Photon-stimulated decay of $χ$-matched ancillas causes unheralded bit flips in bosonic codes

في السعي لبناء حاسوب كمي يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرات الآلات الكلاسيكية، يواجه العلماء عدوًا لا يلين: الضجيج. فالمعلومات الكمية هشة للغاية، وتتشتت بسهولة بفعل أدنى اهتزاز أو تقلب في بيئتها. ولحماية هذه البيانات الدقيقة، طور الباحثون استراتيجية تسمى تصحيح الخطأ. فبدلاً من محاولة جعل المكونات الفيزيائية مثالية، يقومون بنشر قطعة واحدة من المعلومات، تُعرف باسم "الكيوبت المنطقي"، عبر العديد من المكونات الفيزيائية. وإذا فشل جزء واحد، يمكن للنظام اكتشاف الخطأ وإصلاحه دون تدمير المعلومات. ويستخدم أحد النهج الواعدة ضوءًا محبوسًا داخل تجويف ميكروويفي، حيث يتم تخزين البيانات في عدد الفوتونات، أو جسيمات الضوء، التي ترتد داخل التجويف. وللتحقق مما إذا كانت البيانات لا تزال آمنة، يحتاج النظام إلى مساعد، وهو جهاز كمي صغير يسمى "الأنصيل" (ancilla)، والذي يعمل كمستشعر لقراءة حالة الضوء دون لمسه مباشرة.

لسنوات، اعتمد المهندسون على نوع محدد من المساعدين، وهو دائرة فائقة التوصيل تُعرف باسم "ترانسمون" (transmon)، تم ضبطها بحيث تتوافق مستويات طاقتها مع الضوء بطريقة دقيقة للغاية. وكان يُعتقد أن هذا التطابق يمثل درعًا مثاليًا. وقد ذهبت النظرية إلى أنه إذا ارتكب المساعد خطأً وانتقل إلى حالة طاقة أدنى، فسيعرف النظام ذلك فورًا ويمكنه تصحيحه، أو أن بعض الأخطاء الخطيرة مستحيلة فيزيائيًا بسبب قواعد التماثل التي تحكم النظام. وقد استُخدم هذا التصميم في معالجات كمية حقيقية، مثل كود التكرار "أوسيلوت" (Ocelot) الذي طوره باحثون في AWS، حيث نجح في تخزين المعلومات لعدة ميلي ثانية. وكان الافتراض السائد هو أن أخطاء المساعد مستقلة عن كمية الضوء المخزن؛ فكلما زاد الضوء، زادت الحماية، وظل سلوك المساعد ثابتًا.

ومع ذلك، يشير تحليل جديد أجراه ألكسندر غلكانوف من جامعة رايس إلى أن هذا الدرع يحتوي على صدع خفي. فمن خلال النظر بدقة في كيفية تفاعل المساعد مع الضوء داخل التجويف، وجد الباحث أن الفوتونات ذاتها التي من المفترض أن تحمي البيانات يمكن أن تتسبب في نوع معين من الفشل للمساعد. وتظهر الدراسة أنه عندما يكون التجويف مليئًا بالفوتونات، يمكن للمساعد أن يخضع لانتقال كان يُعتقد سابقًا أنه محظور. في هذه العملية، يهبط المساعد إلى حالة طاقة أدنى بينما يضيف في الوقت نفسه فوتونًا إلى مجال الضوء. والأهم من ذلك، أن هذا الحدث يحدث دون أي إشارة تحذير للحاسوب. فلا يعرف النظام وقوع خطأ، ولأن حالة المساعد تتغير بطريقة تربك البيانات، فإنها تؤدي إلى قلب المعلومات المخزنة. هذا خطأ صامت، لا يمكن للحاسوب اكتشافه أو إصلاحه.

لم يكتف الباحثون باقتراح هذه الفكرة نظريًا فحسب، بل بنوا نموذجًا مفصلاً لجهاز "أوسيلوت" الفعلي لمعرفة كيف سيتصرف هذا المسار الخفي في آلة حقيقية. ووجدوا أن معدل هذه الأخطاء الصامتة يعتمد مباشرة على عدد الفوتونات في التجويف. ومع زيادة كمية الضوء المخزن، تزداد احتمالية وقوع هذا الفشل المحدد. ويمثل هذا اختلافًا جوهريًا عن النماذج السابقة، التي افترضت أن معدل الخطأ سيظل ثابتًا بغض النظر عن شدة الضوء. وفي عمليات المحاكاة التي أجراها الفريق، لاحظوا أنه بالنسبة لجهاز "أوسيلوت"، فإن فرصة حدوث "قلب للبت" (bit flip) ناتجة عن هذه الآلية تزدัง خطيًا مع ارتفاع عدد الفوتونات من أربعة إلى عشرة. وهذا النمو يعني أن مجرد إضافة المزيد من الضوء لجعل الكود أقوى سيصطدم في النهاية بحائط مسدود. فبدلاً من استمرار انخفاض معدل الخطأ بشكل أسي كما كان مأمولًا، يبدأ المعدل في الارتفاع، مما يخلق أرضية لا يمكن للنظام النزول تحتها.

