Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

في سعيها لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرات حواسيب اليوم، يتجه العلماء إلى شكل غريب وحساس من المادة: الدوائر فائقة التوصيل. هذه الدوائر عبارة عن حلقات معدنية تسمح للكهرباء بالتدفق دون أي مقاومة عندما تُبرد إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. داخل هذه الدوائر، يبتكر الباحثون ذرات اصطناعية تسمى "الكيوبتات" (qubits)، والتي تعمل كوحدات أساسية للمعلومات في الحواسيب الكمومية. وخلافًا للبتات (bits) في الحاسوب القياسي التي تكون إما صفرًا أو واحدًا، يمكن للكيوبت أن يوجد في مزيج من كلتا الحالتين في آن واحد. ومع ذلك، فإن هذه الكيوبتات هشة للغاية؛ فهي تتعرض لقصف مستمر من بيئتها، وحتى أصغر تفاعل يمكن أن يتسبب في فقدان معلوماتها، وهي عملية تُعرف باسم "فقدان الترابط" (decoherence). لسنوات، عمل المجتمع العلمي بلا كلل لحماية هذه الكيوبتات من محيطها، آملين في إطالة الوقت الذي يمكنها فيه الاحتفاظ بحالتها الكمومية. وكان الاعتقاد السائد هو أنه كلما أصبحت الكيوبتات أكثر استقرارًا، فإن الخلفية الضوضائية لبيئتها ستصبح هادئة بما يكفي لتجاهلها في النهاية.

وقد تحدى فريق من الباحثين في معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا هذا الافتراض عبر اكتشاف أن بيئة الدائرة فائقة التوصيل أكثر استمرارًا مما توقعه الجميع. وباستخدام نوع متخصص من الدوائر فائقة التوصيل يُعرف باسم "ترانسمون" (transmon)، والمصنوع من معدن التانتالوم والمبرد إلى درجات حرارة قصوى، بحث العلماء عن مصادر خفية للضوضاء التي قد تتداخل مع الكيوبتات الخاصة بهم. كانوا يبحثون عن "الأنظمة ثنائية المستوى" (two-level systems)، وهي عيوب صغيرة في المادة يمكن أن تعمل كمفاتيح مصغرة، حيث تتبدل بين حالتين وتسرق الطاقة من الكيوبت. وبينما كانت هذه العيوب معروفة منذ فترة، وجد الباحثون شيئًا استثنائيًا: فئة محددة من هذه العيوب يمكنها الاحتفاظ بالطاقة لأكثر من ثانية واحدة. وهذا وقت مذهل في العالم الكمومي، حيث تفقد الكيوبتات حالتها عادةً في جزء من الملي ثانية.

ولإيجاد هذه العيوب المراوغة، استخدم الباحثون تقنية تسمى "مطيافية ارتباط القفزة الكمومية" (quantum-jump correlation spectroscopy). تخيل الاستماع إلى نوتة موسيقية واحدة تُعزف على كمان في غرفة هادئة؛ إذا توقفت النوتة فجأة، فقد تتساءل أين ذهب الصوت. في هذه التجربة، الكيوبت هو الكمان، ويراقب الباحثون اللحظة التي يتوقف فيها عن الاهتزاز، أو "يقفز لأسفل" إلى حالة طاقة أدنى. عادةً، عندما يفقد الكيوبت طاقته، تختفي تلك الطاقة للأبد في البيئة المحيطة. ومع ذلك، لاحظ الفريق أنه في بعض الأحيان، بعد أن يفقد الكيوبت فوتونًا من الطاقة، تعود هذه الطاقة إلى الكيوبت بعد تأخير قصير. هذا العودة للطاقة تشير إلى أن البيئة لم تمتص الطاقة ببساطة، بل قامت بتخزينها مؤقتًا في حالة طويلة الأمد قبل إعادتها. ومن خلال تتبع هذه الأحداث بدقة، تمكن الباحثون من عزل ثلاثة عيوب محددة كانت تحتفظ بالطاقة لفترات تتراوح من مئات الملي ثانية إلى أكثر من ثانية واحدة.

