Self-Correcting Toric-Code Memory in a Globally Controlled Rydberg Array

في السعي لبناء آلة يمكنها حل مشكلات تتجاوز قدرة أي حاسوب حالي، يتسابق العلماء لإنشاء شكل مستقر من الذاكرة الكمومية. يجب أن تحتفظ هذه الذاكرة بقطع هشة من المعلومات، تُعرف باسم الكيوبتات المنطقية (logical qubits)، لفترات طويلة رغم الضجيج المستمر من العالم المحيط. وللبقاء على قيد الحياة في مواجهة هذا الضجيج، تعتمد الذاكرة على نظام لتصحيح الأخطاء، وهي عملية تتحقق باستمرار من الأخطاء وتصلحها قبل أن تنتشر. لعقود من الزمن، تطلب النهج الرائد لهذا المشكلة روتينًا معقدًا: قياس حالة الذرات المساعدة، ونقلها إلى مواقع مختلفة، واستخدام ليزرات مركزة بدقة لاستهداف ذرات فردية. وبينما أصبحت اللبنات الأساسية لهذه الآلات سريعة ودقيقة للغاية، ظلت الخطوات المساعدة المطلوبة للتحقق من الأخطاء وإصلاحها بطيئة، وخرقاء، وعرضة للتسبب في الضرر ذاته الذي تهدف لمنعه. تُدخل هذه الخطوات الإضافية تأخيرات واضطرابات فيزيائية يمكن أن تطغى على المعلومات الدقيقة التي تحاول حمايتها.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (غوانزو) والأكاديمية الدولية للكم طريقًا مختلفًا للمضي قدمًا يلغي هذه الخطوات المرهقة تمامًا. فبدلاً من قياس أو تحريك أو استهداف الذرات بشكل فردي، يقوم البروتوكول الجديد بتثبيت ذاكرة كمومية باستخدام نبضات ليزر عالمية (global laser pulses) تعمل على النظام بأكপেل دفعة واحدة. ومن خلال ترتيب ثلاثة أنواع مختلفة من الذرات في شبكة محددة واستخدام التفاعلات الطبيعية بينها، صمم الفريق نظامًا يتم فيه اكتشاف الأخطاء وتصحيحها دون الحاجة أبدًا إلى إيقاف العملية لأخذ لقطة للبيانات. وفي عمليات محاكاة لدورة تصحيح خطأ صغيرة ولكن كاملة، نجحت هذه الطريقة في الحفاظ على المعلومات المنطقية لعدة جولات، بشرط بقاء الأخطاء الفيزيائية في النظام تحت حد معين. ويشير العمل إلى مسار نحو ذاكرة كمومية أكثر كفاءة ومتانة تتجنب العبء الثقيل لطرق التصحيح التقليدية.

يكمن التحدي الجوهري في بناء حاسوب كمومي في أن المعلومات التي يحملها هشة للغاية. فحتى تفاعل ضئيل مع البيئة يمكن أن يقلب بتًا من البيانات، محولًا الصفر إلى واحد أو العكس. ولمحاربة ذلك، يستخدم العلماء استراتيجية تسمى "الرمز التوريك" (toric code)، والتي تنشر قطعة واحدة من المعلومات المنطقية عبر العديد من الذرات الفيزيائية. إذا ارتكبت ذرة واحدة خطأً، فإن نمط المجموعة بأكملها يكشف مكان وقوع الخطأ دون تدمير المعلومات نفسها. تقليديًا، يتطلب إصلاح هذه الأخطاء دورة من العمليات: أولاً، تُستخدم ذرات مساعدة للتحقق من حالة ذرات البيانات؛ ثم تُقاس نتائج ذلك التحقق؛ وأخيرًا، يقرر الحاسوب ما يجب فعله ويرسل إشارة لقلب البيانات السيئة والعودة إلى الحالة الصحيحة. وفي الأنظمة ذات الذرات المتعادلة (neutral-atom systems)، التي تستخدم الليزر لتثبيت الذرات في مكانها، كانت هذه الدورة بمثابة عنق زجاجة. فخطوة القياس تستغر ميلي ثانية، وخلالها تستمر الذرات غير المقاسة في التدهور. كما أن تحريك الذرات بين المناطق يضيف المزيد من الوقت والحرارة، وتوجيه الليزرات على ذرات فردية يؤدي إلى تداخل غير مرغوب فيه مع جيرانها. تتراكم هذه التأخيرات والاضطرابات، مما يؤدي في النهاية إلى إفساد الذاكرة نفسها التي يحاول النظام إنقاذها.

