Mrożek, Joona Andersson, Leonid Abdurakhimov, Janos Adam, Ville Bergholm, Rohit Beriwal, Chun Fai Chan, Saga Dahl, Soumya Ranjan Das, Frank Deppe, Olexiy Fedorets, Zheming Gao, Alejandro Gomez Frieiro, Daria Gusenkova, Andrew Guthrie, Tuukka Hiltunen, Hao Hsu, Eric Hyyppä, Joni Ikonen, Sinan Inel, Shan W. Jolin, Azad Karis, Seung-Goo Kim, William Kindel, Anton Komlev, Miikka Koistinen, Roope Kokkoniemi, Snigdha Kumar, Hsiang-Sheng Ku, Julia Lamprich, Sami Laine, Alessandro Landra, Lan-Hsuan Lee, Nizar Lethif, Per Liebermann, Wei Liu, Kunal Mitra, Tuomas Mylläri, Caspar Ockeloen-Korppi, Tuure Orell, Alexander Plyshch, Jukka Räbinä, Arthur Rebello, Michael Renger, Outi Reentilä, Jussi Ritvas, Sampo Saarinen, Otto Salmenkivi, Matthew Sarsby, Mykhailo Savytskyi, Ville Selinmaa, Matthew Steggles, Eelis Takala, Ivan Takmakov, Brian Tarasinski, Jani Tuorila, Alpo Välimaa, Jeroen Verjauw, Jaap Wesdorp, Nicola Wurz, Wei Qiu, Lihuang Zhu, Juha Hassel, Johannes Heinsoo, Attila Geresdi, Antti Vepsäläinen

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

تخيل أنك تحاول بناء آلة حاسبة فائقة التطور تستخدم قوانين الفيزياء الكمومية بدلاً من الكهرباء. لجعل هذه الآلة الحاسبة تعمل، تحتاج إلى تنفيذ ثلاث مهام محددة بإتقان تام:

قلب مفتاح واحد (بوابة الكيوبت الواحد - Single-Qubit Gate).
جعل مفتاحين يتحدثان مع بعضهما البعض (بوابة الكيوبت المزدوج - Two-Qubit Gate).
قراءة النتيجة (القراءة - Readout).

المشكلة هي أنه في الماضي، كان جعل المفاتيح تتحدث مع بعضها البعض يؤدي عادةً إلى جعل عملية قلبها بشكل فردي أو قراءة النتائج بدقة أمراً أكثر صعوبة. كان الأمر يشبه محاولة إجراء محادثة صاخبة في غرفة؛ فكلما رفعت صوتك لتُسمع (التشابك - Entanglement)، كلما صعب عليك سماع أفكارك الخاصة (التحكم الفردي) أو تمييز ضوضاء الخلفية (أخطاء القراءة).

تقول هذه الورقة البحثية من شركة IQM للحوسبة الكمومية: "لقد نجحنا أخيراً في القيام بكل هذه المهام الثلاث في وقت واحد بدقة تقارب المثالية."

إليك كيف فعلوا ذلك، مشروحاً بتشبيهات من الحياة اليومية:

1. الاتصال "المثالي" (Goldilocks Connection)

يستخدم الجهاز مفتاحين كموميين صغيرين (يُطلق عليهما اسم الكيوبتات) متصلين بوسيط (يُسمى الموصل - Coupler).

المشكلة: إذا كان الاتصال بين المفاتيح والوسيط ضعيفاً جداً، فلن يتمكنوا من التحدث بسرعة كافية. وإذا كان قوياً جداً، فسيصابون بـ "الارتباك" ويفسدون مهامهم الفردية.
الحل: وجد الفريق إعداد "غولديلوكس" (الإعداد المثالي الذي ليس بالقوي جداً ولا بالضعيف جداً). لقد قاموا بضبط قوة الاتصال لتكون "مثالية تماماً". إنها قوية بما يكفي لتسمح للمفاتيح بالدردشة بسرعة، ولكن ليست قوية لدرجة تجعلهم يتشابكون ويرتكبون الأخطاء.
النتيجة: حققوا دقة بنسبة 99.93% للمحادثة (بوابة الكيوبت المزدوج) ودقة بنسبة 99.98% لقلب المفاتيح (بوابات الكيوبت الواحد).

