Conditional-squeezing gate in superconducting circuits
تقدم هذه الورقة تنفيذاً قائماً على إعادة التركيز لبوابة عصر مشروط في الدوائر فائقة التوصيل، مما يتيح تشفيراً عالي الدقة لحالات الكيوبت التعسفية في تراكبات غير غاوسية وقابلة للكشف عن الأخطاء من حالات الرنين المعصورة، مما يوفر مساراً نحو الأكواد البوزونية ذات التماثل الدوراني.
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 السعي لبناء حاسوب كمي، يواجه العلماء خياراً جوهرياً: كيف يتم تخزين المعلومات. النهج الأكثر شيوعاً يعامل البيانات مثل سلسلة من المفاتيح الصغيرة، كل منها محبوس في أحد وضعين، يمثلان الصفر أو الواحد. هذه الطريقة تعمل بشكل جيد، لكنها تتطلب العديد من المفاتيح الفيزيائية لحماية قطعة واحدة من المعلومات من الأخطاء. أما المسار البديل فينظر إلى الطبيعة المستمرة لموجات الضوء والصوت، حيث يتم تشفير المعلومات في شكل وطور الموجة التي يمكن أن توجد في عدد لا نهائي من الحالات. هذا النهج المستمر يوفر وسيلة لتعبئة المزيد من البيانات في نظام واحد، ولكنه صعب التحكم فيه بشكل كبير. ويكمن التحدي في تشكيل هذه الموجات بدقة متناهية دون إدخال الضجيج الذي يدمر المعلومات الكمية.
لقد أثبت باحثون في الأرجنتين الآن طريقة جديدة لتشكيل هذه الموجات الكمية بدقة عالية، مما يقدم خطوة واعدة نحو ذاكرة كمية أكثر قوة. لقد ركزوا على نوع محدد من الموجات يسمى "الحالة المعتصرة" (squeezed state)، حيث يتم ضغط عدم اليقين في الموجة في اتجاه واحد بينما يتمدد في اتجاه آخر، تماماً مثل عصر بالون. كان الهدف هو إنشاء جهاز يمكنه عصر هذه الموجة في اتجاه يحدده حال "الكيوبت" (qubit) المنفصل. هذا الإجراء المشروط ضروري لبناء أكواد كمية معقدة يمكنها اكتشاف وتصحيح أخطائها بنفسها. ومع ذلك، فإن القوانين الفيزيائية التي تحكم هذه الدوائر تسبب تموجات طفيفة غير مرغوب فيها تشوه الموجة، مما يهدد بإفساد العملية. طور الفريق تقنية ذكية لإلغاء هذه التموجات، مما سمح لهم بإنشاء بوابة عصر مثالية تقريباً. تُظهر عمليات المحاكاة التي أجروها أن هذه الطريقة يمكنها تشفير المعلومات الكمية بدقة تتجاوز 99 بالمائة، وهو مستوى الدقة المطلوب للحوسبة الكمية العملية.
تجري التجربة في دائرة فائقة التوصيل، وهي حلقة إلكترونية صغيرة مصنوعة من مواد توصل الكهرباء دون مقاومة عند تبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق. وفي قلب هذا الإعداد يوجد "رنان" (resonator)، وهو غرفة تحبس الموجات الكهرومغناطيسية، و"كيوبت"، وهو مفتاح مجهري يمكن أن يكون في حالة صفر أو واحد. وهما مرتبطان بحيث يغير حال الكيوبت التردد الطبيعي للرنان. ولعصر الموجة داخل الرنان، يقوم الباحثون بتطبيق مجال مغناطيسي يتذبذب بمعدل محدد. ومن خلال استخدام ترددين مختلفين للتذبذب في وقت واحد، يمكنهم دفع الرنان إلى حالة تكون فيها الموجة معتصرة. والأهم من ذلك، ولأن الكيوبت يغير تردد الرنان، فإن عملية العصر تحدث في اتجاه واحد إذا كان الكيوبت صفراً، وفي اتجاه عمودي إذا كان واحداً. وهذا يخلق بوابة مشروطة، وهي لبنة أساسية للمنطق الكمي.
