فريق بحثي صيني ينجح في تحقيق تشابك حقيقي لـ 13 كيوبت كمومي دون الحاجة لتدمير الفوتونات

يُتوقع أن تحل الحواسيب الكمومية مشاكل لا تستطيع الحواسيب التقليدية الحالية معالجتها، لكن جعل عدد كافٍ من الكيوبتات الكمومية تعمل بشكل متزامن لا يزال تحدياً كبيراً. وفي الآونة الأخيرة، أظهر فريق بحثي صيني في دراسة جديدة كيفية دمج فوتونات ميكروويف متشابكة صغيرة في شبكة كمومية أكبر قابلة للبرمجة، دون تدمير الفوتونات أثناء عملية الربط. وقد نجحوا في إظهار تشابك حقيقي بين 13 كيوبت فوتوني، مما يمهد الطريق لأنظمة حوسبة واتصالات كمومية أكثر قابلية للتوسع. يكمن التحدي في كيفية إنشاء هذه الروابط بشكل موثوق. يمكن ربط الكيوبتات الكمومية (qubits) من خلال التشابك، وهي ظاهرة كمومية لا يمكن وصف حالتها المشتركة بشكل مستقل.

يمكن للعلماء ترتيب هذه الروابط في هياكل تسمى حالات الرسم البياني، والتي تعمل كموارد للحوسبة والاتصالات الكمومية. وقال تشانغ هونغ يي، باحث كمومي في جامعة تسينغهوا: "تمثل حالات الرسم البياني الضوئية الكبيرة مورداً مهماً للاتصالات الكمومية، والشبكات الكمومية، والحوسبة الكمومية القائمة على القياس."

إحدى طرق ربط حالات التشابك الصغيرة هي من خلال عملية اندماج تجمعها لتكوين حالات أكبر. ومع ذلك، فإن طرق الاندماج المستخدمة في أنظمة البصريات الخطية التقليدية عادة ما تكون احتمالية، مما يعني أن بعض المحاولات ستفشل. وتجعل المحاولات المتكررة والأجهزة الإضافية إنشاء حالات أكبر أكثر صعوبة. وقد قدم الفريق البحثي استراتيجية تستخدم الدوائر فائقة التوصيل لدمج فوتونات ميكروويف متشابكة صغيرة معاً. ولا تقوم هذه الطريقة بإنشاء حالة متشابكة ضخمة في عملية واحدة، بل تبني شبكة أكبر من خلال ربط حالات أولية أصغر. وتكمن مفتاح هذه الطريقة في تقنية تسمى القياس الكمومي غير المدمر.

تقنية القياس الكمومي غير المدمر

على عكس القياسات التي تمتص أو تدمر الفوتونات، تتيح هذه الطريقة استخراج المعلومات مع الحفاظ على الفوتونات. وفي هذا التجربة، غيّر القياس أيضاً الحالة الكمومية المشتركة للزوج، مما مكن الباحثين من ربط حالات رسم بياني أصغر. وقال تشانغ هونغ يي: "استكشفنا ما إذا كان يمكن تحقيق اندماج حتمي باستخدام القياس الكمومي غير المدمر. كان هدفنا إظهار عملية اندماج حتمية وقابلة للبرمجة، وإثبات أنها توفر مساراً عملياً لتجميع حالات رسم بياني ضوئية أكبر قابلة لإعادة التكوين."

استخدم الباحثون أولاً الدوائر فائقة التوصيل لتوليد مجموعات صغيرة من فوتونات الميكروويف المتشابكة. وقاموا بترميز المعلومات الكمومية في فجوات زمنية مختلفة للفوتونات، مما يسمح بنقل المعلومات في أوقات وصول مختلفة. ثم استخدموا كاشفات القياس الكمومي غير المدمر لقياس أزواج مختارة من الفوتونات، وإسقاطها على حالة تشابك محددة تسمى حالة بيل. وهذا مكّن من ربط حالات رسم بياني أصغر دون تدمير الفوتونات. بعد ذلك، من خلال ضبط تردد الفوتونات (المعروف أيضاً بضبط التردد)، تمكن الباحثون من اختيار الأزواج التي سيتم قياسها، والتحكم في كيفية ربط حالات الرسم البياني الأصغر لتكوين حالات رسم بياني أكبر.

