All-to-All Connectivity in Superconducting Qubits via Metamaterial-Mediated Interactions
تقترح هذه الورقة بنية وسيطة من المواد الخارقة (metamaterial) باستخدام ترانزمونات ثنائية المسار أو مقفلة الدوران لتحقيق اتصال شامل من الكل إلى الكل بين الكيوبتات القابلة للتوسع لأكواد LDPC الكمومية، مما يؤدي بفعالية إلى كبح التشابك الطيفي للمتفرج على مستوى الأجهزة مع إثبات بوابات تشابك عالية الدقة وقياسات تماثل مشتركة محدودة أساساً بفقدان الفوتونات وتزاحم الأنماط.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلف ولم يصادق عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن بناء حاسوب يمكنه حل مشكلات تتجاوز قدرات أي آلة اليوم يتطلب عملية توازن دقيقة. وتعد الحواسيب الكمومية من أبرز المرشحين لهذه الآلات، وهي تستخدم القواعد الغريبة للفيزياء لمعالجة المعلومات بطرق لا تستطيع البتات الكلاسيكية القيام بها. ومع ذلك، فإن هذه الآلات هشة للغاية؛ إذ يمكن لأدنى اضطراب من البيئة المحيطة أن يفسد حساباتها. ولإصلاح ذلك، يستخدم العلماء تصحيح الخطأ، وهي طريقة تعمل فيها العديد من المكونات الفيزيائية معاً لحماية قطعة واحدة من المعلومات. والنهج الأكثر شيوعاً، المعروف باسم "كود السطح" (surface code)، يعمل بشكل جيد ولكنه غير فعال، حيث يتطلب آلاف الأجزاء الفيزيائية لإنشاء وحدة واحدة موثوقة من المعلومات. وهناك مسار أكثر كفاءة باستخدام نوع مختلف من الأكواد، لكنه يتطلب مستوى من الاتصال لا تستطيع الآلات الحالية توفيره بسهولة: وهو القدرة على جعل أي جزء من الحاسوب يتواصل مباشرة مع أي جزء آخر، بغض النظر عن المسافة.
تعد المعالجات الكمومية فائقة التوصيل، التي تستخدم دوائر صغيرة مبردة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، منصة رائدة لهذه التكنولوجيا. فهي تتصل بجيرانها بشكل طبيعي وجيد، لكن ربط الأجزاء البعيدة يتطلب عادةً أسلاكاً معقدة أو نقل المعلومات عبر قناة مشتركة. وهذه القناة المشتركة، والتي غالباً ما تكون "رنانًا" (resonator)، تخلق مشكلة: فعندما يكون جزء من النظام نشطاً، فإنه يزعج دون قصد جميع الأجزاء الهادئة الأخرى القريبة منه، مما يؤدي إلى أخطاء يصعب إصلاحها. وقد اقترح باحثون في مركز AWS للحوسبة الكمومية والجامعة العبرية في القدس بنية جديدة تحل هذه المشكلة تحديداً. فمن خلال إعادة التفكير في كيفية بناء الوحدات الأساسية للمعلومات، أظهروا طريقة لربط العديد من الكيوبتات (qubits) بوسط مشترك واحد دون الآثار الجانبية غير المرغوب فيها التي حدت سابقاً من القدرة على التوسع.
ركز الباحثون على بنية تسمى "الموجّه الموجي للمواد الخارقة" (metamaterial waveguide)، وهي في الأساس سلسلة طويلة من الرنانات المقترنة. تعمل هذه السلسلة كطريق سريع للمعلومات الكمومية، مما يسمح للإشارات بالانتقال بين أي نقطتين. وفي المحاولات السابقة لاستخدام مثل هذا الطريق السريع، كان فعل إرسال إشارة بين كيوبتين محددتين يؤدي دون قصد إلى إزاحة تردد كل الكيوبتات الخاملة الأخرى المتصلة بنفس السلسلة. وقد خلق هذا شبكة من التشابك غير المرغوب فيه، حيث تصبح الكيوبتات "المتفرجة" مرتبكة ومتشابكة مع البوابة النشطة، مما يؤدي إلى إفساد الحساب. ولإصلاح ذلك، تطلبت الطرق السابقة تسلسلات نبضية معقدة ونشطة لإلغاء التداخل، وهي عملية تصبح صعبة بشكل متزايد مع نمو عدد الكيوبتات.
