Floquet Majorana XYZ Codes with Tunable Logical Dynamics

في السعي لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرات آلات اليوم، يواجه العلماء عقبة أساسية: المعلومات المخزنة بداخله هشة للغاية. فاهتزازة واحدة عابرة أو تقلب طفيف في درجة الحرارة يمكن أن يبعثر البيانات الدقيقة، مما يؤدي إلى أخطاء تفسد الحسابات. ولحل هذه المشكلة، يستخدم الباحثون استراتيجية تسمى تصحيح الخطأ الكمي. فبدلاً من تخزين قطعة واحدة من المعلومات في مكان واحد، يقومون بنشرها عبر شبكة واسعة من الجسيمات، وتشفيرها بطريقة تجعلها غير مرئية للاضطرابات المحلية. يشبه هذا كيف يمكن لرسالة مكتوبة على ورقة واحدة أن تتمزق بسهولة، ولكن إذا نُسجت نفس الرسالة في نسيج معقد وكبير، فإن تمزقاً صغيراً في القماش لا يدمر القصة. التحدي يكمن في الحفاظ على هذا النسيج المنسوج سليماً أثناء تشغيل الحاسوب، مع التحقق باستمرار من وجود تمزقات دون النظر مباشرة إلى الرسالة نفسها، لأن ذلك من شأنه أن يدمرها.

يتضمن المسار الواعد للمضي قدماً نوعاً خاصاً من الجسيمات يُعرف باسم "نمط مايورانا" (Majorana mode). هذه حالات مادية غريبة يمكنها أن تعمل كجسيمات مضادة لنفسها وهي مقاومة طبيعياً لأنواع معينة من الضجيج. ولأنها قوية جداً، تُعتبر لبنات بناء مثالية للجيل القادم من الحواسيب الكمية. ومع ذلك، فإن تحويل هذه الجسيمات النظرية إلى ذاكرة عاملة يتطلب مجموعة محددة للغاية من التعليمات. يجب على العلماء تحديد كيفية قياس الجسيمات بدقة ومدى تكرار تلك القياسات للحفاظ على سلامة المعلومات. يستكشف هذا البحث الجديد عائلة من مثل هذه التعليمات، كاشفاً أن توقيت هذه القياسات يمكن أن يغير بشكل جذري سلوك المعلومات المخزنة، محولاً إياها من حالة ثابتة لا تتغير إلى حالة تتطور بطريقة إيقاعية ومنضبطة.

بدأ الباحثون، الذين يعملون في جامعة تسينغ هوا، بترتيب معروف لجسيمات مايورانا هذه الموضوعة على شبكة. وبدأوا بدراسة كيفية سلوك هذه الشبكة إذا تُركت بمفردها، لتأسيس خط أساس لكيفية تخزين المعلومات. ووجدوا أن الشبكة تعمل كنظام من الحلقات المترابطة. فعندما تحتوي الشبكة على عدد فردي من الوحدات على طول كل جانب، فإنها تحمل طبيعياً قطعة واحدة من المعلومات تظل ساكنة تماماً. وعندما تحتوي الشبكة على عدد زوجي من الوحدات، يمكنها حمل قطعتين من المعلومات. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأنه يمهد الطريق لما سيحدث عندما يبدأ العلماء في قياس النظام بشكل نشط.

لحماية المعلومات، أدخل الفريق عملية قياسات متكررة. فبدلاً من فحص الشبكة بأكملها دفعة واحدة، قاموا بقياس مجموعات صغيرة ومتداخلة من الجسيمات في تسلسل محدد. واختبروا ثلاثة جداول زمنية مختلفة: القياس في دورة من ثلاث خطوات، أو خطوتين، أو خطوة واحدة فقط. جاء الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة من دورة الخطوات الثلاث. فعندما كان حجم الشبكة من نوع معين من الأعداد الزوجية، تصرف النظام بطريقة لم يسبق لها مثيل في هذا النوع من الأكواد. حيث ظلت قطعة واحدة من المعلومات المخزنة ساكنة تماماً، تماماً كما كانت في النسخة الثابتة. ولكن شريكها، القطعة الثانية من المعلومات، بدأت في التغير. ففي كل مرة تكتمل فيها دورة القياس، ينتقل التمثيل الفيزيائي لهذه القطعة الثانية إلى موقع جديد على الشبكة، ليعود بعد ذلك إلى نقطة بدايته بعد اكتمال الدورة الكاملة.