2. المعايرة "لإلغاء الضوضاء" (PALEA)

حتى مع الإعدادات الصحيحة، تحدث أخطاء صغيرة. تخيل أنك تحاول ضبط جهاز راديو؛ أحياناً يظهر القليل من التشويش.

الطريقة القديمة: حاولت الطرق السابقة العثور على الخطأ من خلال الاستماع إلى التشويش، لكن التشويش كان غالباً مختلطاً بضوضاء أخرى، مما جعل تحديد مكان الخلل بدقة أمراً صعباً.
الطريقة الجديدة (PALEA): ابتكر الفريق طريقة جديدة تسمى PALEA (تضخيم خطأ التسرب متوسط الطور).
- التشبيه: تخيل أنك تحاول سماع همس محدد في غرفة صاخبة. بد way من مجرد الاستماع، تطلب من الغرفة تكرار هذا الهمس مراراً وتكراراً، ولكن تطلب من الجميع قوله بلكنة مختلفة قليلاً في كل مرة. من خلال حساب متوسط كل تلك اللكنات المختلفة، تلغي ضوضاء الخلفية نفسها، ويصبح الهمس المحدد واضحاً تماماً.
- النتيجة: سمح هذا لهم بالعثيد على "تسريبات" المعلومات الصغيرة (الأخطاء) وإصلاحها بفعالية تزيد عن ضعف الطرق السابقة.

3. قراءة "شبكة الأمان"

قراءة نتيجة عملية حسابية كمومية أمر صعب لأن عملية النظر إليها يمكن أن تغير النتيجة.

الاستراتيجية: استخدموا تقنية تسمى "الوضع على الرف" (Shelving).
- التشبيه: تخيل أن لديك كرة زجاجية هشة (الحالة الكمومية) وتحتاج إلى وزنها. إذا وضعتها مباشرة على الميزان، فقد تؤدي الاهتزازات إلى كسرها. بدلاً من ذلك، ترفع الكرة بلطف إلى رف مرتفع (حالة طاقة أعلى) حيث تكون أكثر استقراراً، ثم تقوم بوزنها.
- النتيجة: سمح هذا لهم بقراءة الإجابة بدقة 99.94% دون كسر الحالة الهشة. كما أظهروا قدرتهم على قراءتها دون تغيير الحالة على الإطلاق (دقة 99.3% في "القراءة غير المدمرة")، وهو أمر بالغ الأهمية لعمليات تصحيح الأخطاء في المستقبل.

الصورة الكبيرة

لم يقم الفريق بإصلاح جزء واحد فقط من الآلة؛ بل قاموا بتحسين النظام بأكمله.

لقد أثبتوا أنه يمكنك الحصول على محادثات سريعة ودقيقة بين المفاتيح و التحكم الفردي الدقيق و القراءة المثالية، كل ذلك في نفس الجهاز.
أظهروا أن هذا التصميم يمكن توسيعه. تخيل شبكة من هذه المفاتيح؛ تصميمهم يسمح لك بإضافة المزيد من المفاتيح في نمط مربع (مثل لوحة الشطرنج) دون كسر القواعد التي أتقنوها للتو.

باختة: لقد بنوا معالجاً كمومياً حيث تعمل المفاتيح، والمحادثات، والقراءة جميعها بمستوى من الدقة (أكثر من 99.9%) يجعل بناء حاسوب كمومي حقيقي قادر على تصحيح الأخطاء أمراً ممكناً. لم يكتفوا بجعل شيء واحد جيداً فحسب؛ بل جعلوا الأوركسترا بأكملها تعزف في تناغم تام.

