Benchmarking exchange-only control of a 48-spin singlet manifold

في سعيها لبناء آلة يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرات حواسيب اليوم، تستكشف الجماعات العلمية طرقاً عديدة ومختلفة لتخزين ومعالجة المعلومات. يعتمد أحد النهج الواعدة على لفات المغناطيسية الصغيرة للإلكترونات، والتي يمكن أن تعمل كإبر بوصلة مجهرية تشير إلى الأعلى أو الأسفل. في معظم التصاميم، يحاول الباحثون التحكم في كل إلكترون بشكل فردي، والتعامل معه كوحدة منفصلة للمعلومات. ومع ذلك، يستخدم نهج مختلف الميل الطبيعي لهذه الإلكترونات لتبادل الأماكن مع جيرانها، وهي عملية مدفوعة بقوة أساسية تسمى "تفاعل التبادل". يوفر هذا الأسلوب مساراً نحو الدقة العالية لأن التفاعل بسيط ومتين، ولكنه يأتي مع عقبة: لا يمكن التحكم في الإلكترونات واحداً تلو الآخر، بل يجب تجميعها في مجموعات أكبر تعمل كنظام واحد موحد. وهذا يخلق مشهداً شاسعاً ومعقداً من الحالات الممكنة، وهو أكبر بكثير مما هو متاح عند التحكم في الوحدات الفردية، لكنه يجعل النظام أيضاً أصعب في الملاحة والقياس.

لقد خطى فريق من الباحثين من "HRL Quantum" و"Microsoft" الآن خطوة كبيرة للأمام في إتقان هذا النهج. فقد بنوا جهازاً يحتوي على 48 لفة إلكترونية، وأثبتوا قدرتهم على التحكم في هذه المجموعة بأكملها بدقة ملحوظة، والتعامل مع المجموعة الكاملة كمعالج كمي ضخم واحد. وبدلاً من محاولة عزل مجموعات صغيرة من ثلاثة لفات لتعمل كبتات (bits) قياسية، قام الفريق بتشغيل المصفوفة الكاملة في حالة تكون فيها إجمالي اللفة المغناطيسية للمجموعة بأكملها صفراً. يسمح هذا التكوين المحدد بالوصول إلى مساحة من الاحتمالات أكبر مما يمكن أن تحتويه 40 بتة قياسية، ومع ذلك تمكنوا من التحكم فيها دون الأخطاء المعتادة التي تعاني منها مثل هذه الأنظمة الكبيرة. يظهر عملهم أنه من خلال احتضان تعقيد النظام بأكمله بدلاً من محاربته، يمكنهم تحقيق مستوى من الدقة يتفوق على التقنيات الكمومية الرائدة الأخرى.

اختبر الباحثون نظامهم باستخدام سلسلة من التجارب الصارمة المصممة لقياس مدى جودة حفظ الآلة للمعلومات أثناء أدائها لعمليات معقدة. بدأوا بتشغيل تسلسلات عشوائية من تفاعلات تبادل اللفات، وكأنهم يطلبون من الإلكترونات خلط اتصالاتها بطرق غير متوقعة. ولرؤية ما إذا كانت الآلة تعمل بشكل صحيح، قاموا بقياس عدد المرات التي يعود فيها النظام إلى حالته الأصلية بعد عمليات الخلط هذه. ووجدوا أنه مقابل كل عملية تبادل واحدة يتم إجراؤها، فإن احتمال ارتكاب النظام لخطأ ما كان صغيراً للغاية، حوالي 3 من كل 10,000. وهذا المعدل من الخطأ أقل بكثير مما تم الإبلاغ عنه في أنواع أخرى من الحواسيب الكمومية، والتي تظهر عادةً معدلات خطأ تزيد عن 1 من كل 1,000 في عملياتها الأساسية. وتعد هذه النتيجة مثيرة للإعجاب بشكل خاص لأنها تأخذ في الاعتبار جميع الضوضاء والعيوب في تسلسل التحكم بأكمله، وليس فقط الأداء النظري لمكون واحد.

ولفهم كيفية انتشار المعلومات عبر هذه المجموعة الضخمة من الإلكترونات، أجرى الفريق اختباراً أكثر تقدماً يُعرف باسم "مترابط خارج الترتيب الزمني" (out-of-time-order correlator). في هذه التجربة، أدخلوا اضطراباً صغيراً إلى جزء من النظام ثم راقبوا كيف انتشر هذا الاضطراب عبر المجموعة الكاملة المكونة من 48 لفة. لاحظوا أن المعلومات لم تبقَ في مكانها؛ بل تشتتت وانتشرت عبر الجهاز في نمط يشبه الموجة. ومن خلال قياس حالة أزواج محددة من الإلكترونات في نهاية العملية، استطاعوا رؤية كيف أثر الاضطراب الأولي على بقية النظام بدقة. وقد طابقت النتائج محاكاة الكمبيوتر لآلة مثالية خالية من الضوضوا ببراعة شديدة، مما أكد أن الإلكترونات تتفاعل تماماً كما تتنبأ قوانين الفيزياء، حتى في مثل هذا الترتيب الكبير والمعقد.

