Suppressing Frequency Collisions in a Quantum Processor

في المختبرات الهادئة التي تقترب من درجات الصفر المطلق، حيث يتم صهر الجيل القادم من الحوسبة، يبني العلماء آلات لا تحسب بالإيقاع الثابت لرقائق السيليكون، بل بحالات متذبذبة ودقيقة للجسيمات الكمومية. تعتمد هذه الآلات، المعروفة باسم المعالجات الكمومية، على دوائر صغيرة تتصرف مثل الذرات الاصطناعية. ولجعلها تعمل، يجب على الباحثين ضبط كل دائرة على تردد محدد، تماماً مثل ضبط الراديو على محطة واضحة. وإذا تم ضبط دائرتين بقرب شديد من بعضهما البعض، فإنهما تتداخلان مع بعضهما البعض، مما يخلق ضجيجاً فوضوياً يدمر المعلومات الدقيقة التي يُفترض بهما حملها. لقد أصبحت هذه المشكلة، المعروفة باسم "تزاحم الترددات"، عقبة رئيسية. ومع إضافة المهندسين المزيد والمزيد من الدوائر إلى معالج واحد لزيادة قوته، يصبح نطاق الترددات المتاح مزدحماً، ويرتفع خطر حدوث هذه التصادمات غير المرغوب فيها. ولا يكمن التحدي في إيجاد مساحة كافية لكل دائرة فحسب، بل في ترتيبها بحيث يمكنها التواصل مع شركائها المقصودين دون أن تصرخ بالخطأ في جيرانها أو تشتت انتباهها بسبب ثرثرة الغرفة بأكملها.

لقد طور فريق من الباحثين في معهد بيتر غرونبيرج في ألمانيا طريقة جديدة لحل مشكلة "الغرفة المزدحمة" هذه. فبدلاً من التخمين أو استخدام طرق التجربة والخطأ البسيطة، أنشأوا إطاراً رياضياً يعامل ترتيب الترددات مثل لغز معقد. وأدركوا أن التداخل بين الدوائر ليس مجرد مسألة اصطدام جارين ببعضهما البعض؛ بل يتأثر أيضاً بطرف ثالث يراقب من الجانب، وهي ظاهرة يسمونها "تأثير المتفرج". فعندما توجد دائرة ثالثة في مكان قريب، يمكنها أن تغير بشكل طفيف التفاعل بين الدائرتين اللتين تحاولان العمل معاً، تماماً كما يمكن لشخص ثالث في محادثة أن يغير نبرة الحوار حتى لو لم يكن يتحدث. قام الباحثون برسم هذه التفاعلات الفيزيائية على "دالة تكلفة"، وهي نوع من لوحة النتائج الرقمية التي تعاقب أي ترتيب تكون فيه الدوائر قريبة جداً من بعضها أو حيث يسبب الطرف الثالث مشكلة. كان هدفهم هو إيجاد تهيئة يكون فيها لكل دائرة مساحة كافية للعمل دون التسبب في أخطاء، وهي حالة يصفونها بأنها "وادي غولديلوكس" حيث تكون الظروف مثالية تماماً.

ولإيجاد هذا الترتيب المثالي، اختبر الفريق عدة استراتيجيات مختلفة. فقد قارنوا بين طريقة حاسوبية كلاسيكية تسمى "التلدين المحاكى"، والتي تعمل على تبريد النظام ببطء للعثور على أدنى حالة طاقة، وبين نهج أحدث وأكثر تجريبية يستخدم خوارزمية كمومية. وقد تم تعزيز هذه الطريقة الكمومية، وهي تنويع من "خوارزمية التحسين التقريبي الكمومي"، بآلية توجيه خاصة مصممة لمساعدة الحاسوب على التنقل عبر المنحدرات الحادة والوعرة لمشهد المشكلة. وفي عالم المحاكاة الرقمية، تمثل هذه المنحدرات الأخطاء الكارثية التي تحدث عندما تتصادم الترددات. وغالباً ما تتعثر الطرق القياسية عند جوانب هذه المنحدرات، غير قادرة على إيجاد المسار نحو الوادي الآمن. ومع ذلك، تمكنت الطريقة الكمومية المعززة من استخدام هذه المنحدرات الشديدة لتوجيه نفسها، حيث استشعرت اتجاه الخطأ بفعالية وابتعدت عنه.

اختبر الباحثون أفكارهم على نماذج رقمية لمعالجات ذات أشكال وأحجام مختلفة، بما في ذلك هيكل يشبه السلم يحتوي على ثماني دوائر، وشبكة مربعة تحتوي على ست عشرة دائرة. وقاموا بتفكيك هذه الشبكات الكبيرة والمعقدة إلى أقسام أصغر ومتداخلة، وحل لغز التردد لكل قسم صغير، ثم قاموا بربط الحلول معاً لتشكيل خريطة كاملة للمعالج بأكمله. سمح نهج "ربط العناقيد" هذا بمعالجة المشكلات التي كانت أكبر من أن تُحل دفعة واحدة. وأظهرت نتائجهم أنه بينما تجد طريقة التلدين المحاكى الكلاسيكية حالياً أفضل الحلول لحالات الاختبار المحددة التي أجروها، فإن الطريقة الكمومية المعززة أثبتت أنها أداة قوية للتنقل في التضاريس الصعبة للمشكلة؛ فقد نجحت في تجنب أسوأ التصادمات ووجدت ترتيبات مستقرة أبقت الدوائر معزولة عن بعضها البعض.

توضح الدراسة أن مجرد إبقاء الدوائر بعيدة عن بعضها البعض ليس كافياً. فبسبب الفيزياء المعقدة لهذه الدوائر فائقة التوصيل، يمكن حتى للمسافة الآمنة أن تؤدي أحياناً إلى أخطاء إذا تلاقت الترددات المحددة بطريقة تخلق رنيناً خفياً. ومن خلال تضمين تأثيرات التفاعل بين ثلاث دوائر في تخطيطهم، استطاع الباحثون تحديد وتجنب هذه الفخاخ الخفية. يقدم هذا النهج طريقة لتصميم معالجات مستقبلية أقل عرضة للأخطاء منذ البداية، بدلاً من محاولة إصلاح الأخطاء بعد بناء الآلة. يوفر هذا العمل طريقة منهجية لتخطيط تخطيط هذه الآلات الكمومية، وربط الفيزياء المجهرية لكيفية تفاعل الدوائر مع الهندسة واسعة النطاق لكيفية ترتيبها. وبينما تحتفظ الطريقة الكلاسيكية حالياً بالصدارة في إيجاد أفضل ترتيب ممكن للأحجام التي تم اختبارها، فإن النهج الكمومي يظهر وعداً في التعامل مع الآلات الأكبر والأكثر تعقيداً في المستقبل، مما يوفر مساراً نحو التصميم الآلي الذي يحافظ على عمل المعالج الكمومي بسلاسة.