A thermal microwave bus for neutral atom quantum computing

يتطلب بناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرة أي آلة اليوم توازناً دقيقاً. يستكشف العلماء حالياً عدة طرق لبناء هذه الآلات الكمومية، ومن أكثر هذه الطرق واعدة استخدام ذرات فردية يتم تثبيتها في مكانها بواسطة حزم من الضوء، تماماً مثل خرز صغير على خيط غير مرئي. تعمل هذه الذرات كوحدات أساسية للمعلومات، أو ما يعرف بالكيوبتات (qubits). ولجعل الحاسوب يعمل، يجب أن تكون هذه الكيوبتات قادرة على التحدث مع بعضها البعض لأداء حسابات معقدة. ومع ذلك، عادة ما تكون الذرات مرتبة في شبكة مسطحة، والطريقة التي تستخدمها للتواصل هي بطبيعتها قصيرة المدى، مثل همسة لا تسافر سوى بضع بوصات. ولربط الذرات البعيدة عن بعضها، اضطر الباحثون تقليدياً إلى تحريك الذرات فعلياً عبر الشبكة، وهي عملية بطيئة وتحد من سرعة حل الحاسوب للمشكلات. لذا، يكمن التحدي في إيجاد طريقة لربط الذرات البعيدة فورياً دون تحريكها، وهي قدرة ضرورية لأنظمة تصحيح الخطأ اللازمة للحفاظ على استمرارية عمل هذه الآلات الهشة بشكل موثوق.

في دراسة جديدة، اقترح باحثون في جامعة كوليدج لندن حلاً يستبدل الحركة الفيزيائية البطيئة للذرات باتصال غير مرئي وسريع باستخدام الموجات الدقيقة (microwaves). يقترحون تصميماً حيث تستقر الذرات داخل صندوق معدني متخصص، وهو تجويف ثلاثي الأبعاد، يعمل كقناة اتصال مشتركة. وبدلاً من الاعتماد على تلامس الذرات أو تحركها بالقرب من بعضها البعض، يوضح الباحثون كيف يمكن للذرات أن تتفاعل من خلال الموجات الكهرومغناطيسية التي ترتد داخل هذا الصندوق. يسمح هذا النهج للذرات البعيدة بأداء الحسابات الضرورية معاً بشكل فوري تقريباً، متجاوزة بذلك الاختناقات الناتجة عن طريقة تحريك الذرات التقليدية. قام الفريق بمحاكاة هذا النظام لمعرفة مدى نجاحه في بيئة واقعية، مع مراعاة الحرارة والعيوب الموجودة في أي جهاز فيزيائي. وتشير نتائجهم إلى أن هذا الاتصال القائم على الموجات الدقيقة يمكن أن يحقق دقة عالية للغاية، مما قد يؤدي إلى تسريع الخطوات الأكثر أهمية لتصحيح الخطأ الكمومي بمعدل يقارب خمسة أضعاف.

يكمن جوهر المشكلة في كيفية تعامل هذه الحواسيب الكمومية مع الأخطاء. ولأن الحالات الكمومية هشة للغاية، فهي عرضة للأخطاء من أدنى اضطراب. ولإصلاح هذه الأخطاء، يجب على الحاسوب التحقق باستمرار من عمله، وهي عملية تتطلب تفاعل الكيوبتات مع جيرانها. في الإعداد القياسي باستخدام الذرات المتعادلة، يتم هذا التحقق عن طريق نقل ذرة من مكان إلى آخر لتلتقي بجارتها، وإجراء فحص، ثم إعادتها إلى مكانها. وبينما ينجح هذا مع الجيران القريبين، فإنه يصبح عائقاً رئيسياً عندما يحتاج الحاسوب إلى التحقق من الاتصالات عبر الشبكة بأكملها، مثل حواف الحلقة حيث تلتف الشبكة حول نفسها. إن الوقت الذي يستغرقه تحريك الذرات عبر شبكة كبيرة يزدو مع حجم الشبكة، مما يؤدي في النهاية إلى إبطاء النظام بأكمله حتى يتوقف عن العمل. وقد أدرك الباحثون أنه إذا تمكنوا من إنشاء اتصال يمتد عبر الشبكة بأكملها دون تحريك أي شيء، فيمكنهم تقليل الوقت اللازم لهذه الفحوصات بشكل كبير.