ملخص تقني: بوابات أحادية الكيوبت، وبوابات ثنائية الكيوبت، والقراءة بدقة تتجاوز 99.9% في جهاز واحد فائق التوصيل

بيان المشكلة
يتطلب بناء حواسيب كمومية قابلة للتوسع وذات قدرة على تصحيح الأخطاء معدلات خطأ منخفضة عبر جميع العمليات الأساسية: البوابات أحادية الكيوبت، والبوابات ثنائية الكيوبت، وقراءة الكيوبت. وبينما تحسنت دقة العمليات الفردية بشكل ملحوظ في أنظمة "ترانسمون" (transmon) فائقة التوصيل، فإن تحقيق دقة عالية في آن واحد داخل جهاز واحد يظل تحدياً كبيراً. فالمعلمات الخاصة بالجهاز التي يتم تحسينها لعملية واحدة غالباً ما تؤدي إلى تدهور العمليات الأخرى. وتحديداً، فإن الاقتران القوي بين الكيوبت والموصل (coupler) يسهل البوابات التشابكية السريعة ولكنه يزيد من التداخل الناتج عن التهجين (hybridization-induced crosstalk)، مما يؤدي إلى تدهور دقة البوابات أحادية الكيوبت المتزامنة. وبالمثل، فإن دمج قراءة عالية الدقة دون المساس بتماسك الكيوبت أو أداء البوابات يتطلب موازنة دقيقة في البنية الهندسية.

المنهجية
يقدم المؤلفون استراتيجية تحسين شاملة لجهاز فائق التوصيل يتكون من اثنين من الكيوبتات من نوع "ترانسمون" العائمة القابلة للضبط بالتدفق (flux-tunable floating transmons)، المرتبطة عبر موصل ترانسمون عائم قابل للضبط. يعتمد هذا النهج على ثلاث ركائز أساسية:

الاقتران الأمثل بين الكيوبت والموصل: من خلال المحاكاة العددية باستخدام المعادلات الرئيسية ونماذج متذبذب "دوفينج" (Duffing oscillator) ثلاثية المستويات، حلل المؤلفون المقايضة بين أخطاء الكيوبت الأحادي (التي يهيمن عليها تداخل التهجين) وأخطاء الكيوبت الثنائي (التي يهيمن عليها التسرب والعمليات غير المتماسكة). وقد حددوا قوة اقتران محددة بين الكيوبت والموصل ( $g_{qc}$ ) تقلل من إجمالي خطأ بوابة كليفورد الموزون. يستهدف الجهاز المصنع متوسط اقتران هندسي قدره $g_{qc}/2\pi = 66$ ميجاهرتز، مما يوازن بين الحاجة إلى بوابات سريعة وبين التداخل.
بروتوكول PALEA للمعايرة: لمعالسة صعوبة معايرة أخطاء التسرب في الفضاء الجزئي $\{|11\rangle, |02\rangle\}$ ، قدم المؤلفون بروتوكول تضخيم خطأ التسرب بمتوسط الطور (PALEA). وخلافاً لبروتوكولات تضخيم الخطأ القياسية أو بروتوكولات MEADD التي تتطلب تحكماً دقيقاً في الطور أو تكون عرضة للتداخل من أنماط تسرب أخرى (مثل التسرب إلى الموصل)، يستخدم PALEA طبقة إلغاء تماسك ديناميكي (dynamical decoupling) ويقوم بعمل متوسط لفروق الطور العشوائية. يسمح هذا بعزل زاوية الدوران الزائد ( $\theta$ ) التي تحكم انتقال التعداد إلى حالة $|02\rangle$ ، مما يتيح استخراج إشارة عالية التباين ومعايرة دقيقة لبوابة (CZ) دون الحاجة للتحكم في طور دفع الكيوبت عند كل تكرار.
بنية وتحسين القراءة: يستخدم الجهاز رنان قراءة مخصص ومرشح "بيرسل" (Purcell filter) لكل كيوبت للحد من الانبعاث التلقائي والقيادة خارج الرنين. ويتم تحقيق قراءة عالية الدقة باستخدام تقنية الرف (shelving technique) (نقل الحالة $|e\rangle$ إلى $|f\rangle$ عبر نبضة $X_{12}^\pi$ ) بالتزامن مع مضخم بارامتري موجي مستمر (TWPA). بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين تكوين القراءة غير المعتمد على الرف خصيصاً لأداء القياس غير التدميري (QND).