اقترح الباحثون حلاً يلغي الحاجة إلى القياس والتحريك والاستهداف الفردي تمامًا. فقد تصوروا شبكة من الذرات تحتوي على ثلاثة أنواع متميزة: نوع واحد لحمل البيانات، ونوعان آخران ليعملا كمساعدين. يتم ترتيب هذه الذرات المساعدة في نمط رقعة الشطرنج حول ذرات البيانات. وبدلاً من قياس المساعدين لمعرفة ما إذا كان قد وقع خطأ، يستخدم النظام نبضات ليزر عالمية تصيب جميع الذرات من نوع معين في نفس الوقت. يعمل البروتوكول في حلقة مستمرة ومتماسكة. أولاً، يقوم النظام بنقل الأخطاء من ذرات البيانات إلى الذرات المساعدة باستخدام نوع معين من التفاعل يسمى "حجز ريدبرغ" (Rydberg blockade)، حيث تمنع وجود ذرة مثارة جارتها من أن تصبح مثارة. تحدث عملية النقل هذه بشكل متزامن عبر الشبكة بأكملها. بعد ذلك، تستخدم نبضة ثانية حالة الذرات المساعدة لقلب ذرات البيانات للعودة إلى حالتها الصحيحة إذا تم اكتشاف خطأ. وأخيرًا، تقوم نبضة لطيفة بإعادة ضبط الذرات المساعدة إلى حالتها الأصلية، لتكون جاهزة للجولة التالية. ولأن العملية بأكملها مدفوعة بنبضات عالمية وتعتمد على الفيزياء الطبيعية للذرات، فإنها تحدث في جزء ضئيل من الوقت المطلوب بالطرق التقليدية.

لاختبار ما إذا كانت هذه الفكرة يمكن أن تنجح بالفعل، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لنسخة صغيرة ولكن كاملة من النظام، وتحديدًا شبكة تحتوي على ست عشرة ذرة بيانات وست عشرة ذرة مساعدة. لقد قاموا بنمذجة سلوك الذرات تحت ظروف واقعية، بما في ذلك الاضمحلال الحتمي للحالات المثارة والتفاعلات الضعيفة بين الذرات التي لا يُفترض بها أن تتفاعل. أظهرت المحاكاة أنه عندما تم الحفاظ على معدل الخطأ الفيزيائي للذرات تحت حد معين، نجح النظام في إطالة عمر المعلومات المخزنة. وفي هذه التجارب، احتفظت الذاكرة بحالتها المنطقية لخمسين جولة من تصحيح الخطأ، بينما كان النظام غير المصحح سيفقد معلوماته في حوالي ثلاثين جولة. وحسب الباحثون نقطة التعادل، أو "العتبة الزائفة" (pseudo-threshold)، عند معدل خطأ فيزيائي يبلغ حوالي 0.034. فدون هذه القيمة، تقوم عملية التصحيح بإزالة الأخطاء بشكل أسرع مما يتم إنشاؤها؛ وفوقها، تدخل العملية ضوضاء أكثر مما تصلحه.

يعتمد نجاح البروتوكول على التصميم الدقيق لنبضات الليزر التي تحرك وحدات الذرات الثلاث. اضطر الباحثون إلى هندسة هذه النبضات لأداء عمليتين منطقتين متميزتين في آن واحد عبر المصفوفة بأكملها. إحدى العمليات، والتي أطلقوا عليها اسم "بوابة OR-Toffoli"، تقلب ذرة البيانات إذا كان أحد جيرانها المساعدين الاثنين على الأقل في حالة معينة. أما العملية الأخرى، وهي "بوابة Toffoli" القياسية، فتقلب ذرة البيانات فقط إذا كان كلا الجارين في تلك الحالة. ومن خلال الجمع بين هاتين العمليتين، يمكن للنظام محاكاة المنطق المعقد لتصحيح الخطأ التقليدي دون الحاجة أبدًا إلى النظر إلى الذرات الفردية. وقد أكدت المحاكاة أن هذه النبضات يمكن تنفيذها بدقة عالية، حتى مع مراعاة الاضمحلال السريع للحالات الذرية المتوسطة. وتستغرق الدورة بأكملها للتحقق والتصحيح بضعة ميكروثوانٍ فقط، ويهيمن عليها الوقت المستغرق لإعادة ضبط الذرات المساعدة، وهو أسرع بكثير من الميلي ثانية المطلوبة للنهج التقليدي القائم على القياس.

بينما تعد النتائج واعدة، يشير الباحثون بحذر إلى أن نتائجهم تستند إلى عمليات محاكاة لنظام محدد وصغير النطاق. فالحد الذي وجدوه ينطبق على حجم هذه الشبكة تحديدًا ولا يمثل بعد العتبة النهائية لآلة واسعة النطاق. كما أن الدراسة بسطت نموذج الضوضاء بالتركيز على الأخطاء العشوائية في ذرات البيانات، تاركة بعض الطرق الأكثر تعقيدًا لانتشار الأخطاء بين الذرات في جهاز واقعي. ومع ذلك، يوضح العمل مسارًا واضحًا وملموسًا نحو ذاكرة كمومية أكثر كفاءة. فمن خلال استبدال الخطوات الميكانيكية البطيئة للقياس والنقل بنبضات ليزر عالمية سريعة، أثبت الفريق أنه من الممكن تثبيت المعلومات الكمومية باستخدام الخصائص الطبيعية للذرات نفسها. ويقدم هذا النهج مسارًا فعالًا من حيث الأجهزة، مما يشير إلى أن مستقبل الذاكرة الكمومية قد لا يتطلب آلات أكثر تعقيدًا، بل طريقة أذكى لاستخدام الذرات الموجودة بالفعل بين أيدينا.