Real-time detection of correlated quasiparticle tunneling events in a multi-qubit superconducting device
تقدم هذه الورقة طريقة للكشف في الوقت الفعلي عن نفق أشباه الجسيمات في ترانسمونات فائقة التوصيل متجاورة، مما يكشف أنه بينما تكون الأحداث الفردية غير مترابطة، تحدث نوبات انفجارية نادرة مرة واحدة تقريبًا كل دقيقة وتتسبب في أخطاء مترابطة للغاية عبر كلا الجهازين.
تخيل حاسوباً كمياً فائق التوصيل كأنه مكتبة هادئة للغاية وعالية المخاطر، حيث تُخزن كتب دقيقة (البتات الكمية، أو "الكيوبتات"). ولكي تظل هذه الكتب آمنة، يجب أن تكون الغرفة ساكنة تماماً. ومع ذلك، تتسلل أحياناً "أشباح" غير مرئية تُسمى الجسيمات شبه الموضعية (quasiparticles)، لتقلب الكتب وتتسبب في حدوث أخطاء.
هذه الورقة البحثية تشبه فريقاً من حراس الأمن الذين بنوا جهاز كشف حركة جديداً فائق الحساسية للإمساك بهذه الأشباح في الوقت الفعلي. وإليكم ما وجدوه، مشروحاً ببساة:
الإعداد: أذنان حسّاستان
بنى الباحثون جهازاً به "أذنان" (تُسمى كيوبتات ترانسمون) موضوعتان جنباً إلى جنب على شريحة متناهية الصغر، متصلتان بممر مشترك (موجه موجي).
كيف تعمل: تم ضبط هاتين الأذنين للاستماع إلى طنين محدد. عندما يتسلل شبح (جسيم شبه موضعي) إلى الجزيرة التي تقبع فيها الأذن، فإنه يغير الشحنة الكهربائية لتلك الجزيرة. هذا يشبه تماماً شخصاً يطأ لوحاً خشبياً في الأرضية؛ حيث يتغير حدة الطنين فوراً.
الهدف: من خلال الاستماع إلى تغيرات الحدة هذه، يمكن للفريق رصد اللحظة التي يظهر فيها الشبح ويختفي بدقة.
الاكتشاف: "الهدوء" مقابل "العاصفة"
من خلال الاستماع إلى هاتين الأذنين لساعات، لاحظ الباحثون نمطين مختلفين تماماً من النشاط:
الضجيج الخلفي (الهدوء): في معظم الأوقات، تظهر الأشباح بشكل عشوائي ومستقل. الأمر يشبه سماع سقوط ورقة شجر واحدة في غابة هنا، وكسرة غصن هناك، دون أي اتصال بينهما. هذه الأحداث غير مترابطة وتحدث بوتيرة بطيئة وثابتة (مرة كل بضع ثوانٍ تقريباً).
العواصف (الهبات): فجأة، وبمعدل مرة واحدة كل دقيقة تقريباً، ينفجر النشاط. يرتفع معدل ظهور الأشباح بمقدار 1,000 ضعف عن المعدل الطبيعي.
مدة "العاصفة": هذه الهبات قصيرة العمر، إذ تستمر حوالي 7 ميلي ثانية (وهي مدة أطول بكثير من طرفة عين).
العاصفة مشتركة: والأهم من ذلك، عندما تضرب العاصفة، تسمع كلتا الأذنين ذلك في الوقت نفسه تماماً. وهذا يثبت أن هذه الهبات ليست حوادث عشوائية؛ بل هي ناتجة عن حدث واحد يؤثر على الشريحة بأكملها في آن واحد.
نوعا العواصف
أدرك الباحثون أن هناك نوعين من هذه "العواصف"، وهما يعملان بشكل مختلف:
النوع (أ): العاصفة الصامتة (الأكثر شيوعاً) هذه الهبات تسبب طفرة هائلة في نشاط الأشباح، لكنها لا تترك أي أثر آخر. الأمر يشبه هبوب ريح مفاجئة تهز الأشجار، لكن الريح لا تغير درجة الحرارة أو الضغط. يعتقد الباحثون أن هذه العواصف قد تكون ناتجة عن اهتزازات (فونونات) تنتقل عبر مادة الشريحة.
النوع (ب): العاصفة الصاخبة (النادرة) مرة واحدة في الساعة تقريباً، تحدث هبة تأتي مع تأثير ثانٍ: فهي تغير "المشهد الكهربائي" للشريحة فجأة. تخيل أن ألواح الأرضية لا تكتفي بإصدار صرير فحسب، بل إن الأرضية بأكملها تميل قليلاً. هذا يشير إلى أن جسيماً عالي الطاقة (مثل الإشعاع الكوني) قد ضرب الشريحة، مما أدى إلى خلق الأشباح وتغيير الشحنة الكهربائية في آن واحد.