ولتحقيق ذلك، صمم الفريق نظاماً ترتبط فيه الذرات بتجويف موجات دقيقة. في هذا الإعداد، يتم تثبيت الذرات في مكانها بواسطة ملاقط ضوئية (optical tweezers)، وهي حزم ضوئية مركزة، داخل تجويف مصنوع من معدن فائق التوصيل. يتم ضبط هذا التجويف على تردد موجات دقيقة محدد يتوافق مع فرق الطاقة بين حالتين مثارتين محددتين للذرة، والمعروفتين بحالات ريدبرغ (Rydberg states). وعندما تكون الذرات في هذه الحالات، يمكنها تبادل الطاقة مع مجال الموجات الدقيقة داخل الصندوق. اقترح الباحثون بنية رباعية المستويات حيث تُخزن المعلومات في الحالة الأرضية المستقرة للذرة، ولكن لأجل الحساب، ترتبط الذرة مؤقتاً بمجال الموجات الدقيقة من خلال هذه الحالات المثارة. وهذا يسمح لمجال الموجات الدقيقة أن يعمل كـ "حافلة" (bus)، تنقل المعلومات بين أي ذرتين في المصفوفة، بغض النظر عن مدى بعدهما عن بعضهما البعض.

اختبر الفريق أولاً طريقتين موجودتين لاستخدام اتصال الموجات الدقيقة هذا. تتضمن إحدى الطريقتين تبديل حالات ذرتين، بينما تستخدم الأخرى دفعاً لإنشاء إزاحة طورية محددة. قاموا بمحاكاة هذه الطرق في ظروف واقعية، بما في ذلك وجود الفوتونات الحرارية - وهي حزم صغيرة من الطاقة توجد في التجويف بسبب الحرارة - والاضمحلال الطبيعي للحالات الذرية. ووجدوا أنه بينما تعمل هذه الطرق، فإن دقتها تنخفض بشكل كبير مع ارتفاع درجة الحرارة أو مع فقدان الذرات لطاقتها. أظهرت عمليات المحاكاة أنه لكي تصل هذه الأساليب التقليدية إلى مستويات الدقة العالية المطلوبة لحاسوب مفيد، يجب الحفاظ على النظام بارداً للغاية، وحتى مع ذلك، كانت معدلات الخطأ أعلى مما هو مرغوب فيه.

للتغلب على هذه القيود، قدم الباحثون تقنية جديدة تسمى "بوابة رامان ثنائية اللون" (bichromatic Raman gate). تستخدم هذه الطريقة شعاعين ليزر مختلفين للتفاعل مع الذرات، مما يخلق اتصالاً أكثر قوة ضد الحرارة والاضمحلال. وخلافاً للطرق السابقة، لا تتطلب هذه البوابة بقاء الذرات في حالة ريدبرغ المثارة لفترة طويلة؛ بل تمر عبر تلك الحالة بشكل افتراضي فقط، مما يعني أن الذرة لا تقضي وقتاً فيها تقريباً. وهذا تمييز جوهري لأن الحالات المثارة قصيرة العمر وعرضة للأخطاء. ومن خلال تجنب البقاء الطويل في هذه الحالات، تقلل البوابة من فرصة اضمحلال الذرة وفقدان معلوماتها. علاوة على ذلك، فإن تصميم شعاعي الليزر يجعل عملية إلغاء الإزاحات غير المرغوب فيها الناتجة عن مجال الموجات الدقيقة. مما يجعل البوابة مقاومة للغاية للضوضاء الحرارية التي عانت منها الطرق السابقة.

كانت نتائج المحاكاة لهذه البوابة ثنائية اللون ناجحة بشكل ملحوظ. وجد الباحثون أنها يمكن أن تحقق دقة (fidelity) تصل إلى 0.997، مما يعني أنها تؤدي العملية الصحيحة بنسبة 99.7% من المرات. هذا المستوى من الدقة يقع ضمن النطاق المطلوب للحوسبة الكمومية المتحملة للأخطاء. تعمل البوابة عن طريق خلق قوة على مجال الموجات الدقيقة تعتمد على حالة الذرات. ومع تفاعل الذرات مع المجال، فإنها ترسم مساراً في فضاء الطور الخاص بالمجال، وعندما يغلق هذا المسار في حلقة، فإنه يترك بصمة طور محددة على الذرات تمثل العملية الحسابية. ولأن البوابة مصممة بشكل متماثل، فإنها تلغي طبيعياً العديد من الأخطاء التي قد تتراكم لولا ذلك. كما أظهر الفريق أن هذه الطريقة يمكن استخدامها لإنشاء حالات متعددة الذرات معقدة، مثل حالات "جرينبيرجر-هورن-زيلينجر" (GHZ)، وهي ضرورية للعديد من الخوارزميات الكمومية، بدقة عالية حتى مع زيادة عدد الذرات.