يقدم العمل الجديد استراتيجية مختلفة: فبدلاً من محاولة إلغاء التداخل بعد حدوثه، يمنع الباحثون حدوثه من الأساس عن طريق تغيير طبيعة الكيوبتات نفسها. فهم يقومون بتشفير كل كيوبت منطقي كزوج من الدوائر فائقة التوصيل التي تعمل معاً، وهو تكوين يُعرف باسم "ترانسمون ثنائي المسار" (dual-rail transmon). ويخلق هذا الاقتران فجوة واقية تثبط بشكل طبيعي التفاعل غير المرغوب فيه مع الموجّه الموجي المشترك. وفي عمليات المحاكاة، قلل هذا الحماية على مستوى الأجهزة من الاقتران المزعج بهامش كبير، مما دفع معدل الخطأ إلى مستوى لم يعد فيه الإلغاء النشط ضرورياً بشكل صارم. والنتيجة هي نظام يتم فيه كبح الضوضاء غير المرغوب فيها عند المصدر، بدلاً من محاربتها عبر البرمجيات.
مع وجود هذه الحماية، أظهر الباحثون كيفية إجراء عمليات ثنائية الكيوبت وقياسات مشتركة عبر السلسلة بأكملها. ومن خلال تطبيق "دفع ثنائي النغمة" (two-tone drive) محدد على الموجّه الموجي، تمكنوا من تنشيط تفاعل بين أي زوج من الكيوبتات المشفرة. ويسمح هذا التفاعل بإجراء بوابة تشبك الزوجين معاً، وهي خطوة أساسية للحوسبة. والأهم من ذلك، نظرًا لأن النظام مبني على مادة خارقة تحتوي على العديد من الأنماط المتميزة، يمكن استهداف أزواج مختلفة من الكيوبتات في وقت واحد عبر ترددات مختلفة. وهذا يعني أن الحاسوب يمكنه تشغيل العديد من العمليات بالتوازي، وهي ميزة ضرستية لكفاءة أكواد تصحيح الخطأ المتقدمة التي يهدف الباحثون إلى دعمها.
قام الفريق بمحاكاة نظام حيث يتشارك زوج من الكيوبتات ثنائية المسار سلسلة من ثلاثة رنانات ذات عمر زمني قدره 30 ميكروثانية. وفي هذه المحاكاة، وصلت عملية البوابة إلى عدم دقة قدرها 1.4 × 10⁻³، مما يعني أن معدل الخطأ كان منخفضاً جداً. وكان المصدر الرئيسي لهذا الخطأ المتبقي هو فقدان الفوتونات من الرنان، وهو قيد فيزيائي للأجهزة. كما وجد الباحثون أن حجم المصفوفة محدود بعملية مقايضة: فكلما طالت السلسلة، ضاقت المسافة الترددية بين الأنماط المتاحة، مما يجعل من الصعب استهداف زوج واحد دون إزعاج جيرانه. ومع ذلك، من خلال زيادة عمر الرنانات وقوة الاقتران بينها، يمكن للنظام دعم المزيد من الكيوبتات. وفي سيناريو بعمر رنان يبلغ 150 ميكروثانية، تشير المحاكاة إلى أن مادة خارقة واحدة يمكن أن تستضيف 13 كيوبتاً على 25 رناناً مع البقاء ضمن ميزانية خطأ صارمة.
لا يدعي هذا العمل بناء حاسوب كمومي كامل الوظائف بعد، ولكنه يوفر مساراً نظرياً ومحاكاتياً واضحاً للمضي قدماً. وتشير النتائج إلى أنه من خلال تشفير الكيوبتات بطريقة ثنائية المسار، يمكن التغلب على الحاجز الأساسي المتمثل في التشابك غير المرغوب فيه للكيوبتات المتفرجة. وهذا يفتح الباب لاستخدام الدوائر فائقة التوصيل في البنى شديدة الاتصال المطلوبة للجيل القادم من أكواد تصحيح الخطأ. وتسلط الدراسة الضوء على أن مفتاح توسيع نطاق هذه الآلات لا يكمن فقط في بناء مكونات أفضل، بل في تصميم المكونات لتكون متوافقة جوهرياً مع الشبكة المعقدة من الاتصالات المطلوبة للحوسبة الكمومية واسعة النطاق.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.