🔬 mesoscale physics

Engineering multi-photon dissipation with a dc-voltage-biased Josephson junction

تُظهر هذه الورقة أن جهاز SQUID المنحاز بجهد مستمر يمكنه هندسة التبديد متعدد الفوتونات (تحويل فوتون واحد أو اثنين أو أربعة إلى فوتون واحد مفقود) مع كبح اللاخطيات الطفيلية، مما يوفر مساراً قابلاً للتطبيق لتثبيت الكيوبتات القطية وهندسة المستودع.

المؤلفون الأصليون: Marco Paradina, Ambroise Peugeot, Roberto Negrin, Oscar Novat, Tristan Villain, Anil Murani, Jean-Loup Ville, Sébastien Jezouin, Raphaël Lescanne, Audrey Bienfait, Benjamin Huard

نُشر 2026-09-01

📖 4 دقيقة قراءة☕ قراءة في استراحة قهوة

CC BY 4.0

المؤلفون الأصليون: Marco Paradina, Ambroise Peugeot, Roberto Negrin, Oscar Novat, Tristan Villain, Anil Murani, Jean-Loup Ville, Sébastien Jezouin, Raphaël Lescanne, Audrey Bienfait, Benjamin Huard

البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل

في عالم الحوسبة الكمومية الهادئ، حيث تعمل الآلات عند الحافة القصوى للواقع، غالبًا ما يكون العدو الأكبر هو البيئة نفسها. فالبتات الكمومية، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات في هذه الآلات، هشة للغاية؛ إذ يؤدي أدنى تلامس مع العالم الخارجي إلى فقدانها لمعلوماتها، وهي عملية تُعرف باسم "فقدان الترابط" (decoherence). لعقود من الزمن، حاول العلماء عزل هذه البتات تمامًا، وبنوا دروعًا لمنع الضوضاء من الدخول. ومع ذلك، ظهرت فكرة أحدث وأكثر إثارة للدهشة: بدلاً من محاربة البيئة، يمكن للمرء أن يتعلم كيفية استخدامها. ومن خلال التصميم الدقيق لكيفية تفاعل النظام الكمومي مع محيطه، يمكن للباحثين تحويل الفقد الحتمي للطاقة إلى أداة. هذه التقنية، التي تسمى "هندسة الخزان الكمومي"، تسمح للعلماء بتوجيه النظام نحو حالة محددة ومستقرة، مما يستخدم البيئة فعليًا لتنظيف الأخطاء وحماية المعلومات.

لقد كان التحدي يكمماً في إيجاد طريقة للقيام بذلك دون التسبب في مشكلات جديدة. في الدوائر فائقة التوصيل، والتي تعد منصة رائدة لبناء الحواسيب الكمومية، استخدم العلماء تقليديًا طريقة تتضمن نبضات طاقة إيقاعية سريعة لإنشاء هذه الحالات الواقية. ورغم فعاليتها، إلا أن هذا النهج يتسم بالفوضوية؛ فالنبضات ذاتها المستخدمة لإنشاء التأثير المطلوب تولد أيضًا آثارًا جانبية غير مرغوب فيها، مثل تحولات طفيفة وغير متوقعة في سلوك النظام تصبح أسوأ كلما زادت قوة النبضات. هذه الآثار الجانبية تحد من مدى إمكانية التحكم في النظام، وتعمل كسقف للأداء. وظل السؤال قائمًا: هل يمكن أن تكون هناك طريقة أنظف لهندسة هذا التبديد، بطريقة تتجنب هذه الآثار الجانبية الطفيلية تمامًا؟

لقد أظهر فريق من الباحثين في فرنسا وفي شركة "Alice & Bob" الآن حلاً لهذه المعضلة. فقد بنوا دائرة تستخدم جهدًا كهربائيًا ثابتًا ومستمرًا للتحكم في تدفق الطاقة، بدلاً من النبضات السريعة المعتادة. يتكون جهازهم من جزأين رئيسيين: رنان تخزين عالي الجودة، يعمل كذاكرة للمعلومات الكمومية، ورنان فاقد، يعمل كمصرف. ويرتبط هذان الرنانان ببعضهما عبر مكون إلكتروني صغير يسمى "SQUID"، والذي يعمل كصمام يمكن التحكم فيه لطاقة الكم. ومن خلال تطبيق جهد تيار مباشر عبر الـ "SQUID"، خلق الباحثون مسارًا جديدًا لتدفق الطاقة.

