Demonstrating RFSoC-based Control of a Fully Connected Exchange-Only Qubit

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشكلات مستعصية حالياً حتى على أقوى الحواسيب الفائقة، لكن بناءها يتطلب عملية توازن دقيقة. وفي قلب العديد من هذه الآلات توجد جسيمات متناهية الصغر تسمى الإلكترونات، والتي يمكن حجزها في هياكل مجهرية تُعرف بالنقاط الكمومية. تعمل هذه النقاط كذرات اصطناعية، حيث تحجز الإلكترونات في مكانها ليتم استخدامها كبتات (bits) للمعلومات. ولا يكمن التحدي الذي يواجه العلماء في مجرد إنشاء هذه النقاط، بل في التحكم بها. فمن أجل جعل الحاسوب الكمومي يعمل، يجب على الباحثين إرسال إشارات كهربائية دقيقة للغاية إلى هذه النقاط للتحكم في الإلكترونات وقراءة حالتها. ولسنوات طويلة، كانت المعدات اللازمة للقيام بذلك باهظة الثمن ويصعب تخصيصها، حيث كانت تكلف غالباً مئات الآلاف من الدولارات وتجبر المستخدمين على الارتباط بأنظمة مملوكة ومقيدة. وقد أدى هذا الارتفاع في التكلفة وعدم المرونة إلى إبطاء التقدم، مما ترك العديد من المختبرات البحثية غير قادرة على التجربة بحرية مع التصاميم الأكثر واعدة.

لقد أثبت فريق من الباحثين في مختبرات "إتش آر إل" (HRL Laboratories) الآن طريقة لكسر هذا الاختناق باستخدام نظام تحكم جديد ومنخفض التكلفة مبني على شريحة صُممت في الأصل للاتصالات اللاسلكية. وقد نجحوا في استخدام هذا النظام للتحكم في نوع محدد من البتات الكمومية المكونة من ثلاث نقاط كمومية مرتبة في شكل مثلث. ومن خلال إثبات أن هذا الإعداد منخفض التكلفة يمكنه تنفيذ عمليات معقدة وعالية السرعة بنفس دقة المعدات التجارية الباهظة، فتح الفريق الباب أمام المزيد من العلماء لبناء واختبار هذه الأجهزة. كما كشف عملهم عن مصدر خفي للضوضاء الكهربائية في إعدادهم، مما يوضح كيف يمكن استخدام النظام الجديد ليس فقط للتحكم في البتات الكمومية، بل لتشخيص وإصلاح الإلكترونيات التي تشغلها.

ركز الباحثون على تصميم يسمى "الكيوبت القائم على التبادل" (exchange-only qubit)، والذي يستخدم ثلاثة إلكترونات محجوزة في ثلاث نقاط منفصلة. في هذا الترتيب، لا تُخزن المعلومات في موقع إلكترون واحد، بل في الطريقة التي تتفاعل بها الإلكترونات الثلاثة مع بعضها البعض. ويمتلك هذا التصميم ميزة رئيسية: فهو محمي طبيعياً من أنواع معينة من التداخل المغناطيسي الذي عادة ما يربك المعلومات الكمومية. ومع ذلك، فإن التحكم في هذه النقاط الثلاث أمر صعب لأنها متقاربة جداً من بعضها البعض. فعندما يحاول عالم إرسال إشارة إلى نقطة واحدة لتحريك إلكترون، فإن المجال الكهربائي غالباً ما يتسرب إلى جيرانها ويدفعهم عن غير قصد. هذا "التداخل" (crosstalk) يجعل من الصعب إجراء الحركات الدقيقة اللازمة لإجراء عملية حسابية. ولحل هذه المشكلة، استخدم الفريق منصة تحكم تسمى "سبين كويك" (spinQICK)، والتي تعمل على نظام "إكسيلينز" للترددات الراديوية داخل الشريحة (Xilinx RFSoC). وتعد هذه الشريحة قطعة عتادية قوية تجمع بين معالج حاسوبي سريع ومحولات رقمية-تناظرية عالية السرعة، وكل ذلك في لوحة واحدة تكلف حوالي ألف دولار لكل قناة، وهو جزء ضئيل من سعر الأنظمة التقليدية.