وهذا يجعل عملية الاندماج قابلة للبرمجة. كما جمع الفريق بين إعادة الضبط النشطة وإعادة الاستخدام للكيوبتات فائقة التوصيل، وتخفيف الأخطاء المدمج، مما يساعد في الحد من تأثير تدهور الخصائص الكمومية بسبب التفاعل مع البيئة. ومن خلال هذه الطريقة، أظهر الباحثون تشابكاً متعدد الأطراف حقيقياً بين 13 كيوبت فوتوني. وهذا يعني أن التشابك يمتد إلى المجموعة بأكملها وليس مقتصراً على مجموعات صغيرة معزولة. ويشير هذا الإنجاز إلى أن عملية الاندماج يمكن أن تنتج حالات رسم بياني ضوئية أكبر قابلة لإعادة التكوين. وقال تشانغ هونغ يي: "مساهمتنا الرئيسية هي عملية اندماج حتمية وقابلة للبرمجة وغير مدمرة."

تطبيقات حالات الرسم البياني الضوئية الكبيرة

يمكن لحالات الرسم البياني الضوئية الكبيرة دعم الحوسبة الكمومية القائمة على القياس، حيث تتم الحسابات من خلال قياسات مختارة بعناية على الحالات المتشابكة. كما يمكنها تعزيز الشبكات الكمومية ومخططات تصحيح الأخطاء الكمومية، التي تهدف إلى حماية المعلومات الكمومية من الأخطاء. وشرح تشانغ هونغ يي قائلاً: "يوفر هذا العمل معمارية لتوسيع حالات الرسم البياني الضوئية من خلال ربط حالات موارد أصغر عند الطلب. وهذا يرتبط بالحوسبة الكمومية المستقبلية القائمة على القياس، والشبكات الكمومية، ومخططات تصحيح الأخطاء الكمومية المحتملة، لأن حجم حالات الرسم البياني واتصالها كلاهما بالغ الأهمية."

ومع ذلك، فإن إظهار التشابك بين 13 كيوبت لا يعادل بناء حاسوب كمومي كبير عملي. لا يزال النظام بحاجة إلى تحسينات في دقة الأجهزة، وكفاءة توليد الفوتونات، وأداء الكواشف. لذلك، يخطط الباحثون الآن لتطوير معمارية متعددة الكواشف لإجراء المزيد من عمليات الاندماج وتوليد حالات رسم بياني أكبر وأكثر تعقيداً. ولا يزال يتعين معرفة ما إذا كان هذا النهج قادراً على التوسع بكفاءة مع الحفاظ على الأداء المطلوب. وقد نُشر البحث في مجلة "Nature Physics".

اختراق رئيسي لتحقيق الحوسبة الكمومية القابلة للتوسع

يُظهر نجاح الفريق البحثي الصيني تقدماً مهماً في مجال الحوسبة الكمومية، لا سيما في تقنية التشابك بين الكيوبتات الكمومية. ومن خلال القياس الكمومي غير المدمر، تمكن الباحثون من استخراج المعلومات ومعالجتها دون إتلاف الفوتونات، وهو أمر بالغ الأهمية لأنظمة الحوسبة والاتصالات الكمومية المستقبلية. إن إنشاء حالات رسم بياني ضوئية كبيرة لا يعزز كفاءة الحوسبة الكمومية فحسب، بل يعزز أيضاً استقرار الشبكات الكمومية وموثوقيتها. ومع مزيد من التطور التكنولوجي، قد تمهد هذه الأبحاث الطريق لتحقيق حواسيب كمومية أكبر حجماً، وحل التحديات التي تواجه التكنولوجيا الحالية.