النتائج الرئيسية
يسجل المؤلفون أداءً عالياً متزامناً في الدقة عبر جميع العمليات الأساسية في جهاز واحد:

البوابات ثنائية الكيوبت: دقة بوابة CZ بمتوسط زمن 40 ساعة بلغت 99.93% (خطأ $\approx 6.5 \times 10^{-4}$ ). يشير ميزانية الخطأ إلى أن الأخطاء غير المتماسكة والتسرب إلى الحالة المثارة الثانية هي المساهمات المهيمنة، مع كبح الأخطاء المتماسكة بشكل فعال.
البوابات أحادية الكيوبت: دقة بوابات أحادية الكيوبت متزامنة تتجاوز 99.98% (خطأ $\approx 1.6 \times 10^{-4}$ ). مصدر الخطأ المهيمن هو الاسترخاء غير المتماسك، مع تداخل تهجين وتسرب ضئيل جداً.
القراءة: دقة قراءة متزامنة تزيد عن 99.94% لكلا الكيوبتين باستخدام تكوين الرف.
أداء QND: حققت القراءة المحسنة لـ QND (بدون الرف) دقة QND بلغت 99.3%، مما يظهر القدرة على الموازنة بين دقة القراءة والحفاظ على الحالة.
خطأ النظام الإجمالي: تُقدر ميزانية خطأ النظام الإجمالية بـ $2.1 \times 10^{-3}$ ، وهي تقترب من العتبات المطلوبة للتوسع الفعال لأكواد تصحيح الخطأ الكمومي.

الأهمية والادعاءات
يدعي البحث تقديم مسار قابل للتطبيق نحو توسيع نطاق المعالجات الكمومية فائقة التوصيل مع الحفاظ على دقة ثابتة عبر جميع العمليات الأساسية. وتشمل المساهمات الرئيسية ما يلي:

التحسين الشامل: إثبات أن الضبط الدقيق لقوى الاقتران يمكن أن يحل المقايضات التقليدية بين سرعة البوابة، والتداخل، ودقة القراءة.
القابلية للتوسع: بنية الكيوبت-الموصل المعروضة قابلة للتوسع طبيعياً إلى تخطيطات شبكية مربعة ثنائية الأبعاد (ضرورية لتنفيذ كود السطح - surface code) عن طريق ربط كل كيوبت بأربعة موصلات مستقلة دون تغيير معلمات الجهاز بشكل كبير. كما يدعم تخطيط الشريحة مرشحات "بيرسل" مخصصة على طبقة واحدة، مما يتجنب تعقيدات التصنيع متعدد الطبقات.
تطور المعايرة: يوفر بروتوكول PALEA طريقة قوية وفعالة لمعايرة أخطاء التسرب، مما يقلل التسرب بمقدار ضعفين على الأقل مقارنة بالطرق القياسية ويسمح بتوصيف دقيق للأخطاء المتماسكة.
ميزانية الخطأ: يقدم العمل ميزانية خطأ شاملة تفكك المكونات غير المتماسكة والمتماسكة والتسرب، مما يظهر أن النظام يقترب من معدلات الخطأ اللازمة للحوسبة الكمومية ذات القدرة على تصحيح الأخطاء.

يؤكد المؤلفون أن نتائجهم تمثل خطوة نحو تحقيق دقة عالية موحدة في المنصات فائقة التوصيل القابلة للتوسع، مما يقرب الحوسبة الكمومية ذات القدرة على تصحيح الأخطاء من الواقع.

1. الاتصال "المثالي" (Goldilocks Connection)

2. المعايرة "لإلغاء الضوضاء" (PALEA)

3. قراءة "شبكة الأمان"

الصورة الكبيرة

أبحاث مشابهة