Geodesic-based optimal control for leakage suppression in superconducting qubits
تقدم هذه الورقة طريقة تحكم أمثل قائمة على المسار الجيوديسي للبتات الكمومية فائقة التوصيل، والتي تُحسن بشكل كبير دقة البوابات وتكبح أخطاء التسرب لعمليات البت الواحد، بينما تحقق دقة أعلى لبوابات SWAP ثنائية البت على حساب أوقات تطور أطول قليلاً.
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
تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستحيلة حالياً على الأجهزة الكلاسيكية، لكنها هشة للغاية بطبيعتها. فاللبنات الأساسية لهذه الآلات، والتي تسمى الكيوبتات (qubits)، هي أنظمة دقيقة يمكن أن تضطرب بسهولة بفعل محيطها. وفي العديد من التصميمات الأكثر تقدماً، تُبنى هذه الكيوبتات من دوائر كهربائية متناهية الصغر تتصرف مثل الزنبركات المتذبذبة. ولجعلها تعمل كبتات للمعلومات، يستخدم العلماء فقط أدنى مستويين من مستويات الطاقة في هذه الدوائر، حيث يتم التعامل معهما كصفر وواحد. ولكن، نظرًا لأن هذه الدوائر ليست معزولة تماماً، يمكن للطاقة أن تدفع النظام عن طريق الخطأ إلى مستوى طاقة ثالث أعلى لم يكن مقصوداً استخدامه. يُعرف هذا القفز غير المرغوب فيه باسم "التسرب" (leakage). وعندما يتسرب الكيوبت إلى هذه الحالة الأعلى، فإنه يتوقف عن التصرف كبت طبيعي، وتضيع المعلومات التي يحملها أو تتعرض للتلف. ويعد إصلاح هذه المشكلة أمراً بالغ الأهمية، لأنه إذا تسربت الكيوبتات بشكل متكرر، فإن أكواد تصحيح الخطأ المعقدة اللازمة لتشغيل حاسوب كمومي مفيد ستفشل.
لقد طور فريق من الباحثين في مركز (VTT) للبحوث التقنية في فنلندا طريقة جديدة لتوجيه هذه الكيوبتات تقلل من هذا التسرب بشكل كبير. وقد ركزوا على طريقة تسمى "البحث عن المسار الجيوديسي تحت-الريماني" (sub-Riemannian geodesic search)، وهي في جوهرها تقنية رياضية لإيجاد المسار الأكثر كفاءة بين نقطتين على سطح منحني. وفي سياق التحكم الكمومي، يمثل "السطح" فضاء جميع الحالات التي يمكن أن يكون فيها النظام الكمومي، ويمثل "المسار" تسلسل إشارات التحكم المستخدمة لنقل النظام من نقطة بدايته إلى عملية مرغوبة. طبق الباحثون هذه الطريقة على نموذج واقعي لكيوبتين فائقين التوصيل متصلين بموصل قابل للضبط، وهو جهاز يسمح للكيوبتات بالتفاعل عند الحاجة. ومن خلال تشكيل النبضات الكهربائية التي تحرك الكيوبتات بعناية، وجدوا طريقة لأداء عمليات منطقية بدقة أعلى بكثير وتسرب أقل بكثير من الطرق السابقة، لا سيما عندما يجب إكمال العمليات بسرعة كبيرة.
اختبر الباحثون نهجهم على نوعين محددين من العمليات. كانت الأولى عبارة عن دوران بسيط لكيوبت واحد، يشبه قلب العملة، والثانية هي عملية تبديل (swap) لكيوبتين، حيث يتم تبادل حالات الكيوبتين. في اختبارات الكيوبت الواحد، قارنوا نبضاتهم الجديدة بالتقنيات القياسية المستخدمة حالياً في هذا المجال، مثل النبضات الغاوسية وطريقة تُعرف باسم (DRAG)، والمصممة لتصحيح التسرب. كانت النتائج مذهلة؛ فبالنسبة للنبضات القصيرة جداً، التي تستغرق حوالي 17 نانو ثانية، أنتجت طريقتهم الجديدة دقة بوابات (gate fidelities) شبه مثالية، حيث وصلت إلى 0.9996. والأهم من ذلك، أنها قللت من معدل أخطاء التسرب إلى مستوى يقتصر أساساً على الضوضاء الحرارية التي لا مفر منها في البيئة. وهذا يعني أنه بالنسبة لهذه العمليات السريعة، فإن الطريقة الجديدة هي أفضل ما يمكن أن يكون، حيث تفوقت على نبضات (DRAG) القياسية التي عانت للحفاظ على الدقة عند هذه المدد القصيرة.