تم تصميم برنامج "سبين كويك" للتعامل مع تعقيد هذه التفاعات في الوقت الفعلي. ويمكنه توليد نبضات كهربائية بسرعة فائقة، والأهم من ذلك، يمكنه تعديل تلك النبضات تلقائياً لإلغاء التداخل غير المرغوب فيه بين النقاط. وقد استخدم الباحثون هذا النظام للتحكم في مصفوفة مثلثية من ثلاث نقاط كمومية، وهو هندسة توفر مرونة أكبر من الترتيبات الخطية المستقيمة المستخدمة في معظم التجارب السابقة. ففي المثلث، كل نقطة متصلة بكل نقطة أخرى، مما يسمح بنطاق أوسع من الحركات وحماية أكثر قوة ضد الأخطاء. وأظهر الفريق أن نظامهم يمكنه إجراء "التحكم المتماسك" (coherent control)، مما يعني أنه يمكنهم تحريك الحالة الكمومية للإلكترونات وإعادتها إلى نقطة محددة دون فقدان المعلومات. وقد أثبتوا ذلك من خلال إنشاء تذبذبات في النظام، مما جعل الإلكترونات تتأرجح فعلياً ذهاباً وإياباً بين حالات مختلفة في نمط يمكن التنبؤ به.

ولاختبار مدى كفاءة نظامهم، استخدم الباحثون تقنية تسمى "إلغاء التماسك الديناميكي" (dynamical decoupling). وهذه طريقة يتم فيها تطبيق سلسلة من النبضات السريعة على الكيوبت لإلغاء آثار الضوضاء البيئية، تماماً كما تستخدم سماعات إلغاء الضجيج الموجات الصوتية لإسكات الضوضاء الخلفية. وباستخدام تسلسلات مختلفة من النبضات، تمكن الفريق من الفصل بين نوعين متميزين من الضوضاء يؤثران على جهازهم. أحد النوعين يأتي من المجالات المغناطيسية للذرات داخل المادة، وهو ميزة طبيعية لا يمكن تجنبها في الجهاز. والنوع الآخر يأتي من نظام التحكم الكهربائي نفسه، وتحديداً من تقلبات الجهد المرسل إلى النقاط. وقد سمح الشكل المثلث لجهازهم بتصميم تسلسل نبضات فريد يمكنه عزل الضوضاء الكهربائية عن الضوضاء المغناطيسية، وهو إنجاز لم يكن ممكناً مع التصاميم الخطية القديمة.

قدمت نتائج هذه الاختبارات صورة واضحة لأداء النظام. فعندما أجروا التجارب، طابقت سلوكيات البتات الكمومية المحاكاة الحاسوبية بشكل شبه مثالي، مما أكد أن منصة "سبين كيك" تنفذ التعليمات بالدقة اللازمة. ومع ذلك، كشفت البيانات أيضاً عن مشكلة محددة: كانت الإشارات الكهربائية تنحرف بمرور الوقت. فبينما عمل النظام بشكل جيد لفترات قصيرة، كانت مستويات الجهد تنزاح ببطء على مدار دقائق، مما تسبب في تذبذب الحالة الكمومية. وقد تتبع الباحثون هذا الانحراف وصولاً إلى المضخمات التي استخدموها لتعزيز الإشارات من شريحة التحكم إلى الجهاز الكمومي. فهذه المضخمات، وهي مكونات قياسية متوفرة في الأسواق، أدخلت قدراً صغيراً من الضوضاء عالية التردد وانحرافاً بطيئاً كان على النظام التعامل معه. وتعتبر هذه النتيجة مهمة لأنها تثبت أن نظام التحكم حساس بما يكفي للكشف عن هذه العيوب الدقيقة في العتاد.

تخلص الورقة البحثية إلى أن منصة "سبين كيك" هي بديل منخفض التكلفة وقابل للتطبيق للتحكم في الكيوبتات المغزلية شبه الموصلة. وهي ليست مجرد نسخة أرخص من الأدوات الموجودة، بل هي نظام مرن يسمح للباحثين ببرمجة تعليمات مخصصة وإجراء تصحيحات في الوقت الفعلي كانت صعبة التنفيذ سابقاً. إن القدرة على استخدام الكيوبت نفسه كأداة تشخيص لقياس الضوضاء القادمة من إلكترونيات التحكم هي قدرة جديدة وقوية. وبينما أشار الفريق إلى أن الاستقرار طويل الأمد لإعدادهم الحالي يحتاج إلى تحسين، غالباً عن طريق ترقية المضخمات، فإن هذا العمل يرسم مساراً واضحاً للمستقبل. فمن خلال جعل التحكم الكمومي عالي الأداء متاحاً وتوفير وسيلة لتحديد وإصلاح مشكلات العتاد، يساعد هذا البحث في دفع المجال نحو بناء حواسيب كمومية عملية وقابلة للتوسع.