لماذا يهم هذا الأمر؟
الورقة البحثية لا تدعي أنها حلت المشكلة بعد، لكنها قدمت أداة قوية للغاية.
المشكلة: تحتاج الحواسيب الكمية إلى أن تكون الأخطاء عشوائية ومعزولة حتى يمكن تصحيحها. أما إذا حدثت الأخطاء في شكل "عواصف" تشمل الحاسوب بأكمله في وقت واحد، فإن ذلك يفسد أنظمة التصحيح.
الحل: من خلال إثبات قدرتهم على رصد هذه العواصف في الوقت الفعلي والتمييز بين النوعين "الصامت" و"الصاخب"، نجح الباحثون في رسم خريطة للمشكلة. وهذا يسمح للمهندسين بتصميم دروع أفضل أو مواد تمنع هذه الأنواع المحددة من العواصف قبل أن تفسد الحسابات الكمية.
باختصار: بنى الفريق ميكروفوناً فائق الحساسية رصد جهازين كميين يستمعان إلى أشباح غير مرئية. واكتشفوا أنه بينما يتجول الأشباح عادةً بمفردهم، إلا أنهم يأتون أحياناً في موجات متزامنة تزيد بمقدار 1,000 ضعف، مما يهز النظام بأكمله، ويمكنهم الآن التمييز بين الموجة الناتجة عن الاهتزاز والموجة الناتجة عن الإشعاع.
ملخص تقني: الكشف في الوقت الفعلي عن أحداث نفق أشباه الجسيمات المرتبطة في جهاز فائق التوصيل متعدد الكيوبتات
بيان المشكلة يُعد نفق أشباه الجسيمات (Quasiparticle - QP) عبر وصلات جوزيفسونون مصدرًا مهمًا لفك الترابط والأخطاء المرتبطة في الدوائر الكمومية فائقة التوصيل. وبينما أدت التحسينات الأخيرة في المواد إلى تعزيز الترابط الكمومي، فإن توسيع نطاق المعالجات الكمومية قد زاد من الحاجة إلى فهم وتخفيف الأخطاء الناجمة عن أشباه الجسيمات، لا سيما "الانفجارات" (bursts) التي تخلق أخطاءً مرتبطة زمنياً ومكانياً. هذه الارتباطات تنتهك الافتراضات التي تقوم عليها أكواد تصحيح الخطأ الكمومي مثل "الكود السطحي" (surface code). وغالباً ما تُعزى هذه الانفجارات إلى الإشعاع المؤين (الأشعة الكونية، أو المواد المشعة، أو تحرر الإجهاد الفونوني)، والتي يمكن أن تؤدي في آن واحد إلى تدهور أوقات الاسترخاء عبر عدة كيوبتات. وتتمثل الفجوة الحرجة في القدرة على اكتشاف هذه الأحداث في الوقت الفلي على أجهزة فردية للتمييز بين نفق الخلفية غير المرتبط وأحداث الانفجار المرتبطة، وتحديد أصولها الفيزيائية (على سبيل المثال، الأحداث المؤينة مقابل الأحداث الناتجة عن الفونونات فقط).
المنهجية طوّر الباحثون مخططاً للكشف في الوقت الفعلي باستخدام اثنين من كيوبتات "ترانسمون" (transmon) متوسطة الحساسية للشحنة (QPD1 و QPD2) تم وضعهما معاً في شريحة سيليكون واحدة وربطهما بدليل موجي مستوٍ مشترك.
بنية الجهاز: يمتلك الترانسمونان، المتباعدان بمسافة 1.5 مم، هندسة مكثف مشتركة ولكن لهما مساحات وصلة مختلفة. تم تصنيعهما باستخدام وصلات جوزيفسونون من الألمنيوم على ركيزة سيليكون مع مستوى أرضي من الألمنيوم. الجهاز محمي داخل غلاف نحاسي مغلق بالإنديوم مع مرشحات لتصريف الإشعاع عالي التردد لتقليل الإشعاع الخارجي.
آلية الكشف: يستخدم النظام تشتت الموجات الدقيقة المتماسك (coherent microwave scattering). يتم تطبيق نغمة دفع مستمرة عند ترددات الانتقال للكيوبتات، والتي تعتمد على تماثل الشحنة (charge parity P=±1). عندما ينفق شبه جسيم (QP) على أو خارج الجزيرة، يتغير تماثل الشحنة، مما يسبب إزاحة فورية في تردد انتقال الكيوبت.
بروتوكول القياس: يقوم الباحثون بمراقبة المجال المرسل عبر الدليل الموجي باستمرار. ومن خلال إلغاء تعديل الإشارة رقمياً عند ترددات الانتقال المعتمدة على التماثل (ω01±)، يمكنهم حل الانتقالات المفاجئة بين مستويين منفصلين من الإشارة اللذين يمثلان حالات التماثل الزوجي والفردي.