وعندما انتقل الفريق إلى عملية التبديل الأكثر تعقيداً بين كيوبتين، كانت النتائج واعدة بنفس القدر، وإن كان مع وجود مقايضة طفيفة. فبدون أي تحكم خارجي، يمكن للتفاعل الطبيعي بين الكيوبتين إجراء عملية التبديل في حوالي 79.5 نانو ثانية، ولكن بدقة تبلغ حوالي 0.95 فقط. ومن خلال تطبيق نبضاتهم المحسنة، تمكن الباحثون من رفع الدقة إلى 0.9942. وقد جاء هذا التحسن على حساب تمديد وقت العملية بمقدار 6 نانو ثانية فقط، ليصل إجمالي المدة إلى 86 نانو ثانية. وبينما زاد معدل التسرب قليلاً مقارنة بالنسخة غير المتحكم بها، إلا أن المكسب في الدقة الإجمالية كان كبيراً. والجوهر هنا هو أن نبضات التحكم تعمل كعمليات تصحيح في الوقت الفعلي، حيث تقوم بضبط ترددات الكيوبتات بدقة أثناء حدوث عملية التبديل لضمان أن يكون التبادل نظيفاً ودقيقاً.
كان جزء حاسم من نجاح الباحثين هو كيفية تشكيل إشارات التحكم. في العديد من طرق التحكم الكمومي، تعمل النبضات الكهربائية وتتوقف بشكل مفاجئ. هذا التغيير المفاجئ يخلق انتشاراً واسعاً للترددات يمكن أن يحفز الكيوبتات عن طريق الخطأ إلى تلك الحالات الطاقية الأعلى غير المرغوب فيها. وتجبر الطريقة الجديدة النبضات على الصعود والهبوط بسلاسة، بحيث تبدأ وتنتهي بسعة صفرية. هذا الانسياب يمنع الانتشار الواسع للترددات، مما يبقي الكيوبتات مركزة على الانتقال المقصود. وقد حقق الباحثون ذلك من خلال تعديل بحثهم الرياضي ليشمل قيداً محدداً يضمن أن تكون النبضات لطيفة في البداية والنهاية. ووجدوا أن هذه السلاسة كانت ضرورية لتقليل الأخطاء، خاصة عندما يتعين إكمال العمليات في جزء من الميكروثانية.
أُجريت الدراسة من خلال محاكاة عددية مفصلة بناءً على المعلمات الفيزيائية للحواسيب الكمومية فائقة التوصيل الحقيقية، وتحديداً تلك التي طورتها شركة (IQM). قام الفريق بنمذجة الكيوبتات بافتراض وجود ثلاثة مستويات طاقة لمراعاة إمكانية حدوث التسرب، كما شملوا تأثيرات التبديد الحراري، وهو الفقد الطبيعي للطاقة في البيئة. وبينما تقتصر النتائج حالياً على هذه المحاكاة، إلا أنها توفر أساساً نظرياً قوياً للتجارب المستقبلية. وأشار الباحثون إلى أن التحدي الرئيسي للتطبيق العملي سيكون قدرة المعدات الإلكترونية الحالية على توليد هذه النبضات الدقيقة والسلسة بالدقة المطلوبة. ومع ذلك، تشير النتائج إلى أنه إذا استطاعت الأجهزة مواكبة ذلك، فإن هذا النهج القائم على المسارات الجيوديسية يمكن أن يصبح أداة قياسية لبناء حواسيب كمومية أكثر موثوقية، مما يوفر وسيلة لأداء عمليات سريعة وعالية الدقة دون عقوبة فقدان المعلومات بسبب التسرب.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.