Low-leakage superconducting-qubit measurement with sub-100-ns total duration

في عالم الحوسبة الكمومية، يتكون عقل الآلة من دوائر صغيرة يمكنها الوجود في حالتين في آن واحد، وهي خاصية تسمح لها بحل مشكلات مستحيلة على الحواسيب العادية. ومع ذلك، فإن هذه الدوائر هشة للغاية. لاستخدامها، يجب على العلماء التحقق باستمرار من حالتها، وهي عملية تسمى "القياس"، لضمان عملها بشكل صحيح ولتصحيح أي أخطاء قبل أن تنتشر. يجب أن يكون هذا الفحص سريعًا ودقيقًا للغاية، لأنه في اللحظة التي تُترك فيها الدائرة خاملة أثناء انتظار القياس، تبدأ في فقدان معلوماتها الكمومية الدقيقة. لسنوات، كان هناك عائق رئيسي في بناء هذه الآلات القوية، وهو أن قراءة حالة الدائرة أبطأ وأكثر عرضة للأخطاء من العمليات التي تتحكم بها. فإذا كانت عملية القراءة بطيئة جدًا، تتلاشى المعلومات؛ وإذا كانت قوية جدًا، فإن فعل النظر إلى الدائرة يمكن أن يخرجها تمامًا عن حالتها المنشودة.

لقد أثبت فريق من الباحثين في مركز ريكن (RIKEN) للحوسبة الكمومية في اليابان الآن طريقة لقراءة حالة دائرة فائقة التوصيل بسرعة ونعومة غير مسبوقتين. لقد تمكنوا من إتمام قياس كامل في أقل من مائة نانو ثانية، وهو إطار زمني قصير جدًا يُقاس بأجزاء من المليار من الثانية. والأهم من ذلك، أنهم حققوا ذلك دون إزعاج الدائرة أو التسبب في تسربها إلى حالات طاقة أعلى غير مرغوب فيها من شأنها أن تفسد الحساب. ومن خلال ضبط التفاعل بعناية بين الدائرة ومرشح متخصص، أثبت الفريق أنه من الممكن قراءة المعلومات الكمومية بسرعة ودقة حتى عندما تكون المكونات مضبوطة بالقرب من بعضها البعض في التردد، وهو شرط كان يُعتقد سابقًا أنه محفوف بالمخاطر بالنسبة للعمليات عالية السرعة.

ركز الباحثون على نوع محدد من الدوائر الكمومية يُعرف باسم "ترانسمون" (transmon)، وهو لب بناء قياسي في العديد من المعالجات الكمومية الحديثة. وللقياس حالة هذه الدائرة، استخدموا تقنية تسمى "القراءة التشتتية". تخيل أن الدائرة متصلة بمرنان (resonator)، وهو غرفة صغيرة يمكنها احتواء الموجات الكهرومغناطيسية، تمامًا كما يحمل وتر الجيتار نغمة معينة. عندما تكون الدائرة في حالة واحدة، فإنها تغير نغمة المرنان بشكل طفيف؛ وعندما تكون في الحالة الأخرى، تتغير النغمة بشكل مختلف. ومن خلال إرسال إشارة إلى هذا المرنان والاستماع إلى كيفية ارتدادها، يمكن للعلماء معرفة الحالة التي تكون عليها الدائرة. لقد كان التحدي دائمًا يتمثل في الموازنة بين السرعة والأمان. فمن أجل الحصول على إشارة واضحة بسرعة، يحتاج المرء إلى اتصال قوي بين الدائرة والمرنان، لكن الاتصال القوي يمكن أن يتسبب أيضًا في فقدان الدائرة للطاقة أو القفز إلى الحالة الخاطئة.