ثم صمم الباحثون طريقة جديدة لقياس المدة التي يمكن لهذه العيوب فيها الاحتفاظ بطاقتها بدقة. استخدموا استراتيجية "الضخ والتحري" (pump-probe)، والتي تضمنت أولاً استثارة العيب لملئه بالطاقة ثم الانتظار لمعرفة المدة التي ستتسرب خلالها هذه الطاقة. ومن خلال ضبط تردد الكيوبت ليكون مختلفًا قليلاً عن تردد العيب، تمكنوا من التحكم في مدى قوة تفاعلهما. وعندما كان التفاعل ضعيفًا، وجدوا أن العيوب احتفظت بطاقتها لفترات طويلة بشكل ملحوك. في الواقع، بالنسبة لعيوب اثنين من الذين درسوهم، ظلت الطاقة مخزنة لأكثر من ثانية واحدة. وهذا أطول بعدة مراتب من عمر الكيوبت نفسه، الذي يستمر عادةً حوالي مائة ميكروثانية فقط. إن حقيقة قدرة هذه العيوت على تخزين الطاقة لهذه المدة الطويلة تشير إلى أنها معزولة بشكل استثنائي عن بقية العالم، مما يجعل اكتشافها صعبًا للغاية باستخدام أدوات القياس القياسية.

قدمت الدراسة أيضًا أدلة حول ماهية هذه العيوب. قارن الباحثون قياساتهم بنموذج قياسي يُستخدم لوصف كيفية تحرك الذرات أو الجزيئات بين موضعين في مادة صلبة. يشير هذا النموذج إلى أن العيوب التي تتحرك ببطء شديد وتتفاعل بضعف شديد مع محيطها يجب أن تمتلك أعمارًا طويلة جدًا. وقد طابقت بيانات التجربة هذا التنبؤ تمامًا، مما يشير إلى أن هذه العيوب طويلة الأمد هي على الأرجح عيوب هيكلية صغيرة في المادة تنتقل، أو تتحرك، بين موضعين ببطء شديد. وبينما لا يستطيع الباحثون تحديد الطبيعة الكيميائية أو الفيزيائية الدقيقة لهذه العيوب بعد، إلا أن الأدلة تشير بعيدًا عن الاحتمالات الأخرى، مثل الشوائب المغناطيسية أو الجسيمات المحتجزة، والتي ستتصرف بشكل مختلف. إن التفاعل الضعيف بين الكيوبت وهذه العيوب، والذي تم قياسه في نطاق بضعة آلاف من الدورات في الثانية، يتوافق مع فكرة أنها عيوب موضعية موصوفة بهذا النموذج القياسي.

يغير هذا الاكتشاف كيفية رؤية العلماء لبيئة الحواسيب الكمومية. سابقًا، كان يُعتقد أنه كلما أصبحت الكيوبتات أفضل، فإن الضوضاء المتبقية ستكون قصيرة الأمد وسهلة الإدارة. أما الآن، فيبدو أن الضوضاء الأكثر استمرارًا تأتي من هذه العيوب طويلة الأمد التي يمكنها تخزين الطاقة لثوانٍ. وهذا له تداعيات مهمة على مستقبل تصحيح الخطأ الكمومي، وهو الأسلوب المستخدم لإصلاح الأخطاء في الحسابات الكمومية. فإذا كانت البيئة "تتذكر" حالة الكيوبت لفترة طويلة، فيمكنها خلق أنماط معقدة من الأخطاء يصعب التنبؤ بها أو تصحيحها. ومع ذلك، يرى الباحثون جانبًا إيجابيًا محتملاً؛ فبما أن هذه العيوب يمكنها الاحتفاظ بالمعلومات الكمومية لفترة طويلة جدًا، فقد تُستخدم يومًا ما كشكل من أشكال الذاكرة داخل الدائرة الكمومية. ويقترح الباحثون أنه بينما يستمر العلماء في تحسين جودة الكيوبتات الخاصة بهم، فمن المرجح أن يواجهوا المزيد من هذه العيوب طويلة الأمد، تمامًا مثل تلسكوب بـعدسات أفضل يكشف عن نجوم أخفت في السماء ليلاً.

إن العمل المعروض في هذه الورقة البحثية يؤسس لإطار جديد لفهم العالم المجهري داخل الدوائر فائقة التوصيل. فهو يثبت أن هذه الدوائر يمكن أن تعمل كمجسات حساسة للكشف عن درجات الحرية المجهرية التي تستمر لثوانٍ، وهو مقياس زمني كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل في هذا السياق. وبينما تظل الطبيعة الدقيقة لهذه العيوب موضوعًا لمزيد من البحث، فإن القدرة على قياس أعمارها وقوة اقترانها توفر خطوة حاسمة نحو التحكم فيها. وسواء تم النظر إلى هذه الأنظمة طويلة الأمد كإزعاج يجب القضاء عليه أو كمورد يمكن تسخيره، فإن وجودها يغير بشكل جذري مشهد التكنولوجيا الكمومية. لقد فتح الباحثون بابًا أمام طبقة خفية من البيئة الكمومية، طبقة هادئة، ومستمرة، ومليئة بالإمكانات لكل من التحدي والاكتشاف.