A Cavity-Interfaced Register of Trapped-Ion Qubits with Multi-Second Coherence

يعتمد حلم الإنترنت الكمي على فرضية بسيطة ولكنها صعبة: ربط أجهزة كمبيوتر بعيدة تتحدث لغة ميكانيكا الكم. لبناء مثل هذه الشبكة، يحتاج العلماء إلى عقد (nodes)—وهي محطات صغيرة ومعزولة—يمكنها تخزين المعلومات الكمية الهشة لأطول فترة ممكنة لإرسال رسالة بينها. يجب أن تكون هذه العقد قادرة على التقاط فوتون، وهو جسيم واحد من الضوء، والتمسك بالاتصال الذي يحمله دون أن تتلاشى المعلومات. التحدي يكمن في أن الحالات الكمية غير مستقرة بطبيعتها؛ إذ تميل إلى الانهيار أو فقدان خصائصها الخاصة فور تعرضها لأي اضطراب من بيئتها. ولكي تعمل الشبكة، يجب أن تستمر الذاكرة داخل هذه العقد لفترة أطول من الوقت اللازم لإنشاء الاتصال التالي. فإذا تلاشت الذاكرة قبل إتمام الرابط التالي، فلن تتمكن الشبكة من النمو.

لقد قطع باحثون في جامعة إنسبلوك خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار نوع جديد من الذاكرة الكمية يمكنه الاحتفاظ بالمعلومات لعدة ثوانٍ. استخدموا سلسلة من خمس أيونات كالسيوم، وهي ذرات منفردة محتجزة في فراغ بواسطة مجالات كهربائية، ووضعوها داخل تجويف بصري متخصص مصمم لالتقاط الضوء وتوجيهه. في هذا الإعداد، يعمل أحد الأيونات كمتواصل، حيث يولد فوتونًا يحمل قطعة من المعلومات الكمية، بينما تعمل الأيونات الأربعة الأخرى كبنك ذاكرة، تخزن التشابك الناتج عن ذلك الأيون المتشارك بدلاً من استقبال معلومات من الخارج. أثبت الفريق قدرتهم على الحفاظ على الحالة الكمية لأيونات الذاكرة هذه لمدة تصل إلى خمس ثوانٍ، وهي مدة تزيد بعدة مراتب عن الممكن في الأنظمة المماثلة القائمة على التجويف. ويثبت هذا الإنجاز أنه من الممكن الجمع بين الكفاءة العالية للتفاعل بين الضوء والمادة وبين الاستقرار طويل الأمد المطلوب لشبكة كمية واقعية.

بدأت التجربة بتبريد أيونات الكالسيوم الخمسة إلى ما يقرب من الصفر المطلق وحجزها في خط مستقيم. ثم استخدم الباحثون ليزرًا لتجهيز الأيونات في حالة كمية محددة. ولحماية هذه الحالات من الضوضاء الطبيعية للبيئة، مثل التقلبات الطفيفة في المجالات المغناطيسية، طبقوا تقنية تسمى "إلغاء التماسك الديناميكي" (dynamical decoupling). يتضمن ذلك إطلاق سلسلة سريعة من نبضات التردد الراديوي على الأيونات، مما يؤدي فعليًا إلى قلب حالاتها الكمية ذهابًا وإيابًا بطريقة تلغي الاضطرابات الخارجية. ومن خلال القيام بذلك، نجح الفريق في إطالة عمر المعلومات الكمية المخزنة في الأيونات. وفي الاختبارات التي لم يتم فيها توليد ضوء، احتفظ أيون واحد بحالته بدقة عالية لمدة خمس ثوانٍ. وعندما اختبر الفريق جميع الأيونات الخمسة معًا، وجدوا أن كل منها كان يعمل بنفس كفاءة الأيون المنفرد، محافظًا على المعلومات الكمية طوال تلك المدة. وقد أكد هذا أن الطريقة تعمل مع "السجل" (register)، أو مجموعة صغيرة من الكيوبتات، وليس فقط مع كيوبت واحد.