تتجلى القوة الحقيقية لهذا الاكتشاف عند النظر في كيفية تأثيره على سرعة تصحيح الخطأ. طبق الباحثون نتائجهم على نوع معين من أكواد تصحيح الخطأ يُعرف باسم "كود توريك" (toric code)، وهو مرتب على شبكة ذات حدود دورية، حيث يتم لف حواف الشبكة فعلياً لتشكيل شكل "تورس" (torus). في هذا الكود، يجب إجراء بعض الفحوصات الضرورية بين الذرات الموجودة عند الحواف المتقابلة للشبكة. في نهج تحريك الذرات التقليدي، يتطلب إغلاق هذه الحلقات نقل الذرات فعلياً عبر الشبكة بأكملها، وهي عملية تستغرق وقتاً يتناسب مع الجذر التربيعي لحجم الشبكة. في المقابل، يمكن لبوابة تجويف الموجات الدقيقة ربط هذه الذرات البعيدة فورياً، حيث يتناسب الوقت المطلوب خطياً فقط مع عدد البوابات المطلوبة.

بالنسبلوب لعدد مصفوفة واقعي، أظهرت عمليات المحاكاة أن استخدام بوابة الموجات الدقيقة لإغلاق الحدود الدورية لكود توريك قلل من الوقت اللازم لجولة كاملة من تصحيح الخطأ بمعامل قدره 2.3. وهذا يعني أن الحاسوب يمكنه فحص الأخطاء وإصلاحها بسرعة تزيد عن الضعف مقارنة بالطريقة التقليدية. ثم وسع الباحثون هذا التحليل ليشمل عائلة أوسع من الأكواد تُعرف باسم "أكواد الدراجة ثنائية المتغيرات" (bivariate bicycle codes)، وهي مصممة لتكون أكثر كفاءة ولكنها تتطلب اتصالات بعيدة المدى أكثر تعقيداً. بالنسبة لهذه الأكواد، كان التسريع أكثر دراماتيكية، حيث قلل الوقت اللازم لجولة كاملة من تصحيح الخطأ بمعامل قدره 4.8. وهذا يشير إلى أن "حافلة" الموجات الدقيقة يمكن أن تكون نقطة تحول لأكثر مخططات تصحيح الخطأ تقدماً، مما يسمح لها بالعمل بشكل أسرع وأكثر كفاءة مما كان يُعتقد سابقاً.

تناولت الدراسة أيضاً مسألة التوازي، أو القدرة على إجراء عمليات متعددة في نفس الوقت. وبينما يعد تجويف الموجات الدقيقة مورداً مشتركاً واحداً، أظهر الباحثون أنه من خلال ضبط ترددات دفعات الليزر بعناية، من الممكن إجراء عمليات على أزواج مختلفة من الذرات في وقت واحد دون أن تتداخل مع بعضها البعض. هذه القدرة حيوية لتوسيع نطاق الحاسوب للتعامل مع مشكلات أكبر. وعلى الرغم من أن دقة هذه البوابات المتوازية كانت أقل قليلاً من دقة البوابات الفردية، إلا أنها ظلت عالية بما يكفي لتكون مفيدة. وأشار الفريق إلى أن التصميمات المستقبلية يمكن أن تحسن ذلك من خلال استخدام أنماط تجويف متعددة أو حالات ذرية إضافية، ولكن حتى مع إعداد النمط الواحد الحالي، فإن إمكانية التسريع كبيرة.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل مساراً ملموساً للمستقبل أمام الحواسيب الكمومية ذات الذرات المتعادلة. فمن خلال استبدال العملية الميكانيكية البطيئة لتحريك الذرات باتصال سريع بوساطة الموجات الدقيقة، أظهر الباحثون أنه من الممكن تحقيق التفاعلات عالية السرعة والدقة اللازمة لتصحيح الخطأ الكمومي واسع النطاق. وتثبت عمليات المحاكاة أن هذا النهج ليس سليماً من الناحية النظرية فحسب، بل هو أيضاً قوي ضد الضوضاء الحرارية والعيوب التي لا مفر منها في التجارب الواقعية. ورغم أن الورقة البحثية تعتمد على المحاكاة بدلاً من التجارب الفيزيائية، إلا أن المعايير المستخدمة تستند إلى قيم واقعية للتكنولوجيا الحالية، مثل جودة التجاويف فائقة التوصيل وأعمار ذرات ريدبرغ. وتشير النتائج إلى أن بناء حاسوب كمومي باستخدام "حافلة" موجات دقيقة يمكن أن يحل مشكلة الاتصال التي أعاقت تطوير هذه الآلات لفترة طويلة، مما يقرب حلم الوصول إلى حاسوب كمومي قادر على تحمل الأخطاء من الواقع بشكل كبير.