Calibration-free quantum thermometry with strain-swept two-level defects

داخل الرقائق فائقة التوصيل التي تشغل أكثر أجهزة الكمبيوتر الكمومية تقدمًا في العالم، تدور معركة صامتة. تعتمد هذه الآلات على دوائر دقيقة مصنوعة من مواد فائقة التوصيل، وهي مواد تنقل الكهرباء دون مقاومة، ولكن فقط عندما تُحفظ في درجات حرارة أبرد من أعماق الفضاء. حتى كمية ضئيلة من الحرارة يمكن أن تخل بالحالات الكمومية الهشة التي تحفظها هذه الدوائر، مما يتسبب في أخطاء في الحسابات. لسنوات، حاول العلماء قياس درجة حرارة هذه الرقائق، لكن أدواتهم كانت تعاني من نقطة عمياء؛ فموازين الحرارة القياسية توضع خارج الرقاقة، لتقيس البيئة الباردة للثلاجة، لكنها لا تستطيع رؤية البقع الساخنة الصغيرة الموضعية المختبئة في أعماق الحواجز المجهرية حيث تعمل الدوائر الكمومية. هذه المناطق الخفية هي موطن لعيوب مجهرية، وهي عيوب طفيفة في المادة تعمل مثل مفاتחות ثنائية الاتجاه. وتشتهر هذه العيوب بتسببها في فقدان الحواسيب الكمومية لمعلوماتها، ومع ذلك ظلت غير مرئية للقياس المباشر لدرجة الحرارة.

اقترح فريق من الباحثين الآن طريقة لتحويل هذه العيوب المزعجة إلى موازين حرارة دقيقة، مما يسمح للعلماء بقياس درجة الحرارة تمامًا في المكان الذي تحدث فيه الأخطاء. فبدلاً من إدخال مستشعر جديد إلى الرقاقة، أدركوا أنه يمكنهم استخدام العيوب الموجودة بالفعل في الدائرة. ومن خلال شد المادة التي تحتوي على هذه العيوب بعناً، يمكنهم تغيير مستويات الطاقة للعيوب بطريقة يمكن التنبؤ بها. ومع شد المادة، تستجيب العيوب عن طريق تغيير مدى تكرار وجودها في حالة استثارة، وهو سلوك يعتمد مباشرة على درجة الحرارة المحلية. وقد أظهر الباحثون أنه من خلال تحليل شكل منحنى الاستجابة هذا تحديدًا، يمكنهم حساب درجة الحرارة دون الحاجة إلى معرفة الحساسية الدقيقة لمعدات القياس الخاصة بهم. وتزيل هذه الطريقة الحاجة إلى خطوة معايرة منفصلة، والتي كانت تشكل عقبة رئيسية في المحاولات السابقة لقياس درجة الحرارة داخل هذه الأجهزة الصغيرة.

يكمن جوهر هذا الاكتشاف في كيفية تلاعب الباحثين بالعيوب. فقد طبقوا إجهادًا ميكانيكيًا، وهو ما يعني أساسًا شد المادة، لمسح طاقة عيب واحد عبر نطاق واسع. ومع تغير الطاقة، ينتقل تعداد العيب بين حالته الأرضية وحالته المستثارة وفقًا لقوانين الديناميكا الحرارية. ووجد الباحثون أن انحناء هذا التحول فريد من نوعه لدرجة الحرارة؛ فإذا كانت درجة الحرارة مختلفة، فسوف ينحني المنحنى بطريقة مختلفة. والأهم من ذلك، أنهم أثبتوا أن هذا الشكل يظل متميزًا حتى لو كانت معدات القياس تحتوي على إزاحات غير معروفة أو تباينات في التباين. في الماضي، كانت مثل هذه المجاهيل ستجعل من المستحيل التمييز بين تغير درجة الحرارة وبين مجرد خطأ في قراءة المستشعر. ومن خلال مسح الطاقة عبر نطاق كافٍ، أثبت الباحثون أن إشارة درجة الحرارة تصبح قابلة للتحديد رياضيًا، مما يفصلها عن ضجيج جهاز القياس.

