Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

أدت مسيرة البحث عن بناء حاسوب كمي عملي إلى دفع العلماء لاستكشاف طرق مختلفة للتحكم في أصغر وحدات المعلومات، والمعروفة باسم الكيوبتات (qubits). ويستخدم أحد النهج الواعدة الذرات الفردية، المعلقة في فراغ بواسطة حزم من الضوء، لتعمل ككيوبتات. وتعد مصفوفات الذرات المتعادلة هذه جذابة لأنها يمكن توسيع نطاقها لتستوعب آلاف الذرات، كما يمكن تحريك الذرات حولها بدقة عالية. ومع ذلك، لسنوات طويلة، تسبب عائق رئيسي في إبطاء تقدمها؛ فبينما يمكن التحكم في الذرات نفسها بسرعة كبيرة، كانت عملية التحقق من حالتها وتحضيرها للخطوة التالية بطيئة للغاية. تقليدياً، كانت قراءة حالة الذرة تتطلب طريقة غالباً ما تؤدي إلى إخراج الذرة من فخها أو تسخينها لدرجة تجعلها تفقد مكانها. وهذا يعني أنه بعد كل عملية حسابية واحدة، كان على العلماء قضاء مئات الميلي ثانية في إعادة تحميل ذرات جديدة وإعادة ترتيبها، وهي عملية حدت من عدد العمليات الحسابية التي يمكن إجراؤها في الثانية.

لقد أثبت فريق من الباحثين الآن طريقة لكسر هذا الحد الأقصى للسرعة، حيث أظهروا أن معالجاً كمياً من الذرات المتعادلة يمكنه تشغيل العمليات الحسابية بمعدل مائة مرة في الثانية. ومن خلال تصميم نظام يمكنه قراءة حالة الذرة دون تدميرها أو فقدانها، تمكن الفريق من استخدام نفس المجموعة من الذرات مراراً وتكراراً وبشكل متتابع سريع. هذا الإنجاز ينقل هذه التكنولوجيا من عملية بطيئة خطوة بخطوة إلى تدفق عالي السرعة للبيانات، مما يقرب أداء الحواسيب القائمة على الذرات من السرعات المطلوبة للتطبيقات الواقعية.

أجريت التجربة باستخدام نوع محدد من الذرات، وهو الروبيديوم-87، المحتجزة في غرفة مفرغة من الهواء. قام الباحثون بترتيب عشر ذرات من هذا النوع في خط واحد، حيث يتم تثبيت كل منها في حزمة ضوئية دقيقة مركزة تسمى "الملقط الضوئي" (optical tweezer). ولإجراء عملية حسابية، يقوم الفريق أولاً بتبريد الذرات وضبطها على حالة بداية معروفة. ثم يطبقون سلسلة من العمليات، تشبه عملية قلب المفتاح، لتغيير حالة الذرات. وكان التحدي الحرج دائماً هو الخطوة النهائية: قراءة النتيجة. في الأنظمة القديمة، كانت عملية القراءة هذه تتضمن تسليط الضوء على الذرات لجعلها تتوهج. وبينما يكشف هذا التوهج عن الحالة، فإن الضوء يدفع الذرات أيضاً، مما يؤدي غالباً إلى هروبها من أفخاخها. وإذا فُقدت ذرة واحدة، يجب إيقاف التسلسل بأكمله، ويجب على النظام البدء من البداية، مما يضيع وقتاً ثميناً.

ولحل هذه المشكلة، بنى الباحثون نوعاً جديداً من الواجهات باستخدام شريحة متخصصة مصنوعة من الزجاج. تعمل هذه الشريحة مثل مجموعة من الأنفاق الصغيرة غير المرئية التي تجمع الضوء المنبعث من كل ذرة وتوجهه مباشرة إلى كاشف. ولأن الضوء يُجمع بكفاءة عالية، تمكن الفريق من تحديد حالة الذرة عبر اكتشاف عدد قليل جداً من الفوتونات. هذا النهج اللطيف يعني أن الذرات تظل باردة وتبقى محتجزة في مكانها. وقد اختبر الفريق ذلك من خلال تشغيل تسلسل من مائة عملية متطابقة على نفس الذرات العشر دون إعادة تحميلها أبداً. ووجدوا أنه بعد مائة دورة، كانت الذرات لا تزال موجودة باحتمالية تبلغ 99.7%. تعني نسبة البقاء العالية هذه أن النظام يمكنه الاستمرار في العمل دون الفترات الطويلة المطلوبة لإعادة تحميل الذرات.

كانت النتيجة زيادة هائلة في السرعة؛ فقد حقق الفريق معدل مائة وواحد دورة حسابية في الثانية، وهو رقم يُعرف بمعدل تكرار الدائرة الكمية. وحتى بعد احتساب الحالات النادرة التي فُقدت فيها ذرة واضطُر فيها لاستبعاد البيانات، ظل المعدل الفعلي عند 74.8 دورة في الثانية. ولوضع ذلك في السياق، كانت الأنظمة السابقة التي تستخدم ذرات مماثلة محدودة بأقل من عشر دورات في الثانية. كما تحقق الباحثون من أن المعلومات التي تم جمعها من هذه الدورات المتكررة كانت متسقة وموثوقة. ومن خلال دمج البيانات من جميع الدورات المائة، تمكنوا من قياس سلوك الذرات بدقة أكبر بكثير مما قد يكون ممكناً من دورة واحدة.

سمحت هذه القدرة عالية السرعة للفريق بإجراء اختبار قياسي لجودة الحاسوب، المعروف باسم "التحقق من العشوائية" (randomized benchmarking)، في غضض 13 دقيقة فقط. في الماضي، كان إجراء هذا الاختبار نفسه على مصفوفة مكونة من عشر ذرات سيستغرق عدة ساعات بسبب عملية إعادة التحميل البطيئة. وأظهرت التجربة أن الذرات حافظت على مستوى عالٍ من الدقة، حيث كانت العمليات صحيحة بنسبة تزيد عن 99% من الوقت. كما أظهر الباحثون أن طريقتهم يمكن تحسينها للحصول على المعلومات الأكثر فائدة في أقصر وقت ممكن. فمن خلال موازنة سرعة عملية القراءة مع الحاجة للحفاظ على سلامة الذرات، وجدوا "نقطة مثالية" حيث يمكن للنظام جمع المعلومات بسرعة تزيد عن عشر مرات عن الطرق التقليدية، حتى لو كانت تلك الطرق مثالية في كل جانب آخر.

يعتمد نجاح هذه التجربة على تصميم ذكي يسمه المؤلفون بـ "هندسة البركان" (volcano architecture)، والتي تشير إلى الطريقة التي يتم بها تشكيل مسارات الضوء على الشريحة لرسم خرائط الذرات المتراصة بدقة لتصل إلى الكواشف. يسمح هذا الإعداد بقراءة كل ذرة بشكل فردي ومتزامن. ويعتقد الباحثون أنه مع المزيد من التحسينات، مثل تحسين جمع الضوء وتقنيات التبريد الأسرع، يمكن أن تصل هذه السرعة في النهاية إلى آلاف الدورات في الثانية. وهذا من شأنه أن يفتح الباب أمام حسابات أكثر تعقيداً والقدرة على تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي، وهو أمر ضروري لبناء حواسيب كمية واسعة النطاق. إن هذا العمل يثبت أننا من خلال تغيير طريقة قراءتنا للذرات، بدلاً من مجرد محاولة تحسين الذرات نفسها، يمكننا فتح مستوى جديد من الأداء لهذه التكنولوجيا.