Improved error correction with leakage reduction units built into qubit measurement in a superconducting quantum processor
تقدم هذه الورقة وتثبت تجريبياً وحدة تقليل تسرب (LRU) عالية الدقة مدمجة مباشرة في قياس الكيوبت من نوع "ترانسمون"، والتي تعمل بفعالية على إزالة التسرب إلى الحالات غير الحسابية دون عبء زمني أو فقدان في الدقة، مما يؤدي بنجاح إلى كبح معدلات الخطأ المنطقي في تجارب تصحيح الخطأ الكمي.
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
تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات قد تستغرق الآلات التقليدية آلاف السنين لحلها، لكنها هشة للغاية بشكل ملحوظ. لكي تعمل، تعتمد هذه الآلات على دوائر متناهية الصغر تحفظ المعلومات في حالة دقيقة، وغالباً ما تستخدم حلقات فائقة التوصيل مبردة إلى درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء. والهدف هو الحفاظ على استقرار هذه الدوائر لفترة كافية لإجراء حسابات معقدة. ومع ذلك، فإن البيئة مليئة بالضجيج، والدوائر ترتكب الأخطاء بشكل متكرر. ولإصلاح ذلك، يستخدم العلماء تقنية تسمى تصحيح الخطأ الكمومي، والتي تنشر المعلومات عبر العديد من الدوائر الفيزيائية بحيث إذا فشلت إحداها، يمكن للأخرى التعويض عنها. هذا التكرار هو المسار الوحيد المعروف لبناء آلة يمكنها العمل إلى أجل غير مسمى دون الانهيار. ومع ذلك، ثمة نوع محدد من الأخطاء ظل لفترة طويلة يهدد بإفساد هذه الجهود. فخلافاً لانقلاب بسيط في "البت"، وهو ما يتعامل معه تصحيح الخطأ بشكل جيد، يحدث خطأ أكثر خطورة عندما تنزلق الدائرة عرضياً إلى حالة لم يكن من المفترض أبداً أن تشغلها. هذا "التسرب" يشبه خروج عامل من أرض المصنع تماماً؛ فبمجرد خروجه، لا يمكن توجيهه للعودة عبر التعليمات المعتادة، ويمكن لغيابه أن يسبب سلسلة من الإخفاقات التي تفسد النظام بأكمله.
وقد أظهر باحثون في معهد "كوتيك" (QuTech) في هولندا الآن طريقة للإمساك بهذه الدوائر المنزلقة وإعادتها إلى العمل دون إبطاء الكمبيوتر. في دراسة جديدة، قدموا طريقة تعمل مثل شبكة أمان، مبنية مباشرة في اللحظة التي تفحص فيها الآلة حالتها. في المعالجات الكمومية القياسية، يستغرق فحص حالة الدائرة وقتاً، وعادة ما يتطلب إصلاح الأخطاء خطوة منفصلة ومخصصة توقف عملية الحساب. وقد وجد الفريق طريقة لدمج الفحص والإصلاح في إجراء واحد سلس. لقد طوروا بروتوكولاً يستخدم نبضات مدروسة التوقيت من طاقة الميكروويف لدفع دائرة سقطت في حالة محظورة للعودة إلى نطاق عملها الصحيح. والأهم من ذلك، أن هذا يحدث في نفس الوقت الذي تقرأ فيه الآلة قيمة الدائرة، مما يعني أن الكمبيوتر لا يفقد أي وقت في إجراء الإصلاح.
ركزت التجربة على نوع شائع من الدوائر الكمومية يسمى "ترانسمون" (transmon)، والذي يحتوي على ثلاثة مستويات طاقة رئيسية. يُستخدم المستويان الأدنيان للحوسبة العادية، بينما يمثل المستوى الثالث الأعلى "التسرب" الخطير. عندما تنزلق الدائرة إلى هذا المستوى الثالث، لا يمكن التحكم بها بواسطة المنطق القياسي. صمم الباحثون عملية تدفع الدائرة في آن واحد خارج هذا المستوى العالي وتسحبها للأسفل إلى المستوى الأوسط، حيث تنتمي. لقد حققوا ذلك عن طريق إرسال إشارتي ميكروويف في وقت واحد: واحدة إلى الدائرة نفسها، والأخرى إلى "رنان" قريب، وهو جهاز يُستخدم لقراءة حالة الدائرة. ويخلق التفاعل بين هاتين الإشارتين مساراً باتجاه واحد. وبمجرد تحرك الدائرة نحو المستوى الصحيح، تتغير فيزياء النظام بطريقة تمنعها من الانزلاق للأعلى مرة أخرى. يضمن هذا التدفق الاتجاهي إعادة ضبط الدائرة بكفاءة. وقد تحقق الفريق من أن هذه العملية تزيل التسرب في 98.4% من الحالات، مع السماح للآلة أيضاً بقراءة حالة الدائرة بدقة عالية.
ولإثبات نجاح هذه الطريقة في سيناريو واقعي، دمج الباحثون هذا الأسلوب في نوعين مختلفين من تجارب تصحيح الخطأ الكمومي. في الأولى، اختبروا تجربة ذاكرة، والتي تقيس مدى قدرة قطعة من المعلومات على الحفاظ على نفسها بمرور الوقت. وفي الثانية، اختبروا تجربة استقرار، والتي تقيس مدى قدرة المعلومات على الانتقال عبر شبكة من الدوائر. وفي كلتا الحالتين، قارنوا أداء طريقتهم الجديدة بالتقنيات القياسية. وأظهرت النتائج أنه عندما استُخدمت طريقة تقليل التسرب الجديدة، ارتكب الكمبيوتر أخطاء منطقية أقل، حتى عندما كان معدل التسرب مرتفعاً. وكان التحسن أكثر وضوحاً عندما دُمجت الطريقة مع قراءة أكثر تفصيلاً يمكنها التمييز بين مستويات الطاقة الثلاثة، بدلاً من المستويين القياسيين فقط. سمحت هذه المعلومات الإضافية لبرمجيات تصحيح الخطأ في الكمبيوتر باتخاذ قرارات أفضل، مما أدى فعلياً إلى تحييد الضرر الناجم عن التسرب.
تكمن أهمية هذا العمل في كفاءته. فقد تطلبت المحاولات السابقة لإصلاح التسرب خطوات زمنية مخصصة تسببت في تأخيرات في الحساب، مما أدى غالباً إلى إدخال أخطاء جديدة أثناء الانتظار. ومن خلال دمج الإصلاح مباشرة في عملية القياس، ألغى الباحثون هذه العقوبة الزمنية. لقد أظهروا أن الكمبيوتر يمكنه العمل بشكل أسرع وأكثر موثوقية لأنه لم يعد بحاجة للتوقف لتنظيف أخطائه الخاصة. كما أكدت الدراسة أن هذه الطريقة لا تضعف جودة المعلومات التي يتم قراءتها، حيث تحافظ على مستوى عالٍ من الدقة لحالات الحوسبة العادية. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتوسيع نطاق هذا النهج ليشمل آلات أكبر وأكثر تعقيداً، فإن التجربة توفر حلاً واضحاً وعملياً لعقبة رئيسية في الحوسبة الكمومية. ومن خلال تحويل مصدر مستمر للأخطاء المترابطة إلى حدث يمكن إدارته، تقرب هذه التقنية حلم الكمبيوتر الكمومي المقاوم للأخطاء خطوة أخرى من الواقع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.