على مدار تاريخ الحوسبة الكمومية، تحسن زمن تماسك الكيوبتات فائقة التوصيل ــ أي الوقت الذي تحتفظ فيه بمعلوماتها الكمومية ــ بشكل كبير. أحد التحسينات الرئيسية يأتي من وضع الكيوبتات فائقة التوصيل داخل تجاويف مرنان الموجات الدقيقة ثلاثية الأبعاد، والتي تحافظ على حالة الكيوبت عن طريق تشفيرها في الفوتونات المخزنة في التجويف.
في دراسة حديثة، قام باحثون من معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل بتوسيع حدود هذه الطريقة من خلال عرض إعداد كيوبت تجويفي ثلاثي الأبعاد جديد مع وقت تماسك فوتون واحد يبلغ 34 مللي ثانية (ms). يعد وقت التماسك الطويل أمرًا أساسيًا لتحقيق عمليات كيوبت منخفضة الأخطاء (وبالتالي تقليل الأجهزة المطلوبة لتحمل الخطأ)، ويحطم وقت التماسك الجديد الرقم القياسي السابق بأكثر من مرتبة.
تعتبر البتات الكمومية حساسة للغاية لبيئاتها، وتفقد المعلومات بسهولة بسبب الضوضاء. وللحفاظ على حالات الكيوبت لفترة أطول، تحول الباحثون إلى تجاويف مرنان الموجات الدقيقة كشكل من أشكال أجهزة التخزين. وكما يوحي اسمها، فإن هذه التجاويف عبارة عن هياكل ثلاثية الأبعاد تشتمل على مساحة مجوفة مصممة لاستيعاب شريحة الكيوبت فائقة التوصيل وفوتونات الموجات الدقيقة التي تتفاعل معها. من خلال عملية تشفير تتضمن تطبيق نبضات موجات صغرية محددة، يتم نقل حالة الكيوبت إلى حالة التجويف وتخزينها هناك. بمجرد مرور الفترة المطلوبة، يتم استرداد الحالة عن طريق تشفيرها مرة أخرى في جهاز الإرسال. وبالتالي يلعب التجويف دورًا حاسمًا في التحكم وقياس الكيوبت الموجود داخله.
بالنسبة للتطبيقات العملية في معالجة المعلومات الكمومية، يجب أن يكون التجويف قادرًا على تخزين الحالة الكمومية لفترات طويلة. ومع ذلك، فإن تحقيق ذلك ليس بالأمر السهل بسبب عوامل خارجية مختلفة. نظرًا لأنها أصغر جسيمات الضوء، فمن الصعب حصر الفوتونات، كما أنها تُفقد بسهولة. تعد الاضطرابات في شريحة الكيوبت الموضوعة داخل التجويف مصادر مهمة لتخميد الفوتون وفك الترابط. يؤدي تكوين طبقة أكسيد غير مرغوب فيها على سطح التجويف إلى تقليل عمر الفوتون.
هندسة تصميم تجويف جديد
بقيادة سيرج روزنبلوم, أوفير ميلول, باركاي جوتيلو أوري جولدبلات، وايزمان فريق تغلب وزملاؤه على هذه التحديات من خلال تصميم تجويف النيوبيوم فائق التوصيل ومنخفض الفقد، والذي يدعم كيوبتًا أحادي الفوتون طويل العمر. واستخدموا النيوبيوم عالي النقاء لتصنيع جزأين منفصلين من التجويف، ثم قاموا لاحقًا بلحام الأجزاء معًا لمنع تسرب الفوتونات. كما قاموا بإزالة الأكسيد والملوثات السطحية عن طريق تلميع التجويف كيميائيًا.
يبدو الهيكل الناتج قليلاً مثل مظلة مفتوحة، مع هندسة نصف إهليلجية تتطور إلى دليل موجي ضيق حيث سيكون مقبض المظلة. مثل طبق هوائي الأقمار الصناعية، الذي له سطح منحني يعكس موجات الراديو نحو النقطة المحورية له، فإن البنية الإهليلجية للتجويف تركز المجال الكهرومغناطيسي في مركز السطح المسطح للنصف الآخر من التجويف (انظر الصورة).
يقول روزنبلوم: بمجرد أن قام الفريق بتحضير التجويف، "كان التحدي الأكبر هو دمج البت الكمي فائق التوصيل في التجويف دون التقليل من عمر الفوتون في التجويف". "هذا يعيدنا إلى عملية التوازن سيئة السمعة في الأنظمة الكمومية بين إمكانية التحكم من جانب والعزلة من الجانب الآخر."
حقق الباحثون هذا التوازن من خلال وضع حوالي ملليمتر واحد فقط من شريحة الإرسال داخل التجويف الإهليلجي، بينما تم وضع الباقي داخل الدليل الموجي. يقلل هذا التكوين من الخسائر الناجمة عن الرقاقة. ومع ذلك، فإن تعرض التجويف المحدود للرقاقة يؤدي إلى إضعاف التفاعل بين التجويف والترانسمون، لذلك عوض الباحثون ذلك عن طريق تطبيق نبضات موجات صغرية قوية لتشفير حالة الكيوبت في التجويف.
الاستفادة من تجويف الذاكرة الكمومية وتصحيح الخطأ الكمي
بفضل هذا التصميم المبتكر للتجويف، حقق الباحثون عمرًا للفوتون الواحد يبلغ 25 مللي ثانية ووقت تماسك قدره 34 مللي ثانية. يعد هذا تحسنًا كبيرًا مقارنة بالتجويف الحديث السابق، والذي كان وقت تماسكه حوالي 2 مللي ثانية.
كما أظهر روزنبلوم وزملاؤه طريقة لتصحيح الأخطاء تُعرف باسم تصحيح الخطأ الكمي البوسوني، حيث يتم تخزين معلومات الكيوبت بشكل متكرر في فوتونات متعددة تشغل التجويف (ما يسمى بحالات قطة شرودنغر). وهذا يحافظ على حالة الكيوبت الهشة من خلال تخزينها في العديد من فوتونات التجاويف، وليس فقط عدد قليل منها. والعيب هو أنه مع زيادة عدد الفوتونات المخزنة، يزداد معدل فقدان الفوتون. وعلى الرغم من هذا القيد، حقق فريق وايزمان حالات قطة شرودنغر بحجم 1024 فوتونًا. يتوافق هذا مع متوسط عدد 256 فوتونًا، وهو أكبر بعشر مرات من العروض السابقة، وهو تقدم ملحوظ يمكن أن يحسن أداء تصحيح الخطأ الكمي البوسوني.
تصل البتات الكمومية من Cat إلى مستوى جديد من الاستقرار
ومع عمر الفوتون الذي يزيد بمقدار أربع مرات عن الوقت اللازم لعمليات البوابة، يوفر هذا الاختراق وقتًا كافيًا للتحكم في الكيوبت قبل أن يفقد المعلومات. وبالنظر إلى المستقبل، يقول روزنبلوم إن هدف الفريق هو إجراء عمليات كمية على هذه التجاويف بدقة غير مسبوقة، أو احتمالية النجاح. والجدير بالذكر أنه يذكر أنه بعد نشر الدراسة في PRX الكم، قام الفريق بمضاعفة عمر الفوتون الفردي إلى 60 مللي ثانية، مما يشير إلى إمكانية كبيرة لمزيد من التقدم.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://physicsworld.com/a/novel-superconducting-cavity-qubit-pushes-the-limits-of-quantum-coherence/