تعتمد هذه الآلية على خاصية أساسية للموصلات الفائقة حيث تعبر أزواج من الإلكترونات، تُعرف باسم "أزواج كوبر"، الوصلة. وعند تطبيق جهد كهربائي، تكتسب هذه الأزواج أو تفقد مقدارًا دقيقًا من الطاقة. قام الباحثون بضبط هذا الجهد بحيث تطابق الطاقة التي يكتسبها الزوج العابر تمامًا الطاقة المطلوبة لتحويل فوتونين (جسيمين من الضوء) من رنان الذاكرة إلى فوتون واحد في المصرف الفاقد. هذه العملية دقيقة للغاية؛ ولأن توازن الطاقة يتم ضبطه بواسطة الجهد نفسه، فإن النظام يقوم طبيعيًا بتصفية التفاعلات الفوضوية وغير المرغوب فيها التي تعيب الطرق النبضية. وقد أظهر الباحثون أن هذا الإعداد لا يمكنه فقط إزالة فوتونين في كل مرة، بل يمكن أيضًا ضبطه لإزالة فوتون واحد، أو أربعة، أو حتى أكثر في خطوة واحدة، كل ذلك مع بقاء الآثار الجانبية غير المرغوب فيها منعدمة تقريبًا.

ولإثبات نجاح طريقتهم، ملأ الفريق رنان الذاكرة بحالة كمومية محددة تحتوي على متوسط أربعة فوتونات. ثم قاموا بتشغيل جهد الانحياز وراقبوا ما حدث. في النظام القياسي، تتسرب الفوتونات ببطء وعشوائية، أما في نظامهم الهندسي، فقد اختفت الفوتونات في أزواج بمعدل سريع. وفي غضون حوالي 50 نانو ثانية، انهارت الحالة المعقدة إلى حالة بسيطة تحتوي على صفر أو فوتون واحد فقط. هذا الإزالة السريعة والمستهدفة لأزواج الطاقة هي بالضبط ما يلزم لتثبيت نوع خاص من البتات الكمومية يُعرف باسم "بت القطة" (cat qubit)، وهو مصمم ليكون محصنًا ضد أنواع معينة من الأخطاء.

كما قاس الباحثون مدى قدرة نظامهم على تجنب الآثار الجانبية غير المرغوب فيها التي تصاحب عادةً مثل هذه التفاعلات القوية. ووجدوا أن التردد الطبيعي للذاكرة ظل مستقرًا ولم ينزح بشكل غير متوقع، وهي علامة على أن المصطلحات الطفيلية قد تلاشت بالفعل إلى الصفر. كما أكدوا أن النظام يمكنه التعامل مع تحويل أربعة فوتونات من الذاكرة إلى فوتون واحد في المصرف، وهي عملية من الدرجة العالية يصعب عزلها باستخدام الطرق النبضية التقليدية. وبينما أظهر النظام بعض الخسائر الطفيفة الناتجة عن عيوب في الأسلاك والترشيح، فقد حسب الفريق أنه يمكن تقليل هذه الخسائر بشكل كبير من خلال هندسة أفضل.

يوفر هذا العمل مسارًا واضحًا للمضي قدمًا في بناء حواسيب كمومية أكثر قوة. فمن خلال استبدال النبضات المعقدة والضوضائية بنبضات جهد بسيطة ومستمرة، أظهر الباحثون أنه من الممكن إنشاء قناة نظيفة وفعالة لإزالة الأخطاء. إن القدرة على هندسة فقدان عدة فوتونات في وقت واحد دون الأعباء المعتادة من الآثار الجانبية تشير إلى طريقة جديدة لحماية المعلومات الكمومية. ويخلص الباحثون إلى أنه مع تحسينات طفيفة في عمليات الترشيح، يمكن أن يصبح هذا النهج أداة قياسية لتثبيت الجيل القادم من البتات الكمومية، مما يحول التفاعل الحتمي مع البيئة من مصدر للخطأ إلى مورد قوي للتحكم.

