An ultracompact dilution refrigerator for fast quantum device characterization

إن السعي لبناء حاسوب كمي هو سباق ضد الزمن، لكنه ليس من النوع الذي يُقاس بالثواني أو الدقائق؛ بل يُقاس بالساعات والأيام التي يستغرقها تبريد الآلة إلى أبرد درجات الحرارة التي يمكن تخيلها. فمن أجل جعل الدوائر الدقيقة للحاسوب الكمي تعمل، يجب تبريدها إلى درجة حرارة تقل بجزء ضئيل من الدرجة عن الصفر المطلق، وهي حالة يتوقف فيها الاضطراب الفوضوي للذرات تقريبًا. وعادة ما يتم تحقيق هذا البرد الشديد باستخدام آلة متخصصة تسمى "ثلاجة التخفيف"، والتي تعمل مثل صندوق ثلج فائق القوة. وعلى مدار العقد الماضي، كانت هذه الآلات هي العمود الفقري لأبحاث الكم، حيث سمحت للعلماء بمعرفة المدة التي يمكن أن تحتفظ فيها بتاتها الكمية، أو "الكيوبتات"، بمعلوماتها قبل أن تتلاشى. ومع ذلك، فإن الآلات التقليدية ضخمة وثقيلة وبطيئة للغاية في الاستخدام؛ فبمجرد أن ينتهي العالم من اختبار تصميم جديد، يتعين عليه الانتظار يوماً كاملاً أو أكثر حتى تسخن الآلة، ويستبدل العينة، ثم تبرد مرة أخرى. وتخلق هذه الدورة البطيئة عنق زجاجة، مما يجبر الباحثين على الانتظار لأسابيع أو أشهر لاختبار فكرة جديدة واحدة، مما يبطئ وتيرة الاكتشاف بشكل كبير.

وقد نجح فريق من الباحثين في فرنسا وألمانيا الآن في بناء حل يحطم عنق الزجاجة هذا. فقد صنعوا ثلاجة تخفيف صغيرة جدًا بحيث لا يزن وزنها سوى ثلاثة كيلوغرامات، أي ما يعادل كتلة حاسوب محمول كبير تقريبًا، وتتسع داخل أسطوانة عرضها عشرة سنتيمترات فقط. ورغم صغر حجمها، يمكن لهذه الآلة فائقة الصغر تبريد عينة إلى درجة حرارة أساسية تبلغ سبعين ميلي كلفن، وهو مستوى بارد بما يكفي لتشغيل الأجهزة الكمية فائقة التوصيل. والأهم من ذلك، أنها تفعل ذلك بسرعة غير مسبوقة؛ فعندما تكون فارغة، يمكن للآلة إكمال دورة كاملة من التبريد، والتدفئة، والعودة إلى درجة حرارة الغرفة في ساعة واحدة واثني عشر دقيقة فقط. وحتى عندما تكون محملة بالأسلاك المعقدة اللازمة لقياس شريحة كمية، فإن العملية برمتها تستغرق ساعتين وست دقائق فقط. ويمثل هذا انخفاضًا بمقدار عشرين ضعفًا في الوقت مقارنة بالأنظمة التقليدية التي تهيمن على هذا المجال اليوم.

لم يكتفِ الباحثون ببناء آلة أسرع فحسب، بل أثبتوا أيضًا أن هذه السرعة لا تأتي على حساب الأداء. ولتجربة اختراعهم، قاموا بتثبيت شريحة تحتوي على كيوبتين فائقين التوصيل، وهما نوع من البتات الكمية يُعرف باسم "فلوكسونيوم" (fluxonium)، وهو نوع حساس للغاية للحرارة والضوضاء الكهربائية. وفي المختبر القياسي، يتم اختبار مثل هذه الشريحة في ثلاجة ضخمة تزن عدة أطنان، ولكن هنا، وضع الفريق الشريحة مباشرة في جهازهم الصغير. وقد تمكنوا من رسم خريطة كاملة لهيكل الطاقة للكيوبتات، وقياس المدة التي يمكنها خلالها تخزين المعلومات، واختبار مدى دقة التحكم فيها. وكانت النتائج مذهلة؛ فقد حقق الفريق دقة بوابة أحادية الكيوبت تصل إلى تسعة وتسعين بالمائة، وهو مقياس لمدى دقة تنفيذ عملية كمية. وهذا المستوى من الدقة يقترب من الحد المادي الممكن عند درجة حرارة تشغيل آلتهم، مما يثبت أن التصميم المدمج لم يتسبب في أي أخطاء خفية أو ضوضاء قد تفسد التجربة.

