Quantifying the fidelity of a quantum memory

في عالم التكنولوجيا الكمومية الناشئ، لا تُخزن المعلومات على محركات الأقراص الصلبة أو في السحابة، بل في الحالات الدقيقة للجسيمات الفردية مثل الذرات أو الفوتونات. ولبناء شبكة مستقبلية قادرة على إرسال هذه المعلومات عبر المدن أو القارات، يحتاج العلماء إلى طريقة لإيقاف الإشارة مؤقتًا، والاحتفاظ بها للحظة، ثم إطلاقها دون فقدان طابعها الكمومي الفريد. يتم إجراء هذا التوقف بواسطة جهاز يسمى الذاكرة الكمومية. وبخلاف ذاكرة الكمبيوتر القياسية التي تقوم ببساطة بنسخ البيانات، يجب على الذاكرة الكمومية الحفاظ على العلاقات الهشة بين الجسيمات، وهي خاصية تُعرف بالتشابك. وإذا فشلت الذاكرة، تتدهور المعلومات إلى ضوضاء عادية، وتضيع الميزة الكمومية. وقد كان التحدي المركزي للمهندسين والفيزيائيين هو كيفية قياس مدى جودة عمل هذه الأجهزة بدقة. تعتمد الطرق التقليدية غالبًا على فحص أمثلة محددة قليلة، مما قد يعطي صورة مضللة للأداء العام للجهاز، تمامًا مثل الحكم على قائمة طعام الشيف بأكملها من خلال تذوق طبق واحد فقط.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة جنيف إطار عمل شاملاً لحل هذه المشكلة، مما يوفر طريقة موثوقة لاعتماد جودة أي ذاكرة كمومية. وينتقل عملهم إلى ما وراء فحص حالات محددة قليلة ليوفر رقمًا واحدًا واضحًا يمثل الجودة المتوسطة للذاكرة عبر جميع المدخلات الممكنة. وقد أثبتوا أنه من خلال اختبار مجموعة صغيرة مختارة بعناية من حالات المدخلات، يمكنهم حساب متوسط الأداء الدقيق للجهاز دون الحاجة إلى اختبار كل حالة ممكنة، وهو أمر مستحيل. يسمح هذا النهج لهم بتحديد ليس فقط ما إذا كانت الذاكرة تعمل، بل مدى قدرتها على الحفاظ على أبعاد المعلومات وقدرتها على نقل البيانات الكمومية. طبق الباحثون أساليبهم الجديدة على تجربة واقعية باستخدام بلورة صلبة مطعمة بأيونات الإيتربيوم، وهي نوع من الذاكرة التي تخزن الضوء في شكل نبضات زمنية. ووجدوا أن هذه الذاكرة المحددة يمكنها تخزين المعلومات الكمومية بدقة متوسطة بلغت 98.6% لمدة 10 ميكروثانية، و98.5% لمدة 125 ميكروثانية.

يعتمد جوهر هذا الأسلوب الجديد على مفهوم "التصميم 2" (2-design)، وهو مجموعة محددة من حالات الاختبار التي تمثل رياضياً جميع الحالات الممكنة. تخيل محاولة فهم متوسط لون قوس قزح شاسع ومستمر؛ اختبار كل درجة لون أمر مستحيل. بدلاً من ذلك، إذا اخترت مجموعة محددة وموزعة جيداً من الألوان تغطي الطيف بأكمله، يمكنك حساب متوسط لون قوس قزح بأكمله بدقة تامة. أظهر الباحثون أنه بالنسبة للذاكرات الكمومية، فإن مجموعة صغيرة من حالات الاختبار، مثل ستة اتجاهات محددة على كرة تمثل الحالات الممكنة للجسيم، تعمل كطقم ممثل لهذا الطيف. ومن خلال إعداد هذه الحالات، وإرسالها عبر الذاكرة، وقياس مدى تغيرها، يمكن للفريق حساب متوسط دقة القناة. وهذا الرقم يروي قصة أداء الذاكرة بطريقة مستقلة عن المنصة الفيزيائية المستخدمة، سواء كانت تعتمد على الضوء أو الذرات أو البلورات.

كما يتناول البحث الواقع العملي المتمثل في أن الذاكرات الكمومية ليست مثالية؛ فهي غالبًا ما تفقد بعض الإشارة بسبب العيوب التقنية. طور الباحثون تقنيات لفصل كفاءة الذاكرة (مدى نجاحها في تخزين الإشارة) عن دقتها (مدى جودة حفظها للمعلومات عند نجاحها). وأظهروا أنه حتى مع وجود بيانات محدودة أو معدات أقل من المثالية، فمن الممكن وضع حد أدنى لجودة الذاكرة. لقد قدموا "شهوداً" (witnesses)، وهي اختبارات أبسط تستخدم حالات أقل، مثل حالتين أو أربع حالات فقط، والتي يمكنها مع ذلك ضمان عمل الذاكرة فوق عتبة معينة. ورغم أن هذه الاختبارات الأبسط قد تقلل قليلاً من الأداء الحقيقي، إلا أنها توفر طريقة قوية وفعالة لاعتماد أن الجهاز يعمل كقناة كمومية حقيقية، قادرة على الحفاظ على الارتباطات المعقدة المطلوبة للشبكات المستقبلية.

