High-fidelity and robust controlled-Z gates for superconducting transmon qubits. II. System-parameter uncertainties and overall errors

في السباق لبناء آلة يمكنها حل مشكلات تفوق قدرة أقوى الحواسيب اليوم، يتجه العلماء إلى تقنية تعتمد على القواعد الغريبة لميكانيكا الكم. وفي قلب هذا الجهد، توجد دوائر صغيرة مصنوعة من معدن فائق التوصيل، مبردة إلى درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء. تعمل هذه الدوائر كذرات اصطناعية، تُعرف باسم الكيوبتات (qubits)، والتي يمكنها حمل المعلومات في حالة من التراكب، حيث توجد في حالات متعددة في آن واحد. ولجعل هذه الآلات مفيدة، يجب أن تتواصل الكيوبتات مع بعضها البعض، وتؤدي عمليات منطقية تربط حالاتها معاً. ومن أهم هذه العمليات هي "بوابة" تقوم بقلب حالة كيوبت واحد فقط إذا كان شريكه في حالة محددة، وهي عملية تُعرف باسم بوابة (controlled-Z). ولكي تعمل الحواسيب الكمومية بشكل موثوق، يجب أن تكون هذه البوابات سريعة للغاية ودقيقة للغاية. ومع ذلك، فإن العالم المادي فوضوي؛ فالمواد المستخدمة في بناء هذه الدوائر ليست مثالية أبداً، والبيئة ليست ساكنة تماماً. إن الاختلافات الطفيفة في كيفية تصنيع الكيوبتات، أو الانزياحات الطفيفة في تردداتها بمرور الوقت، يمكن أن تؤدي إلى فشل البوابة. وإذا كان الحاسوب يتطلب معرفة مثالية بكل مكون بمفرده ليعمل، فسيكون من المستحيل التوسع إلى آلاف الكيوبتات اللازمة للتطبيقات الواقعية. لذا، لا يكمن التحدي في بناء بوابة سريعة فحسب، بل في بناء بوابة قوية بما يكفي لتستمر في العمل حتى عندما تكون الأجهزة غير مثالية قليلاً أو تتغير الظروف.

لقد طور فريق من الباحثين استراتيجية جديدة لحل هذه المشكلة، حيث ابتكروا طريقة لتصميم هذه البوابات الكمومية بحيث يمكنها الصمود أمام الشكوك الحتمية في العالم المادي. وفي دراسة مصاحبة، تمكنوا بالفعل من تحديد كيفية جعل هذه البوابات سريعة ومقاومة للضوضاء العشوائية الناتجة عن البيئة. وفي هذا العمل الجديد، وجهوا اهتمامهم إلى الجانب الآخر من المشكلة: عدم اليقين في الأجهزة نفسها. وتساءلوا عما يحدث إذا لم تكن قوة الاتصال بين اثنين من الكيوبتات هي بالضبط ما ظنه المهندسون، أو إذا كانت الترددات الطبيعية للكيوبتات بعيدة قليلاً عن دقتها بسبب اختلافات التصنيع. ووجدوا أن هذه الأخطاء تقع في فئتين متميزتين، تتطلب كل منهما نوعاً مختلفاً من الدفاع. يأتي أحد أنواع الخطأ من قوة الرابط بين الكيوبتات، بينما يأتي النوع الآخر من الأخطاء في مستويات الطاقة الخاصة بالكيوبتات نفسها. ومن خلال معالجة هذين المشكلتين بشكل منفصل، صمم الفريق نبضات تحكم — وهي تسلسلات دقيقة من الإشارات المغناطيسية — يمكنها تحييد كلا النوعين من الأخطاء في وقت واحد.

اكتشف الباحثون أن الأخطاء المتعلقة بقوة الاتصال يمكن كبحها عن طريق تعديل تردد الكيوبتات بسرعة. تخيل هز جسم ثقيل ذهاباً وإياباً بسرعة كبيرة لمنعه من الاستقرار في وضع قد يجعله ينقلب؛ وبالمثل، من خلال تذبذب ترددات الكيوبت، يقوم النظام فعلياً بمتوسط الأخطاء الناتجة عن قوة اتصال غير دقيقة. هذه التقنية، المعروفة باسم "فك الارتباط الديناميكي" (dynamical decoupling)، سمحت لهم بتقليل الخطأ الناتج عن عدم يقين الاقتران إلى مستوى 6.21 × 10⁻⁷ لبوابة تستغرق 30 نانو ثانية لإكمالها. وهذا يمثل تحسناً هائلاً مقارنة بالطرق القياسية، التي ستفشل في ظل نفس الظروف. ومع هذه الاستراتيجية، يمكن للبوابة أن تتحمل تغيرات في قوة الاتصال تصل إلى 2π × 4 ميجاهرتز مع الحفاظ على مستوى عالٍ من الدقة. وهذا يعني أن المهندسين ليسوا بحاجة إلى قياس الاتصال بين كل زوج من الكيوبتات بدقة متناهية، ولا يحتاجون إلى إعادة معايرة النظام باستمرار مع انزياح الأجهزة.

