On-chip generation of multi-qubit graph states with high-dimensional encoded single photons

تخيل أنك تحاول بناء قلعة ضخمة ومعقدة من قطع "ليغو" (LEGO). في عالم الحوسبة الكمومية، هذه "القطع" هي جسيمات صغيرة من الضوء تُسمى الفوتونات، و"القلعة" هي شبكة معقدة من الاتصالات تُعرف بالحالة المتشابكة. هذا هو ملعب علم المعلومات الكمومية، وهو مجال يهدف إلى استخدام القواعد الغريبة للعالم الصغير جداً لحل مشكلات قد تستغرق أجهزة الكمبيوتر الفائقة الحالية دهراً لحلها. لكن تكمن المشكلة هنا: الحصول على ما يكفي من الفوتونات للعب بها أمر صعب للغاية. الأمر يشبه محاولة بناء قلعتك بينما تنتظر سقوط قطعة واحدة نادرة من السماء كل بضع ساعات. لقد حاول العلماء حل هذه المشكلة باستخدام العديد من الفوتونات في وقت واحد، لكن الأمر يشبه محاولة الإمساك بمئة قطعة تسقط في آن واحد؛ فغالباً ما تخطئ في الإمساك بها، أو ينهار الهيكل بأكمله.

وللتغلب على ذلك، استكشف الباحثون حيلة ذكية: بدلاً من انتظار المزيد من القطع، ماذا لو جعلنا قطعة واحدة تقوم بعمل العديد من القطع؟ الفوتونات مميزة لأن لديها "نكهات" مختلفة أو طرقاً مختلفة للاهتزاز، أو الحركة، أو الوجود، تُعرف بـ "درجات الحرونة". فكر في الفوتون ليس مجرد خرزة واحدة، بل كخرزة سحرية يمكن تلوينها بألوان عديدة، وتشكيلها بطرق متنوعة، ووضعها في أماكن مختلفة جميعاً في آن واحد. من خلال ترميز المعلومات في هذه "النكهات" المختلفة لفوتون واحد، يمكن للعلماء حشد الكثير من البيانات في هذا الجسيم الصغير. يتعمق هذا البحث في كيفية استخدام استراتيجية "القطعة الخارقة" هذه لبناء هياكل كمومية أكبر وأكثر تعقيداً دون الحاجة إلى جبل من الفوتونات النادرة.

يقترح الباحثون، الذين يعملون مع شرائح السيليكون التي توجه الضوء مثل طرق سريعة صغيرة، طريقة جديدة لتوليد هذه الحالات الكمومية المعقدة. فبدلاً من الصراع لإنشاء العديد من الفوتونات في وقت واحد، يأخذون مجموعة أصغر من الفوتونات ويستخدمون حيلة "عالية الأبعاد" لمد كل منها لتستوعب معلومات متعددة. تخيل أنك تأخذ خيطاً واحداً من الصوف وتقوم بطيّه ليصبح شكل "أوريغامي" معقداً يمثل فريقاً كاملاً من الأشخاص. في تجربتهم، استخدموا شريحة سيليكون قابلة للبرمجة لأخذ أربعة فوتونات، ومن خلال التحكم في مساراتها وقياسها بطريقة طبقية محددة، حولوها إلى حالة كمومية مكونة من 16 كيوبت (الـ "كيوبت" هو الوحدة الأساسية للمعلومات الكمومية، مثل "البت" في الكمبيوتر العادي).

لقد أثبت الفريق ذلك من خلال إنشاء نوعين محددين من القلاع الكمومية. أولاً، بنوا حالة "غرينبرجر-هورن-زيلينجر" (GHZ)، وهي نوع خاص من المجموعات فائقة الاتصال حيث إذا غيرت جزءاً واحداً، يتغير الشيء بأكمله فوراً. لقد تمكنوا من إنشاء نسخة من هذه الحالة مكونة من 10 كيوبتات باستخدام أربعة فوتونات فقط، مما أثبت أن فكرة "الفوتون الواحد، والمهام المتعددة" ناجحة. وقاسوا جودة هذه الحالة ووجدوا أنها دقيقة للغاية، حيث بلغت "دقة المطابقة" (وهي درجة تقيس مدى قرب الحالة من النسخة النظرية المثالية) 0.961 لنسخة مكونة من 4 كيوبتات. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أنهم تحققوا من أن حالتهم المكونة من 10 كيوبتات كانت متشابكة حقاً، وهو إنجاز كان سيكون شبه مستحيل بالأساليب التقليدية لأن فرصة اجتماع 10 فوتونات معاً هي فرصة منخفضة فلكياً، لدرجة أن رؤية ذلك قد تستغرق وقتاً أطول من عمر الكون.

ثانياً، استخدموا نفس هذا النهج لبناء "حالة عنقودية" (cluster state) باستخدام فوتون واحد فقط. هذا النوع من الحالات هو الوقود لنوع معين من الحوسبة الكمومية يُسمى "الحوسبة الكمومية أحادية الاتجاه". وقد أظهروا أن حالة العنقود المكونة من فوتون واحد كانت ذات جودة عالية جداً (بدقة مطابقة بلغت 0.991) لدرجة أنه يمكن استخدامها لتشغيل خوارزمية بحث شهيرة تُسمى "خوارزمية غروفر". وفي اختبارهم، نجحت الشريحة في العثور على عنصر "محدد" في قاعدة بيانات مكونة من أربعة احتمالات بنسبة نجاح بلغت 98.7%.

تجادل الورقة البحثية بأن هذه الطريقة هي مسار أكثر كفاءة للمضي قدماً مقارنة بمحاولة توليد أعداد ضخمة من الفوتونات في وقت واحد. فبينما تعاني الطرق التقليدية من انخفاض الكفاءة وارتفاع معدلات الخطأ عند التوسع، يسمح نهج "الترميز عالي الأبعاد" ببناء حالات أكبر وأكثر تعقيداً بموارد أقل. ويشير المؤلفون إلى أنه باستخدام هذه التقنية، قد يكون من الممكن في النهاية إنشاء حالات كمومية تضم مئات الكيوبتات على شريحة واحدة. هم لم يكتفوا بالاقتراح فحسب؛ بل قاموا بالفعل ببناء الدوائر، وأجروا التجارب، وقاسوا النتائج، مما أظهر أن استراتيجية "فوتون الأوريغامي" هي حل حقيقي وعملي لأحد أكبر العقبات في طريق الحوسبة الكمومية.