يمكن أن تتفوق أجهزة الكمبيوتر الكمومية على الحوسبة التقليدية في المهام الأساسية، لكنها عرضة للأخطاء التي تؤدي في النهاية إلى فقدان المعلومات الكمومية، مما يحد من الأجهزة الكمومية الحالية. ولذلك، لتحقيق معالجات معلومات كمومية واسعة النطاق، يحتاج العلماء إلى تطوير وتنفيذ استراتيجيات لتصحيح الأخطاء الكمومية.

باحثون في شركة الحوسبة الكمومية ومقرها باريس أليس وبوبوقد قطعت الآن، بالتعاون مع زملائها في ENS-PSL وENS de Lyon في فرنسا، خطوات كبيرة نحو الحل من خلال تعزيز الاستقرار والسيطرة على ما يسمى. بتات القط. سُميت على اسم تجربة إيروين شرودنغر الفكرية الشهيرة، تستخدم هذه البتات الكمومية حالات متماسكة للمرنان الكمي كحالات منطقية. تعد وحدات Cat الكمومية واعدة في تصحيح الأخطاء الكمومية لأنها مبنية من حالات متماسكة، مما يجعلها قوية بشكل جوهري ضد أنواع معينة من الأخطاء من البيئة.

بروتوكول قياس جديد

تعاني البتات الكمومية من نوعين من الأخطاء: تقلبات الطور وتقلبات البتات. في الحوسبة الكمومية، يعد قلب البت خطأً يؤدي إلى تغيير حالة الكيوبت من |0⟩ إلى |1⟩ أو العكس، وهو مشابه لقلب البت الكلاسيكي من 0 إلى 1. ومن ناحية أخرى، فإن قلب الطور هو خطأ يغير الطور النسبي بين |0⟩ و |1⟩ مكونات حالة تراكب الكيوبت. يمكن تثبيت البتات الكمومية من Cat ضد أخطاء قلب البتات عن طريق ربط البتات الكمومية ببيئة تتبادل بشكل تفضيلي أزواج الفوتونات مع النظام. يتصدى هذا بشكل مستقل لتأثيرات بعض الأخطاء التي تولد تقلبات البت ويضمن بقاء الحالة الكمومية ضمن المساحة الفرعية المطلوبة لتصحيح الخطأ. ومع ذلك، فإن التحدي المتمثل في تصحيح الخطأ الكمي لا يقتصر فقط على تثبيت الكيوبتات. يتعلق الأمر أيضًا بالتحكم فيها دون كسر الآليات التي تحافظ على استقرارها.

In أول من زوج من الدراسات المنشورة على arXiv خادم ما قبل الطباعة، ولم تتم مراجعته بعد من قبل النظراء، وجد الباحثون في Alice & Bob وENS-PSL وENS de Lyon طريقة لزيادة وقت قلب البتات إلى أكثر من 10 ثوانٍ - أي أربع مرات أطول من تطبيقات cat-qubit السابقة - مع الاستمرار في التحكم الكامل في كيوبت القطة. لقد حققوا ذلك من خلال تقديم بروتوكول قراءة لا يؤثر على حماية البتات في الكيوبت الكمي الخاص بهم، والذي يتكون من تراكب كمي لحالتين كموميتين كلاسيكيتين محصورتين في مرنان كمي فائق التوصيل على شريحة. والأهم من ذلك، أن مخطط القياس الجديد الذي ابتكروه لقراءة حالات البتات الكمومية والتحكم فيها لا يعتمد على عناصر تحكم مادية إضافية، والتي كانت في السابق تحد من أوقات قلب البتات التي يمكن تحقيقها.

استخدمت تصميمات التجارب السابقة ناقلًا فائق التوصيل - وهو عنصر كمي ثنائي المستوى - للتحكم في حالة البت الكمي وقراءتها. هنا، ابتكر الباحثون مخططًا جديدًا للقراءة والتحكم يستخدم نفس الرنان المساعد الذي يوفر آلية تثبيت ثنائية الفوتون للكيوبت القطي. وكجزء من هذا المخطط، قاموا بتنفيذ ما يسمى بالبوابة الشاملة التي تحول تكافؤ الحالة الكمومية إلى عدد الفوتونات في المرنان. تكافؤ عدد الفوتون هو خاصية مميزة للكيوبت القطي: التراكب المتساوي للحالتين المتماسكتين يحتوي فقط على تراكبات لأعداد فوتون زوجية، في حين أن نفس التراكب ولكن مع علامة الطرح يحتوي فقط على تراكبات لأرقام فوتون فردية. وبالتالي فإن التكافؤ يوفر معلومات حول الحالة التي يوجد بها النظام الكمي.

