Dynamically protected erasure qubit via low-frequency charge driving

في السباق لبناء حاسوب كمي عملي، يواجه العلماء مفارقة مستعصية؛ فمن أجل إجراء الحسابات، يتعين عليهم التحكم في البتات الكمية الدقيقة، أو ما يُعرف بـ "الكيوبتات" (qubits)، بدقة متناهية. ومع ذلك، فإن فعل التحكم نفسه غالباً ما يؤدي إلى إدخال الضجيج الذي يدمر المعلومات التي تحملها. يأتي هذا الضجيج غالباً من البيئة في شكل تقلبات كهربائية منخفضة التردد، وهو طنين خلفي يكاد يكون من المستحيل القضاء عليه في المواد الصلبة. لسنوات طويلة، حاول الباحثون حماية الكيوبتات الخاصة بهم من هذا التداخل، غالباً عن طريق تصميمها لتكون أقل حساسية للشحنة. ومع ذلك، فإن هذا النهج عادة ما يأتي بتكلفة: فهو يجعل الكيوبتات أبطأ في التحكم أو أصعب في الربط مع بعضها البعض. لقد كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لحماية المعلومات الكمية من هذا الضجيج منخفض التردد دون التضحية بالسرعة والقدرة على الاتصال المطلوبة للحوسبة المعقدة.

وجد فريق من الباحثين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ومؤسسات متعاونة، حلاً ذكياً من خلال تغيير كيفية تحريك النظام. فبدلاً من محاولة حجب الضجيج أو جعل الكيوبتات محصنة تماماً، استخدموا دفعاً كهربائياً قوياً وسريعاً لتثبيت الكيوبتات في مكانها فعلياً، وهي تقنية تُعرف باسم "قفل المغزل" (spin-locking). وقد أثبتوا ذلك باستخدام نوع معين من الدوائر فائقة التوصيل يسمى "متذبذب كير" (Kerr oscillator)، والذي يعمل كبت كمي. ومن خلال تطبيق دفع شحنة بتردد يقل قليلاً عن واحد جيجاهرتز، اكتشفوا خاصية فريدة: تصبح الدائرة "عمياء" تقريباً تجاه الضجيج منخفض التردد البطيء الذي يسبب الأخطاء عادةً، بينما تظل شديدة الاستجابة لإشارات الدفع السريعة اللازمة للعمليات. سمح هذا النهج بإعادة ضبط كيوبتاتهم في غض_ن 82 نانو ثانية فقط، وتبريدها إلى حالة تحتوي على أقل من 0.7 في المائة من الطاقة غير المرغوب فيها التي تظل عالقة عادة في هذه الأنظمة. علاوة على ذلك، ومن خلال تشفير بت منطقي واحد عبر اثنين من هذه المتذبذبات، أنشأوا "كيوبتاً ذا مسار مزدوج" (dual-rail qubit) منحازاً بشكل طبيعي لنوع معين من الأخطاء. وهذا يعني أنه عندما يحدث خطأ، فمن المرجح جداً أن يكون "خطأ محواً" (erasure error) يمكن اكتشافه، بدلاً من كونه فساداً صامتاً للبيانات، وهو تمييز يجعل تصحيح الأخطاء أسهل بكثير.

يكمن جوهر هذا الاختراق في كيفية تفاعل تردد إشارة الدفع مع الدائرة. وجد الباحثون أن حساسية المتذبذب الكمي لديهم تجاه ضجيج الشحنة لا تظل ثابتة؛ بل تزداد بسرعة مع زيادة تردد الدفع. وتحديداً، تتناسب الحساسية مع مربع كل من تردد الدفع وقوته. هذه العلاقة حاسمة لأن الضجيج الضار في بيئتهم يتبع نمطاً تكون فيه الترددات المنخفضة أقوى بكفثير من الترددات العالية. ومن خلال دفع النظام عند تردد قريب من واحد جيجاهرتز، دفع الباحثون النظام إلى منطقة يكون فيها مرتبطاً بقوة بإشارات التحكم الخاصة بهم، بينما يظل غير حساس بشكل ملحوظ للضجيج منخفض التردد الذي يعاني منه هذه الأجهزة عادةً. وقد تحققوا من ذلك بقياس كيفية تغير مستويات الطاقة للمتذبذب تحت ظروف دفع مختلفة، ملاحظين أن الإزاحة تزداد تربيعياً مع معاملات الدفع. أكد هذا أن النظام يقوم فعلياً بتصفية التقلبات البطيئة والمزعجة مع البقاء منفتحاً على الأوامر السريعة والمفيدة.