تحليل البيانات: تم الحصول على تتبع زمني بحجم نافذة زمنية قدره 100 ميكروثانية. استخدم الباحثون بروتوكول تحديد العتبة لتحديد أحداث التبديل، واستخدموا تقدير كثافة النواة (KDE) للتمييز بين التبديل الأساسي وفترات "الانفجار" (المعرفة كسلاسل من القفزات ذات فواصل زمنية بين الأحداث أقل من 5 مللي ثانية). كما أجروا تحليل الارتباط المتبادل على سلسلة زمن تعداد الانفجارات لتحديد الارتباطات بين الأجهزة.
المساهمات والنتائج الرئيسية
الكشف في الوقت الفلي عن نفق أشباه الجسيمات: نجحت الدراسة في إثبات الكشف في الوقت الفعلي عن أحداث نفق أشباح الجسيمات الفردية بدقة زمنية في حدود عشرات الميكروثانية. تم قياس معدلات نفق الخلفية عند مستوى الهرتز الواحد (Γslow(1)≈5.28 s−1 و Γslow(2)≈3.61 s−1).
تحديد نظم الانفجار: حدد الباحثون "انفجارات أشباه الجسيمات" متقطعة حيث يزدل معدل النفق بنحو ثلاث مراتب عشرية (يصل إلى ∼4000 s−1). وتتميز هذه الانفجارات بعمر نموذجي يبلغ حوالي 7 مللي ثانية.
تحليل الارتباط:
الخلفية غير المرتبطة: خارج فترات الانفجار، توصف أحداث التبديل بأنها عمليات "بواسونية" مستقلة دون ارتباط زمني قابل للقياس بين الجهازين.
الانفجارات المرتبطة: يحدث جزء كبير من الانفجارات (47% من انفجارات QPD1 و 76% من انفجارات QPD2) بشكل متزامن في كلا الكاشفين. يُظهر تحليل الارتباط المتبادل (R12(τ)) ذروة بارزة عند تأخير صفر، مما يؤكد الارتباط الزمني عبر الأجهزة.
الانفجارات غير المرتبطة: تحدث بعض الانفجارات في كاشف واحد فقط، مما يشير إلى أنه ليست كل أحداث الانفجار مرتبطة مكانياً.
أحداث إزاحة الشحنة المساعدة (Offset-Charge-Shifting): حدد الباحثون فئة فرعية نادرة من الانفجارات المرتبطة (تحدث بمعدل ∼0.43 h−1 للأحداث المتزامنة) المصحوبة بإزاحة منفصلة في الشحنة المساعدة الفعالة (ng). تظهر هذه الإزاحة في صورة تغيير في تجمعات حالة التماثل في مستوى (IQ) وتغيير في انقسام التماثل. وتتوافق هذه الأحداث مع أحداث الإشعاع المؤين التي تزعزع البيئة الكهروستاتيكية المحلية.
التمييز بين الآليات: تشير النتائج إلى أنه بينما تصاحب بعض الانفجارات تغيرات في الشحنة (والتي يُرجح أنها أحداث إشعاعية مؤينة)، فإن العديد من الانفجارات المرتبطة تحدث دون تغييرات قابلة للكشف في الشحنة. وهذا يعني أن عمليات كسر الأزواج الناتجة عن الفونونات، والتي لا تغير مشهد الشحنة، تساهم أيضاً في ديناميكيات أشباه الجسيمات المرتبطة.
الأهمية والادعاءات يرسي البحث طريقة عملية وقابلة للتوسع لتحديد انفجارات أشباه الجسيمات في الدوائر فائقة التوصيل، مع التمييز بين ارتباطاتها وبنيتها المكانية. يدعي المؤلفون أن هذا النهج يعزز المسار نحو كبح الأخطاء المرتبطة في المعالجات الكمومية فائقة التوصيل من خلال توفير أداة تشخيصية تتجاوز قياسات تدهور زمن الترابط العابر. ومن خلال حل أحداث النفق الفردية، توفر هذه الطريقة معياراً أكثر حساسية لتقييم استراتيجيات التخفيف مثل هندسة الفجوة وحجز الفونونات. يسلط العمل الضوء على أن الأخطاء المرتبطة يمكن أن تنشأ من آليات فيزيائية متعددة (الإشعاع المؤين وإجهاد الفونونات)، مما يستلزم نهجاً متعدد الأوجه لتخفيف الأخطاء في المعالجات الكمومية واسعة النطاق. ويشير المؤلفون إلى أنه بينما يوفر إعدادهم الحالي دقة مكانية بين جهازين، فإن دمج المزيد من الكواشف يمكن أن يعزز بشكل أكبر رسم الخرائط المكانية لهذه الأحداث.