تطلب النوع الثاني من الخطأ، الناجم عن عدم اليقين في مستويات طاقة الكيوبتات، نهجاً مختلفاً. فبدلاً من هز النظام، وجد الباحثون "نقطة مثالية" تعمل عندها البوابة. لقد حددوا نقطة يكون فيها "الانزياح" (detuning)، أو الفرق في التردد بين الكيوبتات، متوازناً بطريقة تجعل البوابة غير حساسة للتحولات الطفيفة في الطاقة. ومن خلال العمل بالقرب من هذه النقطة المتماثلة، تصبح البوابة مقاومة طبيعياً للأخطاء في "اللانمطية" (anharmonicity) وترددات التدفق الصفري للكيوبتات. وبالنسبة لبوابة مدتها 24 نانو ثانية، تسمح هذه الطريقة للنظام بتحمل حالات عدم اليقين الفردية التي تصل إلى 2π × 5 ميجاهرتز في هذه المعلمات. ويعد هذا الاكتشاف أمراً حاسماً لأنه يوضح أنه من خلال اختيار نقطة التشغيل المناسبة، يمكن للبوابة أن تظل دقيقة حتى لو لم يتم توصيف الأجهزة بدقة تامة.

لم يتوقف الفريق عند النظر في هذه الأخطاء بشكل منعزل. فقد دمجوا استراتيجيات المتانة الجديدة مع عملهم السابق على الضوضاء وفقدان الترابط لمحاكاة كيفية أداء هذه البوابات عبر ست مراحل مختلفة من تحسن الأجهزة. لقد تخيلوا مستقبلاً تصبح فيه المواد أفضل، والضوضاء أقل، وعدم اليقين أصغر. في المراحل الأولى، حيث تكون الأجهزة أكثر ضجيجاً وأقل استقراراً، فإن أفضل استراتيجية هي جعل البوابة سريعة قدر الإمكان، حتى لو كانت أقل متانة قليلاً، لأن الوقت الذي تقضيه في العمل يعرض النظام للكثير من الضوضاء البيئية. ومع ذلك، مع تحسن الأجهزة وانخفاض الضوضاء، يتغير التوازن. ووجد الباحثون أنه في المراحل الأكثر تقدماً، يصبح من الأفضل تخصيص وقت أطول لتشغيل بوابة أطول وأكثر متانة. وفي المرحلة الأكثر تقدماً التي نظروا فيها، حيث تكون الأجهزة رفيعة المستوى، حققت بوابتهم المحسنة خطأً ذاتياً قدره 1.93 × 10⁻⁸ وخطأً إجمالياً قدره 4.55 × 10⁻⁶. وعند هذا المستوى، تقتصر الأخطاء المتبقية بشكل أساسي على الفقد الطبيعي لطاقة الكيوبتات، وهو حد فيزيائي جوهري.

يوفر هذا العمل خارطة طريق عملية لبناء معالجات كمومية واسعة النطاق. فهو يوضح أنه من خلال هندسة نبضات التحكم لتكون أقل حساسية بطبيعتها لتباين المعلمات، يمكن للعلماء تقليل عبء المعايرة. فبدلاً من الحاجة إلى قياس وضبط كل مكون بدقة متناهية، وهو أمر يصبح مستحيلاً مع نمو عدد الكيوبتات إلى الآلاف، يمكن تصميم النظام ليعمل بشكل جيد عبر مجموعة من الظروف. والنتيجة هي بوابات أسرع، وأكثر دقة، وأكثر تسامحاً مع عيوب التصنيع الواقعية. ومن خلال الموازنة بين السرعة، والدقة، والمتانة، يوفر هذا الإطار مساراً للمضي قدماً لجعل الحواسيب الكمومية ليست مجرد احتمالات نظرية، بل أدوات عملية يمكن صيانتها وتشغيلها بموثوقية.