لاختبار جدوى هذا النهج، أجرى الفريق تحليلًا نظريًا مفصلاً باستخدام عيب محدد ذي بصمة طاقة معروفة. وقد توقعوا سيناريو قياس يتم فيه شد العيب من طاقة قدرها 1.3 جيجاهرتز حتى 2.69 جيجاهرتز. وكانت نتائج هذا التحليل مذهلة؛ فعند درجة حرارة 20 ميلي كيلفن، توقعت الطريقة دقة بلغت 0.58 في المئة. وتعتبر هذه الدرجة من الدقة مهمة لأنها تضاهي أفضل موازين الحرارة الخارجية، مع الميزة الإضافية المتمثلة في وجودها مباشرة داخل الحاجز حيث تنشأ الأخطاء الكمومية. وأشار الباحثون إلى أن هذه الدقة يمكن تحقيقها باستخدام عيب واحد، بشرط إجراء القياس على فترة زمنية طويلة لجمع بيانات كافية. كما كشف التحليل أن هذه الطريقة قوية ضد أنواع معينة من الانحراف في نظام القياس، طالما أن مسح الطاقة واسع بما يكفي لالتقاط الانحناء الكامل للاستجابة الحرارية.

تناولت الدراسة أيضًا سبب عدم استخدام هذا النهج من قبل. فالمحاولات السابقة لاستخدام عيوب مماثلة لقياس درجة الحرارة غالبًا ما فشلت لأنها كانت تعمل عند مستويات طاقة عالية جدًا بالنسبة لدرجات الحرارة المنخفضة في الحواسيب الكمومية. وعند مستويات الطاقة العالية هذه، تصبح الإشارة الحرارية ضعيفة بشكل أسي، مما يجعل من المستحيل تمييزها عن الضجيج الخلفي. يستهدف البروتوكول الجديد تحديدًا نظام الطاقة المنخفضة، حيث تكون العيوب أكثر حساسية لتغيرات درجة الحرارة. وحدد الباحثون أنه لكي تنجح الطريقة، يجب مطابقة الحد الأدنى لطاقة العيب مع درجة حرارة التشغيل، ويجب أن يغطي مسح الإجهاد نطاقًا واسعًا بما يكفي لجعل إشارة درجة الحرارة بارزة. ووجدوا أنه بالنسبة لعيب بحد أدنى للطاقة يبلغ 1.3 جيجاهرتز، يلزم مسح يغطي انحرافًا عدم تناظر قدره 2.36 جيجاهرتز لتحقيق الدقة اللازمة. وهذا النطاق المحدد يقابل تطبيق جهد قدره 8 فولت على المحرك الكهروضغطي الذي يشد المادة.

أحد الجوانب الأكثر إقناعًا في هذا العمل هو قدرته على التحقق من حالة النظام. ولأن الطريقة تعتمد على ملاءمة شكل منحنى الاستجونة بأكمله، فإنها تستطيع اكتشاف ما إذا كان النظام ليس في حالة توازن حراري. فإذا كانت العيوب مدفوعة بقوة أخرى أو ليست مقترنة بشكل صحيح بدرجة الحرارة المحلية، فلن تتوافق البيانات مع المنحنى الحراري المتوقع. وهذا يوفر فحصًا مدمجًا لمدى صحة القياس، وهو أمر لا تستطيع قياسات النقطة الواحدة توفيره. وأظهر الباحثون أنه بينما تعد الطريقة حساسة للغاية لدرجة الحرارة، فإنها حساسة أيضًا للانحرافات عن التوازن الحراري، مما يسمح للعلماء بتحديد متى يسلك النظام سلوكًا غير متوقع. ومع ذلك، أشاروا إلى أن الاختبار المتبقي يمكنه الكشف عن الانحرافات الكبيرة عن الحالة الحرارية، ولكنه لا يمكنه تأكيد الحالة الحرارية بالدقة المذكورة. وتعد هذه القدرة حاسمة لفهم العمليات المجهرية التي تحد من أداء الحواسيب الكمومية.