المشكلة هي أن فيزياء الدائرة ليست نظيفة تماماً. فبينما يدفع المجال المغناطيسي النظام، فإنه يُدخل حدوداً بطيئة ومتغيرة تسبب تذبذب الموجة وتراكم إزاحات طور غير مرغوب فيها. تعمل هذه التشوهات مثل عدم محاذاة طفيف، مما يجعل الموجة المعتصرة تتجه نحو الاتجاه الخاطئ أو تكتسب طوراً عشوائياً يشتت المعلومات. في المحاولات السابقة لبناء بوابات مماثلة، كان من الصعب تصحيح هذه الأخطاء، مما حد من دقة العملية. أدرك الباحثون أن الطريقة المحددة التي دفعوا بها النظام بترددين خلقت تناظراً خفياً. فقد وجدوا أنه إذا عكسوا تدفق الوقت وبدلوا أدوار الترددين الدافعين، فإن التشوهات غير المرغوب فيها ستلغي بعضها البعض.
لاستغلال هذا التناظر، صمم الفريق بروتوكولاً من أربع خطوات. أولاً، تركوا النظام يتطور لفترة قصيرة، مما سمح بعملية العصر بالبدء وبدء تراكم التشوهات. بعد ذلك، طبقوا نبضة سريعة لقلب الكيوبت من صفر إلى واحد أو العكس، مع تبديل أطوار الترددين الدافعين في الوقت نفسه. هذا الإجراء يعكس اتجاه الوقت بالنسبة للتشوهات بشكل فعال. ثم تركوا النظام يتطور لفترة زمنية متساوية في هذه الحالة المعكوسة، مما سمح للأخطاء بإلغاء نفسها. أخيراً، قلبوا الكيوبت إلى حالته الأصلية. والنتيجة هي عملية حيث يتراكم تأثير العصر المطلوب، بينما تُلغى الأخطاء غير المرغوب فيها تماماً.
اختبر الفريق هذه الطريقة باستخدام محاكاة حاسوبية مفصلة نمذت سلوك الدائرة بدقة عالية. لقد قاموا بمحاكاة تشفير حالة كيوبت عشوائية في نمط معقد من الموجات المعتصرة، وهي عملية تُعرف باسم خوارزمية التشفير. وبدون تقنية التصحيح، تسببت الأخطاء الناتجة عن الحدود المتغيرة في انخفاض دقة المعلومات المشفرة بشكل كبير، حيث وصلت الانحرافات إلى 0.3 بالمائة. قد يبدو هذا صغيراً، ولكن في عالم الحوسبة الكمية، تتراكم مثل هذه الأخطاء بسرعة وتدمر الحسابات. وعندما طبقوا تقنية إعادة التركيز، انخفض الانحراف إلى ما يقرب من الصفر، حيث قاست الأخطاء بضعة أجزاء من عشرة ملايين. وأظهرت المحاكاة أن البوابة يمكن أن تحقق متوسط دقة يزيد عن 99 بالمائة لأي حالة مدخلة، بشرط أن تكون المكونات الفيزيائية ذات جودة عالية.
كما نظر الباحثون في العيوب الواقعية التي قد توجد في جهاز فيزيائي، مثل فقدان الطاقة من الدائرة والسلوك غير الخطي للمواد فائقة التوصيل. وحتى مع تضمين هذه العوامل، وبافتراض قيم متفائلة ولكن واقعية لكيفية بقاء الحالات الكمية قبل التحلل، حافظت البوابة على دقة تزيد عن 99 بالمائة. كما وسع الفريق عمله ليظهر أن هذه الطريقة يمكن تطبيقها على رنانين في آن واحد، مما يخلق حالات متشابكة أكثر قوة لمعالجة المعلومات الكمية. وفي سيناريو الوضع المزدوج هذا، حققت البوابة دقة أعلى في وقت أقصر، بفضل الارتباطات القوية بين الموجتين.
يوفر هذا العمل مساراً واضحاً نحو بناء بوابات كمية عالية الدقة يمكنها التلاعب بالمتغيرات المستمرة بالدقة اللازمة لتصحيح الأخطاء. ومن خلال استخدام خدعة توقيت بسيطة لإلغاء الضجيج الحتمي للعالم الفيزيائي، أظهر الباحثون أنه من الممكن إنشاء بوابة تكاد لا تختلف عن النسخة النظرية المثالية. إن القدرة على تشفير المعلومات في هذه الحالات المعتصرة الخاصة تفتح الباب أمام أنواع جديدة من الأكواد الكمية التي يمكنها اكتشاف الأخطاء ببساطة عن طريق فحص "التكافؤ" (parity) للموجة. وبينما تستند النتائج المعروضة هنا إلى عمليات المحاكاة، إلا أنها تقدم مخططاً ملموساً يمكن للمجربين اتباعه، مما يشير إلى أن الجيل القادم من الحواسيب الكمية يمكن أن يعتمد على هذه الأنظمة المستمرة القائمة على الموجات لتخزين ومعالجة المعلومات بموثوقية غير مسبوقة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.