ملخص تقني: هندسة التبديد متعدد الفوتونات باستخدام وصلة جوزيفسون منحازة بجهد مستمر (dc)

بيان المشكلة
تستخدم هندسة الخزان الكمي التبديد لتوجيه الأنظمة الكمية المفتوحة نحو حالات مرغوبة، وهو مورد حيوي لاستقرار الكيوبتات البوزونية (مثل كيوبتات القط "cat qubits") وإجراء تصحيح الخطأ الكمي الذاتي. تستخدم النهج القياسية مضخات بارامترية لوصلات جوزيفسون لعزل مصطلحات تفاعل محددة متعددة الفوتونات (مثل $\hat{a}^n \hat{b}^\dagger + \text{h.c.}$ ). ومع ذلك، تعاني هذه التصميمات من مصطلحات غير خطية طفيلية لا مفر منها ناتجة عن هاميلتوني جوزيفسون، مثل تأثيرات "كير الذاتية" (self-Kerr) و"كير المتصالبة" (cross-Kerr). ومن الصعب كبح هذه المصطلحات تماماً بسبب المحاثات الضالة وعدم اليقين في التصنيع، خاصة عند قدرات الضخ العالية، مما يحد من دقة استقرار الحالة. علاوة على ذلك، يمكن للضخ البارامتري أن يثير أنماطاً أعلى زائفة عبر التوافقات. يعالج هذا البحث الحاجة إلى آلية اقتران تتلاشى فيها هذه المصطلحات الطفيلية عن طريق التصميم بدلاً من مجرد التخفيف منها.

المنهجية
يقترح المؤلفون ويبرهنون تجريبياً على دائرة تتكون من رنان ذاكرة عالي الجودة (النمط $a$ ) مقترن برنان مخزن (buffer) فاقد للجودة (النمط $b$ ) عبر جهاز تداخل سوبر-موصل (SQUID) منحاز بجهد مستمر (dc).

الآلية: على عكس الضخ البارامتري الذي يستخدم فوتونات دفع ميكروويف، يستخدم هذا النظام الطاقة $2eV$ التي يكتسبها أو يفقدها أزواج كوبر عند عبور الوصلة المنحازة بجهد $V$ . من خلال ضبط $2eV = n\hbar\omega_a - \hbar\omega_b$ ، يتيح النظام تحويل $n$ من فوتونات الذاكرة إلى فوتون واحد في المخزن (والعكس بالعكس).
تخفيف المصطلحات الطفيلية: يعمل الانحياز بجهد مستمر (dc) عند تردد جوزيفسون $\omega_J = 2e\bar{V}/\hbar$ على "تزيين" (dressing) جميع المصطلحات الزائفة (self-Kerr، cross-Kerr، وتغيرات التردد الناتجة عن الانحياز). في تقريب الموجة الدوارة (RWA)، تدور هذه المصطلحات عند التردد $\omega_J$ وتتلاشى لتصل إلى الصفر في الدرجة الأولى، على عكس الوصلات المضمخة التي تظل ثابتة.
الإعداد التجريبي: تتكون الأداة من رنانات مسارات موجية مستوية (CPW) متصلة غلفانياً بـ SQUID على ركيزة من الياقوت مع طبقة من التانتالوم. يعمل مرشح ذو ممانعة متدرجة على عزل الذاكرة عن خط الانحياز مع ضمان معدل اقتران عالٍ للمخزن ( $\kappa_b/2\pi \approx 85$ MHz). تم استخدام كيوبت ترانزمون (transmon) مقترن تشتتياً بالذاكرة لإجراء التصوير المقطعي للحالة الكمية (دوال ويغنر).
إدارة الضجيج: يعالج المؤلفون ضجيج الجهد، الذي قد يؤدي إلى تشتيت شرط مطابقة الطاقة. وقد أظهروا أن الترشيح المناسب يقلل ضجيج الجهد إلى مستويات تظل فيها عرض خط تردد جوزيفسون ( $\sigma_J$ ) أقل بكثير من معدل اضمحلال المخزن ( $\kappa_b$ )، مما يحافظ على التبديد المهندس.

