Dark state as a measurable state by a dispersive readout without a Purcell limit

في العالم المجهري للحوسبة الكمومية، تُخزن المعلومات في حالات هشة يمكن تدميرها بسهولة بأدنى لمسة من البيئة المحيطة. وللقراءة هذه المعلومات، يجب على العلماء ربط هذه الأنظمة الكمومية بالعالم الخارجي، لكن هذا الاتصال نفسه يخلق مفارقة خطيرة؛ فكلما كانت الرابطة المستخدمة لقياس النظام أقوى، فقد النظام طاقته بشكل أسرع وانهار، وهي ظاهرة تُعرف بالاضمحلال. لسنوات، اعتقد الباحثون أنه يتعين عليهم الاختيار بين إشارة واضحة وقوية وبين حالة كمومية طويلة الأمد؛ حيث يمكنك الحصول على أحدهما، ولكن ليس كلاهما. وقد كان هذا المقايضة عائقًا رئيسيًا أمام بناء آلات يمكنها حل المشكلات المعقدة دون أن تتفكك.

وقد وجد فريق من الباحثين في تايوان الآن طريقة لكسر هذه القاعدة. فقد صمموا دائرة إلكترونية متناهية الصغر تحتوي على ذرتين اصطناعيتين فائقتي التوصيل، تعملان كبنات بناء أساسية لحاسوب كمومي. هاتان الذرتان متصلتان بجهاز قياس واحد، لكن الفريق رتبهما في نمط متماثل ومحدد يخلق نوعين متميزين من السلوك. النوع الأول من السلوك، والذي يسمونه الحالة "المضيئة"، يتفاعل بقوة مع جهاز القياس، مما يسمح بقراءتها بسهولة ولكنه يتسبب في فقدان طاقتها بسرعة. أما النوع الآخر، وهو الحالة "المظلمة"، فقد تمت هندستها بحيث لا تتفاعل تقريبًا مع جهاز القياس، مما يخفيها فعليًا عن فقدان الطاقة الذي يدمر المعلومات الكمومية عادةً.

ويكمن الاختراق في كيفية جعل هذه الحالة المخفية مرئية. فرغم أن الحالة المظلمة لا تتواصل مباشرة مع جهاز القياس، إلا أن الباحثين اكتشفوا أنها لا تزال تترك بصمة على النظام من خلال تفاعل دقيق مع شريكها المضيء. ومن خلال قياس الحالة المضيئة، تمكنوا من الكشف بشكل غير مباشر عن وجود الحالة المظلمة بوضضوح يكاد يماثل وضوح حال كونها تتفاعل مباشرة. وفي تجاربهم، استمرت الحالة المظلمة لفترة أطول بمرتين تقريبًا من الحالة المضيئة، مما أثبت أنها محمية من الاضمحلال السريع الذي يحد عادةً من المدة التي يمكن أن تظل فيها البت الكمومية على قيد الحياة. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه الحماية، لا تزال الحالة المظلمة تغير تردد جهاز القياس بطريقة يمكن تمييزها بوضوح عن الحالة الأرضية.

أُجريت التجربة على شريحة مجهرية بُرِّدت إلى درجة حرارة أعلى قليلاً من الصفر المطلق. واستخدم الباحثون نبضات ميكروويف لدفع النظام إلى الحالة المضيئة أو المظلمة. وعندما حاولوا قياس الحالة المظلمة مباشرة عبر الاتصال الرئيسي، ظلت صامتة، مما أكد أنها بالفعل محمية من تسربات الطاقة المعتادة. ومع ذلك، عندما نظروا في كيفية استجابة النظام لمسبار لطيف، وجدوا أن الحالة المظلمة لا تزال تسبب إزاحة قابلة للقياس في تردد الرنان، وكانت هذه الإزاحة مطابقة تقريبًا لتلك الناتجة عن الحالة المضيئة، مما أظهر أن المعلومات كانت موجودة ويمكن قراءتها دون عقوبة الاضمحلال السريع.

يشير هذا الاكتشاف إلى مسار جديد للمستقبل في الحوسبة الكمومية. فمن خلال استخدام هذا "النمط المظلم"، قد يتمكن العلماء من تخزين المعلومات الكمومية لفترات أطول مع القدرة أيضًا على قراءتها عند الحاجة. وقد أظهر الباحثون أنه يمكن تحضير الحالة المظلمة وقياسها بموثوقية عالية، مما يوفر وسيلة للحفاظ على البيانات الكمومية آمنة من البيئة دون جعلها غير مرئية للمراقب. قد يكون هذا النهج مفيدًا بشكل خاص للكشف عن الأخطاء وتصحيحها في الحواسيب الكمومية المستقبلية، حيث يكون الحفاظ على حالة المعلومات لا يقل أهمية عن قراءتها. ويُظهر هذا العمل أنه من خلال الترتيب الدقيق للروابط بين المكونات الكمومية، من الممكن الحصول على أفضل ما في العالمين: حالة طويلة الأمد وقابلة للقياس في آن واحد.