في هذا العمل الجديد، قدم الفريق مرنانًا يعمل كمرشح مخصص في الإعداد. يعمل هذا المرشح كحارس بوابة، حيث يسمح لإشارة القياس بالمرور بكفاءة مع حماية الدائرة الرئيسية من الضوضاء غير الضرورية. لقد صمموا النظام بحيث يستجيب المرنان بسرعة كبيرة لإشارة القياس، مما سمح لهم بجمع معلومات كافية لاتخاذ قرار في غضون 58 نانو ثانية فقط. وبمجرد انتهاء نبضة القياس، تتلاشى الطاقة المتبقية في المرنان تلقائيًا في غضون بضع عشرات من النانو ثانية، دون الحاجة إلى أي نبضات نشطة إضافية لتفريغها. هذا التفريغ السريع يعني أن الدائرة يمكنها العودة إلى التشغيل الطبيعي فورًا تقريبًا. وقد حدد الباحثون إجمالي وقت القياس بأنه الفترة من بداية النبضة حتى ينخفض الخطأ الناتج عن القياس إلى عتبة ضئيلة. ووجدوا أن إجمالي الوقت هذا بلغ 97 نانو ثانية.

كما اختبر الفريق بدقة ما إذا كان هذا القياس السريع قد تسبب في "تسرب" الدائرة إلى مستويات طاقة أعلى ليست جزءًا من النظام ثنائي الحالة القياسي. ويعد هذا التسرب مشكلة شائعة عندما تكون القياسات قوية جدًا أو عندما تكون المكونات قريبة جدًا في التردد. وباستخدام تسلسل قياس متخصص وعالي الحساسية، تتبعوا سلوك الدائرة عبر آلاف التجارب المتكررة. ووجدوا أن المعدل الذي تسربت به الدائرة إلى هذه الحالات غير المرغوب فيها كان منخفضًا للغاية، حيث حدث حوالي مرتين فقط بمعدل التسرب الطبيعي للخلفية الذي يحدث حتى بدون أي قياس. وكان معدل التسرب هذا أصغر بمقدار مرتبتين عشريتين من المعدل الذي تسبب فيه القياس في استرخاء الدائرة أو فقدان طاقتها، والذي كان المصدر المهيمن للخطأ.

ولفهم سبب بقاء النظام مستقرًا للغاية رغم العمل في نظام يمكن أن تكون فيه العديد من الرنينات غير المرغوب فيها ممكنة نظريًا، أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة. لقد فحصوا التفاعلات المعقدة بين إشارة القياس ومستويات طاقة الدائرة. وأظهرت عمليات المحاكاة التي أجروها أنه على الرغم من أن نبضة القياس قد مرت عبر عدة نقاط يمكن أن تحدث فيها حالات الرنين، إلا أن الاتصال بين الحالات عند هذه النقاط كان ضعيفًا للغاية. ولأن المرنان يفرغ الطاقة بسرعة كبيرة، فإن النظام يتحرك عبر نقاط المشاكل المحتملة هذه بسرعة كبيرة تمنعه من التعثر أو القفز إلى الحالة الخاطئة. هذا المرور السريع يعني أن الدائرة تعبر هذه الحدود دون أن تتعرض للاضطراب، وهي عملية تُعرف باسم "العبور اللا-أدياباتي" (traversing diabatically).

تؤكد النتائج أنه من الممكن تحقيق قياسات سريعة، عالية الدقة، ومنخفضة التسرب حتى عندما تكون الدائرة والمرنان مضبوطين بالقرب من بعضهما البعض في التردد. وتعد هذه النتيجة مهمة لأنها تزيل قيدًا رئيسيًا على كيفية تصميم المعالجات الكمومية. في السابق، ربما شعر المهندسون بأنهم مضطرون لفصل هذه المكونات بشكل واسع لتجنب الأخطاء، مما قد يعقد التصميم ويقلل الأداء. ومن خلال إظهار أن معدل اضمحلال كبير مقترن بإشارة محسنة بعناية يمكن أن يعمل بفعالية عند فروق تردد صغيرة، يفتح هذا العمل الباب أمام معالجات كمومية أكثر دمجًا وكفاءة. إن القدرة على قراءة حالة البت الكمومي في أقل من 100 نانو ثانية بهذه الدقة العالية تقرب التحقيق العملي للحواسيب الكمومية المصححة للأخطاء خطوة أخرى من الواقع.