كانت الخطوة التالية هي اختبار ما إذا كانت هذه الذاكرة ستصمد أثناء عملية إنشاء اتصال فعلي. قام الباحثون ببرمجة أحد الأيونات الخمسة لتوليد فوتون من شأنه أن يحمل رابطًا كميًا إلى موقع بعيد. تتضمن هذه العملية تسليط ليزر على الأيون لجعله يبعث فوتونًا داخل التجويف. أراد الفريق معرفة ما إذا كان فعل توليد هذا الفوتون، والليزر المطلوب للقيام بذلك، سيؤدي إلى إتلاف المعلومات الكمية المخزنة في الأيونات الأربعة الأخرى. كرروا محاولة توليد الفوتون آلاف المرات مع مراقبة سلامة أيونات الذاكرة. ووجدوا أن الذاكرة ظلت قوية، محتفظة بحالتها الكمية حتى بعد آلاف المحاولات. العامل الوحيد الذي تسبب في تدهور الذاكرة كان نوعًا معينًا من التداخل الليزري، المعروف باسم "التداخل المتبادل" (crosstalk)، حيث يصطدم قدر ضئيل من ضوء الليزر المخصص للأيون المتواصل بالأيونات الذاكرة عن طريق الخطأ. ومن خلال نمذجة هذا التأثير، أظهر الباحثون أن التدهور كان متوقعًا ويمكن إدارته، وليس خللًا جوهريًا في النظام.

ولعل النتيجة الأكثر إثارة للإعجاب كانت القدرة على تخزين اتصال بين أيون وفوتون لفترة طويلة. قام الفريق بتوليد زوج متشابك، حيث ترتبط حالة الأيون بحالة الفوتون، ثم خزنوا جزء الأيون من هذا الزوج في الذاكرة. انتظروا ثانيتين قبل قياس الأيون مرة أخرى. وحتى بعد هذا التأخير الطويل، ظل الرابط بين الأيون والفوتون قويًا، مما يثبت أن الذاكرة نجحت في الحفاظ على التشابك. يعد هذا علامة فارقة لأنها تظهر أن النظام يمكنه التمسك باتصال لفترة كافية لإجراء عمليات شبكية معقدة، مثل انتظار إشارة من عقدة بعيدة أو إجراء حسابات قبل إرسال الرسالة التالية. وحسب الباحثون أنه مع تحسينات متواضعة، مثل تحسين تركيز الليزر والتبريد الدوري للأيونات، يمكن لنظامهم إنشاء اتصالات متعددة بين موقعين بعيدين في آن واحد.

كما حدد العمل الحدود المحددة للإعداد الحالي. فبينما كانت الذاكرة مرنة للغاية، وجد الباحثون أن كفاءة توليد الفوتونات تنخفض قليلاً بمرور الوقت مع ارتفاع درجة حرارة الأيونات بسبب نبضات الليزر. وحددوا أن هذا التسخين يمكن حله بإضافة أيونات إضافية إلى السلسلة للمساعدة في تبريد النظام دون إزعاج الذاكرة. علاوة على على ذلك، أظهروا أن التداخل الليزري المتبادل، الذي كان المصدر الرئيسي للخطأ، يمكن تقليله عن طريق إبعاد أيونات الذاكرة قليلاً عن الأيون المتواصل أو باستخدام عدسات أفضل لتركيز الليزر بشكل أدق. هذه تحديات هندسية وليست عوائق فيزيائية جوهرية، مما يشير إلى أن الطريق نحو المستقبل واضح.

يمثل هذا البحث تحولًا من بناء تجارب الكيوبت الواحد إلى إنشاء وحدات وظيفية صغيرة يمكن ربطها معًا. إن القدرة على تخزين المعلومات الكمية لثوانٍ أثناء محاولة بناء شبكة بنشاط هي شرط مسبق لتوسيع نطاق الحواسيب الكمية. وتشير نتائج الفريق إلى أن شبكة من وحدات (الأيون-التجويف) هذه يمكن أن تدعم في النهاية الإنشاء المتزامن لأزواج متعددة من التشابك بين مواقع بعيدة. وهذا من شأنه أن يسمح بنقل الحالات الكمية المعقدة (teleportation) وتنقيه الاتصالات عبر مسافات طويلة، مما يشكل العمود الفقري لإنترنت كمي مستقبلي. ومن خلال إثبات أن النظام المتكامل مع التجويف يمكنه تحقيق تماسك لعدة ثوانٍ وذاكرة قوية، قدم الباحثون مخططًا ملموسًا لكيفية بناء الشبكات الكمية في العالم الحقيقي.