يتحدى هذا الاكتشاف الفهم الحالي لكيفية تحسين هذه الأكواد الكمية. وتشير الدراسة إلى أن هناك حجمًا أمثل لتخزين الضوء، وهو عدد محدد من الفوتونات حيث يكون معدل الخطأ في أدنى مستوياته. وتجاوز هذه النقطة، عبر محاولة تخزين المزيد من الضوء للحصول على مزيد من الحماية، يجعل النظام أكثر عرضة لهذا النوع من الضجيج. وقد حسب الباحثون أنه بالنسبة للأجهزة المستخدمة حاليًا، قد يضع هذا الحد سقفًا لقدرة النظام على التمييز بين أنواع الأخطاء المختلفة، مما يحد فعليًا من أداء الحاسوب. كما أشاروا إلى أنه بينما يكون التأثير ضئيلاً في التجارب الحالية، التي اختبرت حتى أربعة فوتونات فقط، فإن الاتجاه واضح في نموذجهم. وإذا توسعت التكنولوجيا لتخزين المزيد من الضوء، فسيصبح نمط الفشل الصامت هذا المصدر المهيمن للأخطاء، متجاوزًا المشكلات المعروفة الأخرى.

كما تستعرض الورقة البحثية سبب حدوث ذلك؛ إذ يتضح أن المساعد والضوء ليسا مجرد شيئين متجاورين، بل هما مترابطان بعمق. فوجود الضوء يغير المشهد الطاقي للمساعد، مما يسمم مسارًا للتحلل كان مسدودًا عند غياب الضوء. وهذا المسار مدفوع بالضجيج الكهربائي، وهو "طنين خلفي" شائع في هذه الدوائر. وعندما يكون الضوء حاضرًا، فإنه يعمل كمحفز، مما يدفع المساعد للقيام بقفزة لم يكن ليقوم بها بمفرده. وأظهر الباحثون أن هذا التأثير لا يمكن تجنبه بالنسبة لنوع المساعد المستخدم حاليًا، بغض النظر عن مدى قوة الاتصال بين المساعد والضوء. والسبل الوحيدة لتقليل هذه المخاطر هي تغيير تصميم المساعد، أو استخدام نوع مختلف تمامًا من الدوائر، أو قبول وجود حد لكمية الضوء التي يمكن استخدامها للحماية.

للنتائج تداعيات فورية على تصميم الحواسيب الكمية المستقبلية. فالمهندسون الذين كانوا يخططون لزيادة حجم هذه الأكواد القائمة على الضوء لتحسين أدائها قد يحتاجون إلى إعادة النظر في استراتيجياتهم. وتشير الدراسة إلى أن الدفع نحو أكواد أكبر دون معالجة هذا التفاعل المحدد قد يؤدي إلى عوائد متناقصة أو حتى أداء أسوأ. ويؤكد الباحثون أن عملهم هو محاكاة تعتمد على الفيزياء المعروفة لجهاز "أوسيلوت"، ومعايرة مقابل القياسات الساكنة للأجهزة. وبينما لم يتم رصد نمو الأخطاء الفعلي في التجارب لأن الأجهزة الحالية لم تُختبر بعد بضوء كافٍ لرؤية هذا الاتجاه، إلا أن الإطار النظري قوي. ويتنبأ النموذج أنه إذا تم تمديد التجارب لتشمل أعدادًا أكبر من الفوتونات، فإن معدل الخطأ سيرتفع، مما يؤكد وجود هذا المسار الجديد.

في نهاية المطاف، يعد هذا العمل تذكيرًا بأنه في الأنظمة الكمية، يمكن للأدوات المستخدمة لحماية المعلومات أن تصبح أحيانًا مصدرًا لتدميرها. فالفوتونات التي تثبت الكود تفتح أيضًا بابًا لتسلل الضجيج. ومن خلال تحديد هذه الآلية، توفر الدراسة هدفًا واضحًا للتحسينات المستقبلية. فهي تخبر الباحثين أنه لبناء حواسيب كمية أفضل، يجب عليهم النظر إلى ما وراء الفكرة البسيطة القائلة بأن "المزيد من الضوء هو الأفضل"، والتركيز بدلاً من ذلك على الرقصة المعقدة بين المساعد والبيانات التي من المفترض أن يحميها. إن الطريق إلى الأمام يتطلب إما إعادة تصميم المساعد لتجنب هذا التفاعل، أو إيجاد طرق جديدة لإدارة الضجيج الذي يحركه، لضمان أن الجيل القادم من الآلات الكمية يمكنه حقًا تسخير قوة الضوء دون الوقوع ضحية لوجوده.