نظر الفريق أيضًا في التحديات العملية لتنفيذ هذا البروتوكول. وحددوا ضرورة استقرار العيوب على مدار عدة ساعات مطلوبة لإكمال القياس، حيث تتضمن العملية أخذ ملايين نقاط البيانات. ويشير تحليلهم لاستقرار العيوب إلى أن معظم العيوت تظل مستقرة بما يكفي طوال مدة التجربة. كما فحصوا متطلبات نظام القراءة، مشيرين إلى أن البت الكمومي (qubit) المستخدم لقياس العيب يجب أن يكون له عمر كافٍ للسماح بالقياسات الضرورية. وتشير الحسابات إلى أن الكيوبتات فائقة التوصيل الحديثة تلبي هذه المتطلبات، مما يجعل البروتوكول ممكنًا باستخدام التكنولوجيا الحالية. ومع ذلك، أكد الباحثون أن الخطوة النهائية المتمثلة في العثور على عيب مناسب في جهاز حقيقي تظل تحديًا تجريبيًا، حيث لن يكون لكل عيب الخصائص الصحيحة أو لن يكون متاحًا ضمن نطاق الطاقة المطلوب.

في السياق الأوسع للحوسبة الكمومية، يقدم هذا العمل أداة جديدة لتشخيص وتحسين هذه الآلات. فمن خلال توفير طريقة لقياس درجة الحرارة المحلية داخل حواجز الوصلات، يمكن للعلماء أخيرًا ربط البيئة الحرارية بالأخطاء المحددة التي تعاني منها المعالجات الكمومية. وقد يؤدي هذا إلى تصميمات أفضل للرقائق الكمومية، حيث يتم تحسين المواد والهياكل لتقليل الضوضاء الحرارية التي تسبب فقدان الترابط (decoherence). وقدم الباحثون نتائجهم كمرشح لميزان حرارة أولي، مما يعني أنه يمكن أن يعمل كمعيار لقياس درجة الحرارة دون الحاجة إلى معايرة مقابل جهاز آخر. وبينما لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من التحقق التجريبي لتأكيد الدقة في بيئة واقعية، فإن الإطار النظري يوفر مسارًا واضحًا للمضي قدمًا. إن القدرة على تحويل مصدر للخطأ إلى مصدر للمعلومات تمثل تحولًا كبيرًا في كيفية تعامل العلماء مع مشكلة الحرارة في الأنظمة الكمومية.

وتتجاوز التداعيات مجرد توفير موازين حرارة أفضل؛ فمن خلال فهم درجة الحرارة المحلية في موقع العيوب، يمكن للباحثين اكتساب رؤى حول التفاعلات المجهرية التي تحكم سلوك الدوائر فائقة التوصيل. ويمكن أن تساعد هذه المعرفة في تطوير مواد جديدة أو تقنيات تصنيع تقلل من كثافة هذه العيوب أو تجعلها أقل حساسية للتقلبات الحرارية. كما تسلط الطريقة الضوء على أهمية "القابلية للتحديد" في علم القياس، حيث تظهر أنه مع التصميم التجريبي الصحيح، يمكن حل المعلمات غير المعروفة دون معايرة خارجية. ويمكن تطبيق هذا المبدأ على مجالات أخرى من القياس الكمومي، حيث غالبًا ما تقتصر القياسات الدقيقة على الحاجة إلى معايير معايرة.

في النهاية، تقدم الورقة حلاً متطورًا لمشكلة مستمرة في التكنولوجيا الكمومية. فهي تحول عيبًا مجهريًا، كان يُنظر إليه سابقًا على أنه مجرد مصدر إزعاج، إلى مستشعر دقيق. لقد وضع الباحثون بروتوكولاً واضحًا، وحددوا الشروط اللازمة للنجاح، وقدموا تقييمًا واقعيًا للدقة التي يمكن تحقيقها. وبينما ستتطلب الرحلة من المحاكاة إلى جهاز عامل في المختبر تجارب دقيقة، فإن العائد المحتمل كبير للغاية. إن ميزان حرارة يعيش داخل الدائرة الكمومية، ويقيس درجة الحرارة في المكان الذي تهم فيه أكثر من أي مكان آخر، قد يكون المفتاح لفتح آفاق الجيل القادم من الحواسيب الكمومية المستقرة والموثوقة. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة إعادة التفكير في دور العيوب في الأنظمة الكمومية، وتحويل القصور إلى مورد للاكتشاف.