Real-Time FPGA-Based Multi-Parameter Feedback Stabilization of a Silicon Double Quantum Dot

تخيل أنك تحاول موازنة كومة من مكعبات "جينجا" (Jenga) فوق طاولة تهتز باستمرار. إذا اهتزت الطاولة أكثر من اللازم، ستنهار الكومة. الآن، تخيل بدلاً من المكعبات الخشبية، أنك تحاول موازنة إلكترون واحد داخل قفص غير مرئي مصنوع من الكهرباء. هذا هو عالم الحوسبة الكمومية، وتحديداً باستخدام "الكيوبتات المغزلية" (spin qubits)، وهي جسيمات تعمل كمغناطيسات صغيرة لتخزين المعلومات. المشكلة هي أن العالم المحيط بهذه الجسيمات مليء بالضجيج؛ فشحنات ضئيلة وغير مرئية في المواد المجاورة تترنح وتتحرك، مما يخلق "همهمة" منخفضة التردد (تُعرف باسم ضجيج $1/f$) تدفع الإلكترون بعيداً عن مكانه المثالي. وإذا انحرف الإلكترون، يفقد الحاسوب ذاكرته. لبناء حاسوب كمومي مفيد، يحتاج العلماء إلى إبقاء هذه الإلكترونات ساكنة تماماً، حتى بينما العالم من حولها يهتز. إنهم بحاجة إلى طريقة لاستشعار الانحراف ودفع الإلكترون للعودة إلى المركز فوراً، وبسرعة أكبر من قدرة الضجيج على تحريكه.

هذا بالضبط ما سعى الباحثون في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس (UCLA) للقيام به. لقد صنعوا "طياراً آلياً" عالي السرعة لنقطة كمومية مزدوجة من السيليكون، وهو جهاز يحجز إلكترونين جنباً إلى جنب. كانت المحاولات السابقة لتثبيت هذه النقاط تشبه محاولة قيادة سيارة سباق باستخدام خريطة تتحدث مرة كل بضع دقائق؛ حيث ستتحطم السيارة بالفعل قبل أن تتغير الخريطة. استبدل الفريق في هذه الورقة البحثية تلك الخريطة البطيئة بنظام تحديد مواقع (GPS) فائق السرعة ويعمل في الوقت الفعلي. ومن خلال استخدام شريحة خاصة تُسمى FPGA (مصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانياً) وتقنية تُسمى "الانعكاس الراديوي" (RF-reflectometry) - والتي تستمع إلى "صوت" الإلكترون باستخدام موجات الراديو بدلاً من انتظار تيار كهربائي بطيء - أنشأوا حلقة تغذية راجعة أسرع بآلاف المرات من السابق. وقد وجدوا أن هذا النظام الجديد يمكنه كبح الضجيج حتى تردد قدره 5 كيلو هرتز، مما يؤدي فعلياً إلى إسكات "الهمهمة" التي تفسد التجربة عادةً. هذا لا يعني أنهم حلوا مشكلة الحوسبة الكمومية بعد، لكنه يثبت أنه يمكننا الآن إبقاء "منزل" الإلكترون مستقراً لفترة كافية لإجراء عمليات حسابية معقدة في المستقبل.

برج "جينجا" على طاولة مهتزة

فكر في النقطة الكمومية المزدوجة من السيليكون كمنزل دقيق جداً مكون من غرفتين بُني للإلكترونات. داخل هذا المنزل، تتكون الجدران من مجالات كهربائية غير مرئية. ولكي يعمل هذا المنزل كحاسوب كمومي، يجب أن تبقى الإلكترونات في تكوين محدد للغاية، مثل برج "جينجا" مثالي. لكن الأرض تحت هذا المنزل مهتزة. فالشحنات العشوائية الضئيلة في المواد المحيطة تتحرك باستمرار، مما يخلق "ضجيج شحنة" منخفض التردد. هذا الضجيج يشبه يداً خفية وبطيئة تحاول باستمرار دفع جدران المنزل، مما يتسبب في انحراف الإلكترونات عن أماكنها المثالية. وإذا انحرفت كثيراً، فإن المعلومات الكمومية التي تحملها ستتشوه وتضيع.

ولإصلاح ذلك، يستخدم العلماء تقنية تسمى "تثبيت التغذية الراجعة" (feedback stabilization). الأمر يشبه امتلاك روبوت يتحقق باستمرار من وضع برج "جينجا" ويجري تعديلات طفيفة على الجدران للحفاظ على توازنه. في الماضي، كان هذا الروبوت بطيئاً؛ حيث كان يتحقق من البرج، ويحسب التصحيح، ثم يطبقه، لكن العملية كانت تستغرق وقتاً طويلاً (حوالي 0.3 هرتز، أو مرة كل بضع ثوانٍ) لدرجة أن البرج كان سيتمايل بشكل كبير بحلول الوقت الذي يتصرف فيه الروبوت. أراد الباحثون في هذه الورقة بناء روبوت يمكنه التحرك بسرعة الفكر.