المساهمات والنتائج الرئيسية

تنشيط التبادل متعدد الفوتونات: نجح الفريق في إظهار تحويل 1 و2 و4 من فوتونات الذاكرة إلى فوتون واحد في المخزن عن طريق ضبط جهد الانحياز المستمر.
- تبادل 1-إلى-1: تم توصيفه عبر انعكاسية المخزن، مما أظهر تهجيناً للأنماط بمعدل تبادل $g_1/2\pi \approx 4.8$ MHz عند الاقتران الحرج.
- تبادلات 2-إلى-1 و4-إلى-1: تم تأكيدها من خلال مراقبة ميزات الامتصاص في طيف المخزن التي تتبع شروط مطابقة الطاقة $\hbar\omega + 2eV = n\hbar\omega_a$ . تسلط عملية 4-إلى-1 الضوء على القدرة على الوصول إلى عمليات عالية الرتبة يصعب عزلها باستخدام الوصلات المضمخة.
توصيف التبديد ثنائي الفوتونات: باستخدام تجربة "التفريغ" (deflate)، قام المؤلفون بإعداد الذاكرة في حالة مترابطة وراقبوا اضمحلالها تحت شرط تبادل 2-إلى-1 ( $2eV = 2\hbar\omega_a - \hbar\omega_b$ $2 e V = 2ℏ ω_{a} - ℏ ω_{b}$ ).
- انهارت الحالة المترابطة بسرعة (خلال ~50 نانو ثانية) نحو الفضاء الذي تشغله الحالات $|0\rangle$ و $|1\rangle$ ، متبوعة باسترخاء أبطأ نحو الفراغ.
- أدى ملاءمة اضمحلال متوسط عدد الفوتونات إلى استخراج معدل فقد ثنائي الفوتونات فعال $\kappa_2/2\pi = 0.51$ MHz، وهو ما يتوافق مع التنبؤ النظري $\kappa_2 = 4g_2^2/\kappa_b$ في نظام الاستبعاد الأديباتي.
- تم استخراج أقصى معدل اقتران ثنائي الفوتونات كـ $g_2^{\text{max}}/2\pi = 18.5 \pm 0.5$ MHz.
تخفيف اللاخطيات:
- كير الذاتية (Self-Kerr): تم قياس معدل كير الذاتي للذاكرة ليكون محدوداً بـ $K/2\pi < 3$ kHz عند طاقة جوزيفسون صفرية، ولم يزد بشكل ملحوظ مع زيادة $E_J$ ، مما يؤكد تخفيف هذا المصطلح الطفيلي.
- الخسائر الطفيلية: حدد المؤلفون أنه عند قيم $E_J$ الكبيرة، يقتصر عمر الذاكرة على عمليات تبادل فوتون واحد طفيلية مع الأنماط الزائفة في خط الانحياز (تحديداً نمط موجة مستقرة عند ~227 MHz). ويعزون زيادة الخسارة الملاحظة التي تتبع $E_J^2$ إلى هذه العمليات، ويقترحون أن إضافة فترات ترشيح إضافية يمكن أن يخفف ذلك بعدة مراتب.
- إلغاء التماسك (Dephasing): لوحظ معدل إلغاء تماسك يعتمد على انحياز الجهد، ويُعزى ذلك إلى إزاحة Stark المترددة الناتجة عن الأنماط البيئية التي يحركها الـ SQUID المنحاز. يتناسب هذا الإلغاء مع $E_J$ وضجيج الجهد.

الأهمية والادعاءات
يدعي البحث تقديم مسار قابل للتطبيق لهندسة الخزان التي تخفف بطبيعتها من المصطلحات غير الخطية الطفيلية (self-Kerr, cross-Kerr) من خلال المتوسط الديناميكي الذي يوفره انحياز الجهد المستمر. يوفر هذا النهج مزايا عملية، بما في ذلك غياب توافقات الضخ وسهولة التوسع مقارنة بدفعات الميكروويف.
يخلص المؤلفون إلى أنه بينما يتطلب الأمر تحسينات طفيفة في ترشيح الترددات الراديوية للحد من الرنينات الزائفة التي تحد من التماسك عند معدلات التبادل العالية، فإن وصلات جوزيفسون المنحازة بجهد مستمر تعد مورداً قوياً لهندسة تبديد متعدد الفوتونات نقي. تُقدم هذه القدرة كمسار مباشر لاستقرار كيوبتات القط وتنفيذ مخططات تصحيح الخطأ الكمي التي تعتمد على عمليات بارامترية عالية الرتبة، مثل كيوبتات القط ذات الأرجل الأربعة، دون اللاخطيات الضارة التي تعاني منها الأنظمة المضمخة بارامترياً.

أبحاث مشابهة