هذا السلوك المتغير ليس خللاً، بل هو ميزة يتم التحكم فيها من خلال جدول القياس. أظهر الباحثون أن هذه الحالة الديناميكية ليست عشوائية؛ فهي تطور دقيق ومتوقع حيث يتم الحفاظ على المعلومات حتى مع تحرك شكلها الفيزيائي. وقد أثبتوا أن هذا يحدث بسبب قيد رياضي دقيق يعتمد على حجم الشبكة. فإذا تغير حجم الشبكة قليلاً، يختفي السلوك الديناميكي وتصبح القطعتان من المعلومات ثابتتين مرة أخرى. وهذا يعني أنه من خلال تغيير إيقاع القياسات ببساطة، يمكن للعلماء التبديل بذاكرة الحاسوب بين حالة مجمدة وحالة متدفقة. هذه القدرة على التبديل بين الأشكال الثابتة والديناميكية باستخدام توقيت القياسات فقط توفر أداة جديدة للتحكم في المعلومات الكمية.

كما أثبت الفريق أنه يمكن بناء هذا النظام بالكامل مباشرة باستخدام جسيمات مايورانا المجهرية، دون الحاجة إلى ترجمة التعليمات إلى لغة أخرى من بتات الحاسوب القياسية. وأظهروا أن القياسات المطلوبة للحفاظ على هذه الحالة هي قياسات محلية، مما يعني أنها تشمل فقط مجموعات صغيرة من الجسيمات المتجاورة. فبالنسبة لبعض أجزاء الدورة، يتضمن القياس أربعة جسيمات، ولأجزاء أخرى، يتضمن ثمانية جسيمات. ويعد هذا التحقيق المباشر خطوة مهمة للأمام لأنه يثبت إمكانية تنفيذ المنطق المعقد لهذه الأكواد باستخدام العمليات الأصلية للأجهزة، بدلاً من الحاجة إلى طبقة ترجمة معقدة.

استكشفت الدراسة أيضاً ما يحدث إذا تم تقصير دورة القياس. فعندما قلل العلماء الدورة من ثلاث خطوات إلى خطوتين، اختفى السلوك الديناميكي. فالقطعة الثانية من المعلومات، التي كانت تتحرك سابقاً، أصبحت ثابتة وبقيت في مكانها. وقد أكد هذا أن الطبيعة الديناميكية للمعلومات ليست خاصية متأصلة في الجسيمات نفسها، بل هي نتيجة للجدول الزمني المحدد المستخدم لقياسها. ومن خلال تعديل الجدول، يمكن للباحثين اختيار ما إذا كانت المعلومات ستظل ثابتة أو ستتدفق عبر النظام.

يوفر هذا العمل مخططاً واضحاً لكيفية إدارة المعلومات في حاسوب كمي يعتمد على مايورانا. وهو يوضح أن استقرار البيانات لا يتعلق فقط بالأجهزة، بل أيضاً بتوقيت عمليات الفحص. إن القدرة على إنشاء "كيوبت منطقي جزئي الديناميكية"، حيث يتحرك جزء واحد من المعلومات بينما يبقى الآخر في مكانه، تفتح آفاقاً جديدة لكيفية معالجة الحواسيب الكمية للبيانات. لقد أثبت الباحثون أن هذه الأكواد يمكن تحقيقها محلياً في نظام فيزيائي مباشر، مما يسد الفجوة بين النظرية المجردة والواقع التجريبي. وبينما لا تزال الإمكانات الكاملة لهذه الأكواد للحوسبة المقاومة للأخطاء بحاجة إلى الاختبار في ظل ظروف الضجيج الواقعية، فإن هذا العمل يضع الأساس لفئة جديدة من الذكريات الكمية التي يمكن ضبطها والتحكم فيها بدقة.