كما استكشف الفريق كيفية سلوك النظام عند محاكاة نوع معين من المواد المغناطيسية، المعروف باسم "سلسلة هايزنبرغ المغزلية" (Heisenberg spin chain). لقد قاموا ببرمجة الإلكترونات لمحاكاة التفاعلات الموجودة في هذه المادة، مع تعديل قوة الاتصالات بين الجيران لمعرفة كيفية استجابة النظام. ولاحظوا أنماطاً واضحة لموجات تنتقل ذهاباً وإياباً عبر السلسلة، وتنعكس عند النهايات وتتداخل مع بعضها البعض. تغيرت هذه الأنماط بطرق يمكن التنبؤ بها اعتماداً على الإعدادات التي اختاروها، مما أثبت أن الجهاز يمكنه إعادة إنتاج ديناميكيات النماذج الفيزيائية المعقدة بأمانة. وبينما لا يزال النظام ليس كبيراً بما يكفي لحل المشكلات التي يستحيل على الحواسيب التقليدية حلها، فإن القدرة على محاكاة هذه التفاعلات المغناطيسية بهذه الدقة العالية تشير إلى أن هذه التكنولوجيا تنضج بسرعة.

إن أحد أهم جوانب هذا العمل هو الطريقة المستخدمة لقياس النجاح. فبدلاً من النظر في أداء البوابات الفردية أو المجموعات الصغيرة من اللفات، قيم الباحثون النظام بأكمله ككل. لقد تعاملوا مع الـ 48 لفة ليس كمجموعة من البتات المنفصلة، بل ككيان واحد مترابط. سمح لهم هذا النهج باستخدام النطاق الكامل للحالات المتاحة للنظام، بما في ذلك تلك التي تُعتبر عادةً أخطاءً أو "تسرباً" (leakage) في التصاميم الأخرى. ومن خلال القيام بذلك، تمكنوا من استخراج صورة أكثر دقة لقدرات الآلة الحقيقية. كشفت البيانات أن الأخطاء في النظام ليست مجرد خلل عشوائي، بل تشمل أنماطاً ثابتة ويمكن التنبؤ بها يمكن نمذجتها وفهمها. وتعد هذه الرؤية أمراً بالغ الأهمية للتحسينات المستقبلية، حيث تشير إلى الطريق نحو أجهزة تحكم وتقنيات معايرة أفضل.

يقر الباحثون بأنه على الرغم من أن جهازهم يعمل بشكل استثنائي، إلا أنه ليس بعد حاسوباً كاملاً قادراً على تحمل الأخطاء (fault-tolerant) وقادراً على تشغيل أي خوارزمية دون خطأ. إن معدل الخطأ الذي قاسوه، رغم انخفاضه، سيظل يتراكم عبر الحسابات الطويلة جداً، مما يؤدي في النهاية إلى طغيان النتلة على النتائج. ومع ذلك، فإن حقيقة تحقيقهم لمثل هذه النسب المنخفضة من الأخطاء في نظام بهذا الحجم هي مؤشر قوي على أن نهج "التبادل فقط" (exchange-only) هو نهج قابل للتطبيق. وهذا يشير إلى أنه مع المزيد من التحسينات في إلكترونيات التحكم وطريقة تقديم النبضات إلى اللفات، يمكن تقليل معدلات الخطأ بشكل أكبر. يوفر عمل الفريق خارطة طريق واضحة لكيفية توسيع نطاق هذه الأنظمة، موضحاً أن تحديات التحكم في مجموعات كبيرة من الإلكترونات ليست مستعصية على الحل.

في السياق الأوسع للحوسبة الكمومية، تقدم هذه الدراسة بديلاً مقنعاً للاستراتيجيات المهيمنة التي تعتمد على التحكم في الكيوبتات (qubits) الفردية. فهي تثبت أن هناك قيمة في العمل مع السلوك الجماعي للعديد من الجسيمات، حتى لو كان ذلك يعني التخلي عن القدرة على مخاطبتها بشكل فردي. تشير الدقة العالية التي تم تحقيقها في هذه التجربة إلى أن تفاعل التبادل هو أداة قوية لبناء الآلات الكمومية. ومع تقدم المجال، من المرجح أن تؤثر الدروس المستفادة من نظام الـ 48 لفة هذا في كيفية تصميم واختبار الأجهزة المستقبلية. إن القدرة على الوصول إلى مثل هذا الفضاء الهيلبرتي (Hilbert space) الضخم والتحكم فيه بدقة عالية تفتح آفاقاً جديدة لمحاكاة المواد المعقدة وحل المشكلات الصعبة، مما يقرب رؤية الحاسوب الكمي العملي خطوة أخرى من الواقع.