فريق بحث من جامعة كورنيل يطور تقنية جديدة لتبريد الليزر تعزز كفاءة الحوسبة الكمومية

طور الباحثون في جامعة كورنيل تقنية جديدة لتبريد الليزر تعتمد على الرقائق، قادرة على تقريب الأيونات المحتجزة إلى حالتها الكمومية الأساسية في غضون 150 ميكروثانية فقط، مما قد يقلل من أحد الاختناقات الزمنية الرئيسية في الحوسبة الكمومية. تبلغ سرعة هذه الطريقة حوالي ثلاثة أضعاف سرعة التكوينات التقليدية لليزر، التي تحتاج إلى حوالي 500 ميكروثانية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه التقنية تبريد ثلاثة أنماط حركية للأيونات في وقت واحد، دون الحاجة إلى إجراء عمليات تبريد منفصلة لكل نمط. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن للبصريات المتكاملة تحسين التحكم في الأيونات المحتجزة، مما يساعد الباحثين على بناء حواسيب كمومية أكبر.

تولى هذه الدراسة الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وعلوم الحاسوب في كلية دافيلد للهندسة بجامعة كورنيل، كاران ميهتا (Karan Mehta).

تحديات تقنية التبريد وحلولها

تؤدي عملية التبريد إلى إبطاء العمليات الكمومية في الحواسيب الكمومية التي تستخدم الأيونات المشحونة المتأثرة بالحقل الكهربائي لتخزين ومعالجة المعلومات الكمومية. تجعل دقة هذه الحواسيب الكمومية منها مرشحة واعدة للحوسبة الكمومية، لكن الحركة غير الضرورية للذرات قد تتداخل مع العمليات الحسابية. يجب على الباحثين استخدام الليزر بشكل متكرر للتخلص من هذه الحركات، وتبريد الأيونات إلى أدنى حالة طاقة ممكنة. قد تستغرق هذه العمليات التبريد جزءًا كبيرًا من وقت تشغيل الحواسيب الكمومية. وأشار ميهتا إلى أن التبريد، خاصةً التبريد إلى الحالة الكمومية الأساسية، أصبح عنق الزجاجة الرئيسي في أنظمة الأيونات المحتجزة.

لحل هذه المشكلة، طور فريق كورنيل طريقة للتحكم بدقة في شعاع الليزر إلى شريحة التقاط الأيونات المصنوعة بتقنية التصنيع الدقيقة باستخدام مكونات بصرية متكاملة.

التجارب والتطبيقات للطريقة الجديدة

أطلق الباحثون شعاعين من الليزر في اتجاهين متعاكسين، مما شكل موجة ثابتة، أي نمط يتناوب بين مناطق عالية ومنخفضة الشدة. وضعوا أيون الكالسيوم المحتجز في نقطة الشدة المنخفضة أو العقدة، لتقليل التفاعلات الضوئية غير الضرورية، مما يمنع تسخين الأيونات أثناء تبريد حركتها. تسارعت عملية التبريد بفضل هذا التركيب الموجي. دمج الفريق هذا التكوين البصري مع تقنية تُعرف باسم الشفافية المستحثة بالكهربية (EIT) للتبريد، مما قرب الحركة المستهدفة إلى الحالة الكمومية الأساسية في حوالي 150 ميكروثانية، بينما كانت تحتاج التكوينات التقليدية من الليزر إلى حوالي 500 ميكروثانية.

أظهرت التجارب أيضًا تبريدًا متزامنًا لثلاثة أنماط حركية، تغطي حوالي 5 ميغاهرتز. كانت نسبة شغل الصوتيات للنمط المستهدف حوالي 0.05، بينما اقترب الباحثون من قياس الأنماط إلى حالتها الأساسية. كما أظهرت النتائج تبريدًا أقل من الحد التقليدي للدوبلر، مما يثبت توقعًا نظريًا قديمًا.

تُعد جزءًا مهمًا من هذه الطريقة هو نظام النقل البصري المتكامل. يمكن للشريحة توجيه أطوال موجية متعددة، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، وهي ضرورية للتحكم في الأيونات. كما طور الفريق حزمة تتيح تشغيل الأجهزة في درجات حرارة منخفضة. تُصنع هذه الشرائح في هولندا، بالتعاون مع المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich)، بينما ساعدت مرافق جامعة كورنيل في تجهيز المعدات المستخدمة في التجارب.

تتعلق هذه التجربة بأيون كالسيوم واحد، وليس بمعالج كمومي متعدد الأيونات. ومع ذلك، أشار الباحثون إلى أن هذه الطريقة يمكن تطبيقها على أنظمة الأيونات المحتجزة الأكبر. قد يقلل دمج المكونات البصرية في معدات التقاط الأيونات من التعقيد المطلوب في التكوينات الخارجية لليزر لتوسيع المعالج الكمومي ليشمل المزيد من الكيوبتات. كما يمكن أن يقلل التبريد الأسرع عبر أنماط الحركة المتعددة من الوقت المستغرق لتحضير الأيونات للعمليات الكمومية. وأكد الباحثون أن هذا العمل يظهر كيف يمكن للتقنيات المطورة لتوسيع الحواسيب الكمومية تحسين العمليات الأساسية التي تعتمد عليها هذه الأنظمة.

نُشرت هذه الدراسة في PRX Quantum.

أثر تقنية التبريد الجديدة على الحوسبة الكمومية

تواجه تطورات الحوسبة الكمومية قيودًا بسبب تقنيات التبريد، خاصة عند معالجة الأيونات المحتجزة. تمكن فريق البحث في جامعة كورنيل من تقصير وقت التبريد من خلال تقنيات البصريات المتكاملة، وهو ما يعد أمرًا حاسمًا لتعزيز كفاءة الحوسبة الكمومية. لا تسرع التقنية الجديدة عملية التبريد فحسب، بل تعالج أيضًا أنماط الحركة المتعددة في وقت واحد، مما يظهر إمكاناتها في توسيع الحواسيب الكمومية. تقدم نتائج هذه الدراسة حلولًا جديدة للحوسبة الكمومية، وقد تدفع نحو تحقيق معالجات كمومية أكبر في المستقبل.