نجح الباحثون في التحكم بخمسة كيوبتات سيليكونية في آن واحد عبر خط تحكم ميكروي واحد بدقة تصل إلى 99.9%

تعتمد أداء الحواسيب الكمومية ليس فقط على عدد الكيوبتات التي تحتويها، ولكن أيضًا على مدى دقتها في العمل معًا. مؤخرًا، عرض الباحثون طريقة للتحكم بخمسة كيوبتات قائمة على السيليكون عبر خط تحكم ميكروي واحد، مع الحفاظ على دقة العمليات عند 99.9% أو أكثر. قد تساعد هذه الطريقة في توسيع المعالجات الكمومية في المستقبل بسهولة أكبر، دون الحاجة إلى إعداد خطوط تحكم منفصلة لكل كيوبت. ومع ذلك، فإن التحكم في عدة كيوبتات ليس مجرد إرسال إشارات ميكروية. تحتاج الحواسيب الكمومية إلى إجراء عمليات متوازية لتشغيل إجراءات تصحيح الأخطاء، مما يساعد على حماية المعلومات الكمومية الهشة.

ومع ذلك، قد تتداخل الإشارات المستخدمة للتحكم في كيوبت واحد مع الكيوبتات المجاورة، مما يقلل من دقة عملياتها. في التجارب السابقة، أدت هذه المشكلة إلى انخفاض دقة البوابات - مقياس دقة تنفيذ العمليات الكمومية - من 99.95% إلى حوالي 99.5%. أشار الباحثون إلى أنه "في الأجهزة السيليكونية، لا يزال التحكم المتزامن يمثل تحديًا رئيسيًا، حيث أن الدقة عادة ما تنخفض في العمليات المتوازية."

تحديات التحكم في عدة كيوبتات

حدد الباحثون من معهد RIKEN الياباني ومؤسساتهم الشريكة الآن المصدر الرئيسي لهذه التداخلات، وطوروا طريقة تعويض. تؤدي انحرافات التردد الخفية إلى فقدان الكيوبتات الاتجاه الصحيح. استخدم فريق البحث خمسة كيوبتات تتكون من دوران الإلكترونات، والتي تم حبسها في هياكل صغيرة تُعرف بالنقاط الكمومية، وتقع داخل أجهزة السيليكون/سيليكون جيرمانيوم. أضاف الباحثون: "توفر كيوبتات دوران السيليكون بشكل خاص طريقًا واعدًا للحوسبة الكمومية القابلة للتوسع، لأنها متوافقة مع تصنيع أشباه الموصلات الصناعية." تتحكم الإشارات الميكروية في هذه الكيوبتات، لكن الإشارة المستهدفة لواحد منها قد تؤثر أيضًا على الكيوبتات المجاورة.

تُعرف هذه التأثيرات غير المرغوب فيها بالتداخل، حيث يمكن أن تقلل من دقة العمليات الكمومية حتى وإن لم تكن الكيوبتات المجاورة هي الهدف. تتبع الباحثون أن المصدر الرئيسي لهذه التداخلات هو ظاهرة تُعرف بانحراف AC Stark. يمكن للإشارات الميكروية تغيير مستويات الطاقة الفعالة للكيوبتات المجاورة، مما يغير تطور حالاتها الكمومية. يؤدي ذلك إلى انحرافات طور غير ضرورية - وهي التغير الزمني النسبي لموجات الحالة الكمومية، مما يجعل العمليات المتوقعة تنحرف عن الاتجاه الصحيح.

اكتشف فريق البحث أنه يمكن التنبؤ بهذه الانحرافات الطورية من خلال قياس تأثير الكيوبتات الفردية على بعضها البعض. استخدموا هذه القياسات لتعويض التغيرات غير الضرورية أثناء تشغيل عدة كيوبتات معًا، مما تجنب الحاجة إلى ضبط كل مجموعة ممكنة بشكل منفصل. أوضح المؤلف الرئيسي للدراسة، وو يشيان، قائلًا: "تقوم طريقتنا بتعويض الانحرافات الطورية غير الضرورية من خلال ضبط الكيوبتات بالنسبة لبعضها البعض، دون الحاجة إلى إجراء إجراءات ضبط مستقلة تمامًا لكل مجموعة ممكنة من الكيوبتات." أظهرت النتائج فعالية هذه الطريقة. عند التشغيل الفردي، كانت دقة البوابات للخمسة كيوبتات تتجاوز 99.99%، مع أفضل النتائج قريبة من 99.999%.

إمكانات وتحديات التوسع في المستقبل

عندما تعمل ثلاثة كيوبتات كحد أقصى معًا، تظل دقتها فوق 99.99%. حتى عند تشغيل خمسة كيوبتات معًا، تبقى دقة البوابات عند 99.9% أو أكثر. وصلت هذه الدقة إلى معيار واسع الاستخدام للحوسبة الكمومية القابلة للتصحيح، حيث تساعد تقنيات تصحيح الأخطاء في حماية الحسابات من التأثيرات الخاطئة. ومع ذلك، لا يعني هذا أن الباحثين قد بنوا حاسوبًا كموميًا قابلًا للتصحيح بشكل كامل.

يمكن أن يقلل استخدام خطوط ميكروية مشتركة من عدد اتصالات التحكم المطلوبة للمعالجات الكبيرة، مما يوفر المساحة، وقد يقلل من الحرارة الناتجة عن الأجهزة التحكمية. يعتبر الباحثون هذه الطريقة كأساس لوحدات قد تحتوي في المستقبل على حوالي عشرة كيوبتات، على الرغم من أن هذا التكوين الأكبر لا يزال هدفًا مستقبليًا وليس نتيجة مثبتة. لا تزال هناك تحديات أخرى قائمة. يمكن أن تسرع إشارات الميكروويف الأقوى العمليات، لكنها قد تُدخل أيضًا اضطرابات غير ضرورية، مما يؤثر على الحالة الكمومية الدقيقة للكيوبتات. اقترح الفريق تحسين التحكم في دوران الإلكترونات من خلال دمج مغناطيسات صغيرة في طبقة الأسلاك للشريحة.

يمكن أن تنتج هذه المغناطيسات المحسنة مجالات مغناطيسية محلية أقوى، مما يسمح بإجراء عمليات أسرع بقوة ميكروويف أقل. حاليًا، تعالج هذه الإنجازات عقبة في توسيع الحواسيب الكمومية السيليكونية: الحفاظ على التحكم الدقيق أثناء تشغيل عدة كيوبتات معًا. قبل أن تتمكن من دعم الحوسبة الكمومية القابلة للتصحيح بشكل عملي، سيكون من الضروري توسيع هذه الطريقة إلى مصفوفات أكبر والتحكم في مصادر الأخطاء الأخرى. تم نشر هذه الدراسة في مجلة Nature Physics.