الطيار الآلي فائق السرعة

بنى الفريق، بقيادة جوناثان برايان، وتيم جيه ويلسون، وهونغ-وين جيانغ، نوعاً جديداً من الطيار الآلي باستخدام جهاز يُسمى OPX من شركة Quantum Machines. يحتوي هذا الجهاز على شريحة قوية (FPGA) يمكنها إجراء العمليات الحسابية بسرعة هائلة. وبدلاً من انتظار تيار كهربائي بطيء ليخبرهم بمكان الإلكترونات، استخدموا طريقة تسمى الانعكاس الراديوي (RF-reflectometry).

تخيل أنك في غرفة مظلمة تحاول العثور على جسم معين. بدلاً من المشي نحوه ولمسه (وهو أمر بطيء)، تقوم برمي كرة عليه والاستماع إلى صدى ارتدادها. إذا تحرك الجسم، يتغير الصدى. لقد فعل الباحثون ذلك باستخدام موجات الميكروويف. لقد أطلقوا موجات الميكروويف على النقطة الكمومية واستمعوا إلى "الصدى" (الإشارة المنعكسة). سمح لهم ذلك باستشعار موقع الإلكترونات بشكل فوري تقرياً.

تعمل العملية مثل لعبة "ساخن وبارد"، ولكنها تُلعب بسرعة البرق:

1. الاستماع: يقيس النظام "الصدى" لمعرفة مكان الإلكترونات.
2. الدفعة: يقوم بدفع أحد الجدران الكهربائية (جهد البوابة) بمقدار ضئيل جداً ليرى كيف يتغير الصدى.
3. الحساب: يستنتج الاتجاه الذي يجب الدفع فيه لإعادة الإلكترونات إلى المركز.
4. التصحيح: يضبط الجهد فوراً لدفع الإلكترونات للعودة إلى المركز.

لقد قاموا بذلك لجدارين مختلفين (معلمتين) في نفس الوقت، مما خلق حلقة تغذية راجعة متعددة المعلمات.

النتائج: إسكات الهمهمة

اختبر الفريق نظامهم الجديد عن طريق إدخال اهتزاز إيقاعي زائف (اضطراب جيبي) لمعرفة ما إذا كان الطيار الآلي يستطيع إيقافه. ووجدوا أن نظامهم كان فعالاً للغاية.

• السرعة: تمكنوا من إتمام دورة كاملة من القياس والحساب والتصحيح في 81.8 ميكروثانية فقط (أي 0.0000818 ثانية).
• كبح الضجيج: نجح النظام في تقليل الضجيج بمقدار 6 ديسيبل (انخفاض كبير في مستوى الصوت) للترددات التي تصل إلى 5 كيلو هرتز.
• المقارنة: الطرق السابقة التي تستخدم قياسات التيار البطيئة لم تكن تستطيع التعامل إلا مع ضجيج يصل إلى 0.3 هرتز. الطريقة الجديدة أسرع بنحو 16,000 مرة من حيث نطاق التردد الذي يمكنها معالجته.

تشير الورقة البحثية صراحةً إلى أنه رغم كون هذا تحسناً هائلاً، إلا أنه ليس عصا سحرية تحل كل شيء بعد. فالنظام مقيد حالياً بمدى سرعة قياس الإشارة. إذا تمكنوا من جعل القياسات أكثر وضوحاً (نسبة إشارة إلى ضجيج أفضل)، فقد يتمكنون من العمل بسرعة أكبر. الحد النظري لإعدادهم الحالي هو حوالي 6.1 كيلو هرتز، بناءً على قوانين الفيزياء المعروفة بنظرية أخذ العينات لـ "نايكويست-شانون".

لماذا هذا مهم؟

يؤكد المؤلفون بحذر أنه لا يمكنهم تشغيل حاسوب كمومي أثناء عمل هذه التغذية الراجعة. إن عملية ضبط الجهود باستمرار لتثبيت النقطة ستدمر الحالة الكمومية الدقيقة اللازمة للحوسبة. بدلاً من ذلك، يعمل هذا النظام مثل "مكبح يدوي" أو "مثبت" يحافظ على الجهاز في حالة مثالية وجاهزة. بمجرد تثبيت الجهاز، يمكن إيقاف التغذية الراجعة، ويمكن إجراء الحوسبة الكمومية.

يشير هذا العمل إلى أننا نقترب من اليوم الذي يمكننا فيه بناء مصفوفات كبيرة من النقاط الكمومية التي تظل مستقرة لفترات طويلة. ومن خلال ترويض الضجيج منخفض التردد الذي عانى منه هذه الأنظمة لسنوات، تعد حلقة التغذية الراجعة عالية السرعة هذه خطوة حاسمة نحو جعل الحواسيب الكمومية لا تعمل للحظة واحدة فحسب، بل تجري عمليات حسابية معقدة بشكل موثوق. وتخلص الورقة إلى أن الخطوة التالية هي اختبار كيف يؤثر هذا النهج "المتداخل" (التثبيت، ثم الحوسبة، ثم التثبيت مرة أخرى) على جودة المعلومات الكمومية الفعلية، ولكن في الوقت الحالي، لقد أثبتوا أن "الطيار الآلي" يعمل، وأنه يعمل بسرعة.