لإثبات أن هذا المفهوم يعمل في الممارسة العملية، ركز الفريق أولاً على المهمة الأساسية المتمثلة في إعادة ضبط البت الكمي. في الحوسبة الكمية، يعد البدء بصفحة بيضاء أمراً ضرورياً، لكن الطاقة الحرارية غالباً ما تترك النظام في حالة مختلطة. وباستخدام دفع الشحنة منخفض التردد، تمكنوا من نقل الطاقة بسرعة من البت الكمي إلى رنان فاقد للطاقة (lossy resonator)، مما أدى فعلياً إلى التخلص من الحرارة. استغرقت هذه العملية 82 نانو ثانية فقط، وقللت تعداد الحالات المثارة إلى أقل من 0.7 في المائة. كانت هذه النتيجة مهمة لأنها كانت أقل من التوازن الحراري الطبيعي للنظام، الذي استقر عند 2.5 في المائة. أظهرت سرعة وكفاءة عملية إعادة الضبط هذه أن الدفع يمكنه التلاعب بالنظام بدقة عالية دون إدخال الأخطاء الزائدة التي تصاحب عادة مثل هذه العمليات السريعة.

وبناءً على ذلك، قام الباحثون بتشفير كيوبت منطقي باستخدام متذبذبين، مما خلق ما يعرف بالكيوبت ذي المسار المزدوج. في هذا الإعداد، تُخزن المعلومات في وجود فوتون واحد مشترك بين الدائرتين. إذا فقدت إحدى الدائرتين فوتونها، فإن النظام يسقط في الحالة الأرضية التي يسهل اكتشافها، بدلاً من تشويه المعلومات إلى حالة مجهولة. هذه الخاصية، التي تسمى "انحياز المحو" (erasure bias)، مرغوبة للغاية لأنها تحول الخطأ الصعب الاكتشاف إلى فشل معروف يمكن استبعاده أو تصحيحه. أظهر الفريق أن مخطط الحماية الديناميكية قد عزز هذا الانحياز بمقدار أربعة أضعاف. وعندما أجروا تسلسلات عشوائية من العمليات المنطقية، المعروفة باسم بوابات كليفورد (Clifford gates)، تم قياس معدل الخطأ لكل بوابة عند 5.6 × 10⁻⁴. وبعد تصفية المرات التي تم فيها اكتشاف عملية محو، انخفض معدل الخطأ بشكل أكبر إلى 1.5 × 10⁻⁴. تحققت هذه الأرقام مع أوقات بوابة تبلغ 25 نانو ثانية فقط، مما يشير إلى أن آلية الحماية لا تبطئ عملية الحوسبة.

يشير نجاح هذه التجربة إلى إمكانية التغلب على المقايضة بين الحماية من الضجيج وسرعة التشغيل من خلال استغلال الاعتماد الترددي لاستجابة النظام. وأشار الباحثون إلى أنه بينما يظل معدل الخطأ الخام محدوداً حالياً بالعمر الطبيعي للمتذبذبات، فإن إمكانية التحسين كبيرة. وأوضحوا أن الإعداد الحالي يستخدم فحصاً واحداً فقط في نهاية التسلسل لاكتشاف عمليات المحو. ومن خلال إضافة متذبذب ثالث ليعمل كعنصر مساعد (ancilla) لإجراء فحوصات منتصف الدائرة، يتوقعون أن تنخفض معدلات الخطأ بشكل أكبر، مما قد يحل المشكلات المتعلقة بالحالات التي ينهار فيها النظام ثم يسخن مرة أخرى. يوفر هذا العمل مساراً واضحاً لاستخدام دفعات الشحنة دون تردد جيجاهرتز الواحد لحماية المعلومات الكمية، مما يوفر طريقة قوية لبناء معالجات عالية الدقة يمكنها العمل بفعالية في البيئة الصاخبة لرقاقة الحالة الصلبة. وتؤكد النتائج أن الحماية الديناميكية ليست مجرد إمكانية نظرية، بل هي أداة عملية يمكن دمجها في البنى التحتية فائقة التوصيل الحالية لتعزيز أدائها وموثوقيتها.