ولإثبات القيمة العملية لإطار عملهم، طبق الفريق هذه الأساليب على تجربة ذاكرة كمومية صلبة الحالة. في هذا الإعداد، قام مصدر بتوليد أزواج من الفوتونات المتشابكة، حيث يعمل أحد الفوتونات كإشارة للإعلان عن وصول الآخر. تم إرسال الفوتون الثاني، الذي يحمل المعلومات الكمومية المشفرة في زمن وصوله، إلى الذاكرة البلورية. قامت الذاكرة بتخزين الفوتون لمدة مبرمجة قبل إطلاقه. ثم قام الباحثون بقياس الفوتون لمعرفة مدى مطابقته لحالته الأصلية. وباستخدام بروتوكول الحالات الست الخاص بهم، والذي يمثل الاختبار الأكثر دقة، أكدوا دقة متوسطة بلغت 98.6% لوقت تخزين قدره 10 ميكروثانية، و98.5% لمدة 125 ميكروثانية. كانت هذه النتائج متسقة عبر أوقات التخزين المختلفة، مما يشير إلى أن الذاكرة نفسها لم تسبب ضوضاء كبيرة، حتى مع انخفاض كفاءة استعادة الفوتون من 16.6% إلى 3.65% خلال المدة الأطول.

وبعيداً عن مجرد قياس مدى عمل الذاكرة، أظهر الباحثون أن مقياس الدقة الخاص بهم يكشف عن خصائص أعمق للجهاز. فقد أثبتوا أن درجة الدقة العالية تضمن أن الذاكرة ليست "كاسرة للتشابك" (entanglement-breaking)، مما يعني أنه لا يزال بإمكانها تخزين ونقل الحالات المتشابكة، وهو أمر ضروري للشبكات الكمومية. علاوة على ذلك، ربطوا الدقة بالسعة الكمومية للذاكرة، وهي مقياسة توضح مقدار المعلومات الكمومية التي يمكن للجهاز نقلها في كل استخدام. وأظهر تحليلهم أن الذاكرة في تجربتهم كانت تمتلك سعة كمومية تبلغ حوالي 81.9% من الحد الأقصى المثالي لوقت التخزين البالغ 10 ميكروثانية. ويسمح هذا الربط للعلماء بالتنبؤ بإمكانات الذاكرة للمهام المعقدة بناءً على رقم واحد سهل القياس.

يمتد إطار العمل أيضاً ليشمل السيناريوهات التي لا تكون فيها معدات القياس موثوقة أو مشخصة بالكامل. في العديد من التطبيقات الواقعية، تكون الأجهزة المستخدمة لقراءة مخرجات الذاكرة معقدة وصعبة المعايرة. طور الباحثون نهجاً "شبه مستقل عن الجهاز" (semi-device-independent) يسمح بالاعتماد حتى عندما يتم التعامل مع جهاز القياس كصندوق أسود غير معروف. ومن خلال الاعتماد فقط على إحصائيات حالات المدخلات والنتائج النهائية، تمكنوا من اشتقاق حد أدنى لدقة الذاكرة. وفي بياناتهم التجريبية، نجحت هذه الطريقة الأكثر تحفظاً في اعتماد دقة بلغت 96.8%، مما أثبت أن الأداء العالي للذاكرة قوي حتى عند مراعاة عدم اليقين في عملية القياس.

يوفر هذا العمل لغة موحدة لمقارنة أنواع مختلفة من الذاكرات الكمومية، من تلك القائمة على الأيونات المحتجزة إلى تلك التي تستخدم البلورات الصلبة. ومن خلال وضع معيار للاعتماد يكون صارماً وقابلاً للتطبيق تجريبياً في آن واحد، أزال الباحثون عائقاً كبيراً أمام تطوير الشبكات الكمومية. تسمح أساليبهم للمهندسين بتقييم ما إذا كان تصميم الذاكرة الجديد جاهزاً للدمج في نظام أكبر بسرعة، مما يضمن بقاء المعلومات الكمومية سليمة أثناء انتقالها من الماضي إلى المستقبل. إن التطبيق الناجح لهذه التقنيات على جهاز حقيقي صلب الحالة يثبت أن التخزين الكمومي عالي الدقة ليس مجرد إمكانية نظرية، بل هو واقع ملموس يمكن قياسه وفهمه وتحسينه بدقة.