يعتمد نجاح هذه التجربة على إعادة تصميم ذكية للهيكل الداخلي للآلة. فبدلاً من التخطيط التقليدي حيث يكون الجزء الأكثر برودة في الأسفل، قام الباحثون بعكس الهندسة، بوضع المرحلة الأكثر برودة، المعروفة باسم "غرفة الخلط"، في الأعلى تمامًا. يمنح هذا التصميم العلماء وصولاً مباشرًا إلى الجزء الأكثر برودة في الآلة دون الحاجة إلى الوصول عميقًا داخل أنبوب ضيق ومعزول، مما يسهل عملية تركيب العينة وتغيير المكونات، وهو أمر بالغ الأهمية للاختبار السريع. وتستخدم الآلة خليطًا من نظيرين من الهيليوم، وهو غاز يتحول إلى سائل عند درجات حرارة منخفضة للغاية، لخلق تأثير التبريد. ومن خلال تقليل كمية المواد داخل الآلة وتبسيط تدفق غاز التبريد هذا، ضمن الفريق قدرة النظام على التخلص من الحرارة بشكل أسرع بكثير من نظائره الأكبر حجمًا. كما أن الجهاز بأكمله خفيف الوزن وصغير الحجم لدرجة أنه يمكن وضعه داخل فتحات الوصول الضيقة للمغناطيسات عالية القدرة أو استخدامه جنبًا إلى جنب مع تجارب أخرى دون الحاجة إلى أساس ثقيل مخصص.

وبينما تعد الآلة أعجوبة من حيث السرعة والحجم، فقد كان الباحثون حذرين في كونهم صادقين بشأن قيودها؛ فقوة التبريد التي تولدها أصغر بنحو عشر مرات من تلك التي توفرها الثلاجة القياسية الكبيرة، ودرجة حرارتها الأساسية أدفأ قليلاً. وهذا يعني أنه بالنسبة للتجارب التي تتطلب درجات الحرارة الأكثر برودة على الإطلاق أو أطول فترات ممكنة لتخزين المعلومات الكمية، تظل الآلات الكبيرة التقليدية هي المتفوقة. ومع ذلك، لا يهدف الجهاز الجديد إلى استبدال تلك العمالقة، بل يوفر مسارًا عمليًا للفحص عالي الإنتاجية. ففي تطوير الأجهزة الكمية، يحتاج المهندسون غالبًا إلى اختبار عشرات التصاميم المختلفة قليلاً لمعرفة أي منها يعمل بشكل أفضل. ومع استخدام آلة تقليدية، قد يستغرق اختبار تصميم واحد أسبوعًا، مما يجعل من المستحيل التكرار بسرعة. أما مع هذا الجهاز الجديد، فيمكن للباحث اختبار تصميم جديد، وتحليل النتائج، والبدء في اختبار التصميم التالي في غضون ساعات قليلة. وتسمح حلقة التغذية الراجعة السريعة هذه بتحسين أسرع للمواد وتصاميم الدوائر، مما يسرع عملية الهندسة بأكملها.

كما أثبت الفريق أيضًا أن الآلة يمكنها التعامل مع الإشارات الكهربائية المعقدة المطلوبة للتواصل مع الشريحة الكمية؛ حيث قاموا بتوجيه إشارات الميكروويف عبر كابلات محورية تم تثبيتها عند مراحل درجات حرارة مختلفة لضمان بقاء الإشارات نظيفة وخالية من الضوضاء. وبالرغم من المساحة الضيقة التي حدت من عدد المرشحات (الفلاتر) التي يمكنهم تركيبها، ظلت ضوضاء النظام منخفضة بما يكفي لقراءة حالة الكيوبتات بدقة عالية. وأظهرت القياسات أن الكيوبتات تصرفت تمامًا كما توقعت النظرية، حيث اقتصر أداؤها فقط على درجة حرارة البيئة وليس على جودة الآلة نفسها. وهذا يؤكد أن التصميم المدمج لا يقلل من جودة البيانات، وهو اكتشاف حاسم يؤكد صحة هذا النهج للاستخدام المستقبلي.

وبالنظر إلى المستقبل، يرى الباحثون مسارًا واضحًا لمزيد من التحسينات؛ حيث أشاروا إلى إمكانية خفض درجة الحرارة الأساسية وتعزيز الحماية من الضوضاء في النسخ المستقبلية، مما سيدفع بالأداء ليقترب أكثر من مستويات الأنظمة الأكبر. كما أشاروا إلى أن الآلة غير مكلفة في التشغيل وصغيرة بما يكفي لنشر وحدات متعددة منها في وقت واحد. وهذا يفتح الباب أمام نوع جديد من سير العمل حيث تعمل العديد من الآلات الصغيرة بالتوازي، كل منها يختبر جهازًا كميًا مختلفًا، بدلاً من الاعتماد على آلة واحدة ضخمة يجب على الجميع انتظارها لاستخدامها. وبعيدًا عن المختبر، فإن بساطة النظام وانخفاض تكلفته تجعلانه أداة مثالية للتعليم، مما يسم يسمح للطلاب باكتساب خبرة عملية في التكنولوجيا الكمية فائقة التوصيل دون الحاجة إلى الوصول إلى مرافق تبلغ قيمتها ملايين الدولارات. ومن خلال تحويل عملية كانت تستغرق أيامًا إلى عملية تستغرق ساعات، توفر هذه الثلاجة فائقة الصغر مسارًا عمليًا لتسريع تطوير الحواسيب الكمية في المستقبل.