Parametric two-qubit gates via Landau-Zener interference
تقترح هذه الورقة وتثبت تجريبياً بوابة ثنائية الكيوبت سريعة وقابلة للضبط تعتمد على تداخل لانداو-زونر، تعمل على كل من بنيات الرقائق النمطية (chiplet) وبنيات الترانزمون المتجانسة (monolithic)، مما يوفر حلاً فريداً لتعدد الإرسال في التحكم والربط البيني بين المعالجات الكمومية فائقة التوصيل.
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
لبناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تفوق قدرة أي آلة اليوم، يتجه العلماء إلى القواعد الغريبة لميكانيكا الكم. إنهم يحاولون بناء معالجات باستخدام دوائر صغيرة تعمل مثل الذرات، حيث تحفظ المعلومات في حالات يمكن أن توجد في احتمالات متعددة في آن واحد. وتعد هذه الدوائر، المعروفة باسم الكيوبتات فائقة التوصيل (superconducting qubits)، المرشحين الأبرز لبناء مثل هذه الآلة. ومع ذلك، لكي تعمل هذه الحواسيب، يجب أن تكون الكيوبتات الفردية قادرة على التحدث مع بعضها البعض، وتبادل المعلومات لإجراء الحسابات. يحدث هذا "الحديث" من خلال بوابة ثنائية الكيوبت، وهي آلية تربط اثنين من الكيوبتات معاً لفترة وجيزة بما يكفي للتفاعل ثم تتركهما. والتحدي يكمن في أن هذه التفاعلات يجب أن تكون سريعة ودقيقة للغاية، ومع ذلك يجب ألا تحدث عندما لا تكون مرغوبة، وإلا ستضيع المعلومات الكمومية الدقيقة بسبب الضجيج المحيط. لسنوات، كانت الطريقة القياسية لإدارة ذلك هي استخدام رابط ثابت وخامل يتم تشغيله وإطفاؤه بواسطة الموجات الميكروية، أو عن طريق تغيير طاقة الكيوبتات ببطء. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الأساليب غالباً ما تعاني من بطء السرعة أو تتطلب مخططات تحكم معقدة وصلبة تحد من عدد الكيوبتات التي يمكن ربطها في معالج واحد.
لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لجعل هذه الكيوبتات تتحدث، وهي طريقة أسرع وأكثر مرونة من الأساليب السابقة. فقد بنوا نظاماً حيث يتم ترتيب ثلاثة كيوبتات في خط: اثنان على الطرفين يحملان البيانات، وواحد في المنتصف يعمل كجسر. وبدلاً من استخدام الموجات الميكروية لتحفيز الاتصال، يقومون بدفع الكيوبت الأوسط إيقاعياً ذهاباً وإياباً في الطاقة، مما يجبره على تقاطع مساره بشكل متكرر مع كيوبتي البيانات. وبينما يمر الكيوبت الأوسط عبر الآخرين، فإنه يخلق نمط تداخل كمومي، تماماً كما يمكن لموجات الضوء أن تلغي بعضها البعض أو تضاعف بعضها البعض عند التقائها. ومن خلال ضبط توقيت هذه التقاطعات بعناية، وجد الباحثون أن بإمكانهم إجبار المعلومات على القفز من كيوبت طرف إلى الآخر، تاركين الجسر الأوسط تماماً كما بدأ. هذه العملية، التي تعتمد على ظاهرة تُعرف باسم انتقالات "لانداو-زونر" (Landau-Zener transitions)، تسمح لهم بضبط سرعة وتوقيت التفاعل عبر نطاق واسع من الترددات، من البطء الشديد إلى مئات الملايين من الدورات في الثانية.
اختبر الباحثون هذه الفكرة على نوعين مختلفين من الأجهزة فائقة التوصيل. كان الأول تصميماً نموذجياً حيث تم بناء الكيوبتات على رقائق منفصلة وربطها معاً، بينما كان الثاني قطعة واحدة صلبة من مادة بها جميع المكونات على سطح واحد. وفي كلتا الحالتين، نجحوا في نقل المعلومات الكمومية من كيوبت بيانات إلى الآخر. وعندما ضبطوا النظام على الإيقاع الصحيح، تبادل كيوبتا البيانات حالاتهما تماماً، بينما عاد الجسر الأوسط إلى حالته الأصلية، ليعمل بفعالية كرسول مثالي. وأظهر الفريق أنه يمكنهم إتمام عملية التبادل هذه عند أي تردد يختارونه تقريباً، بمجرد تعديل قوة وتوقيت الدفع على الكيوبت الأوسط. وهذا المرونة تمثل اختلافاً جوهرياً عن الأساليب القديمة، التي غالباً ما تكون محبوسة في نطاق ضيق من الترددات. وفي تجاربهم، تمكن الباحثون من إتمام عمليات التبادل هذه في بضع مئات النانو ثانية فقط، وهي سرعة تقترب من الحد النظري الذي تفرضه قوة اتصال الكيوبتات ببعضها.
أحد أكثر الجوانب إثارة في هذا العمل هو أن كيوبتات البيانات نفسها لا تحتاج أبداً إلى أن تتعرض لإشارة تحكم. إذ يمكنها البقاء هادئة في مواضعها الأكثر استقراراً، بعيداً عن الضوضاء الكهربائية، بينما يقوم الكيوبت الأوسط بكل عمل نقل المعلومات. وهذا ميزة حاسمة لتوسيع نطاق الحواسيب الكمومية، لأنه يعني أن كيوبتات البيانات الدقيقة لا تحتاج إلى التعرض المستمر لنبضات التحكم التي قد تخل بحالتها. كما وجد الباحثون أنه من خلال إيقاف العملية في منتصف الطريق، يمكنهم إنشاء أزواج متشابكة من الكيوبتات، وهي حالة خاصة تصبح فيها الجسيمات مرتبطة بطريقة تتحدى الفيزياء الكلاسيكية. وتشير هذه القدرة إلى أن الطريقة يمكن استخدامها ليس فقط لتبادل المعلومات، بل لتوليد الحالات الكمومية المعقدة اللازمة للحسابات المتقدمة.
قاس الفريق دقة عمليات التبادل هذه ووجد أنها موثوقة للغاية، حيث انتقلت المعلومات بشكل صحيح بنسبة 98 بالمائة تقريباً في أسرع اختباراتهم. وأشاروا إلى أن هذا الرقم محدود حالياً بمدة قدرة الكيوبتات على الاحتفاظ بحالتها قبل أن يتسبب الضجيج البيئي الطبيعي في فقدان تماسكها. ومع ذلك، تشير عمليات المحاكاة التي أجروها إلى أنه إذا تم تحسين الأجهزة للاحتفاظ بالحالات لفترة أطول، فإن الدقة يمكن أن ترتفع إلى ما يقرب من 99.9 بالمائة. إن هذا المستوى من الأداء، جنباً إلى جنب مع القدرة على ضبط سرعة البوابة وترددها آنياً، يوفر مساراً واعداً للمضي قدماً في ربط أعداد كبيرة من الكيوبتات في المعالجات الكمومية المستقبلية. ومن خلال إثبات أن طريقة التداخل هذه تعمل على منصتين مختلفتين تماماً من الأجهزة، أظهر الباحثون أنها أداة قوية ومتعددة الاستخدامات للجيل القادم من الحوسبة الكمومية.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.