إعادة تصميم استقرار البتات الكمومية للقطط

قام فريق Alice & Bob بإعداد وتصوير حالات التراكب الكمومي مع التحكم أيضًا في مرحلة هذه التراكبات والحفاظ على زمن قلب البت لأكثر من 10 ثوانٍ وزمن قلب الطور أطول من 490 نانوثانية. ومع ذلك، فإن تحقيق حاسوب كمي واسع النطاق مصحح للأخطاء يعتمد على البتات الكمومية القطية لن يتطلب تحكمًا جيدًا وقراءة سريعة فحسب، بل سيتطلب أيضًا وسيلة لضمان بقاء البت الكمومي مستقرًا لفترة كافية لإجراء العمليات الحسابية. تناول الباحثون من Alice & Bob وENS de Lyon هذه المهمة المهمة والصعبة في الدراسة الثانية.

ولتحقيق كيوبت قطة مستقر، يمكن تشغيل النظام من خلال عملية ثنائية الفوتون، والتي تحقن أزواجًا من الفوتونات مع تبديد فوتونين فقط في وقت واحد. ويتم ذلك عادة عن طريق اقتران البت الكمي القط برنان مساعد وضخ عنصر يسمى الحبار غير المتماثل (ATS) مع نبضات موجات صغرية مضبوطة بدقة. ومع ذلك، فإن هذا النهج يطرح عيوبًا كبيرة، مثل تراكم الحرارة، وتنشيط العمليات غير المرغوب فيها، وضرورة إلكترونيات الموجات الدقيقة الضخمة.

وللتخفيف من هذه المشاكل، أعاد الباحثون تصميم آلية تبديد الفوتون الثنائي بحيث لا تتطلب مثل هذه المضخة الإضافية. بدلاً من ATS، قاموا بتطبيق القط الكمي في وضع مذبذب فائق التوصيل مقترنًا بوضع مساعد ضائع عبر عنصر غير خطي يتكون من وصلات جوزيفسون المتعددة. يعمل عنصر جوزيفسون بمثابة "خلاط" يجعل من الممكن مطابقة طاقة فوتونين من الكيوبتات القطية تمامًا مع طاقة فوتون واحد في الرنان المساعد. ونتيجة لذلك، في ما يسمى بعملية البارامترية الذاتية، يتم تحويل أزواج من الفوتونات في مرنان الكيوبت القط إلى فوتون واحد من الوضع المؤقت دون الحاجة إلى أي مضخة ميكروويف إضافية.

من خلال تصميم دائرة فائقة التوصيل ذات هيكل متماثل، تمكن الفريق من ربط مرنان عالي الجودة برنان منخفض الجودة من خلال نفس عنصر جوزيفسون. وبذلك قاموا بزيادة معدل تبديد الفوتونين بعامل 10 مقارنة بالنتائج السابقة، مع اقتراب زمن انعكاس البت من ثانية واحدة، وفي هذه الحالة يقتصر على الإرسال. هناك حاجة إلى معدل تبديد عالي ثنائي الفوتون لمعالجة الكيوبتات السريعة ودورات تصحيح الأخطاء القصيرة. تعتبر هذه العناصر ضرورية لتصحيح أخطاء قلب الطور المتبقية في رمز التكرار للبتات الكمومية.

التطبيقات المستقبلية مع الكيوبتات القطية

غيرهارد كيرشمايريقول فيزيائي بمعهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمومية في إنسبروك بالنمسا، ولم يشارك في أي من الدراستين، إن كلا العملين يصفان خطوات مهمة نحو تحقيق كيوبت مصحح للخطأ بالكامل. يقول كيرشماير: "هذه هي الخطوات التالية نحو التصحيح الكامل للأخطاء". "إنهم يوضحون بوضوح أنه من الممكن تحقيق حماية هائلة ضد تقلبات البتات في هذه الأنظمة، مما يدل على أن هذا النهج قابل للتطبيق لتحقيق تصحيح كامل للخطأ الكمي."

ويعترف الباحثون بوجود عقبات كبيرة. ونظرًا لأن دقة القراءة باستخدام بروتوكول البوابة الشاملة كانت محدودة نوعًا ما، فإنهم يريدون إيجاد طرق لتحسينها. سيكون عرض البوابات التي تشتمل على العديد من البتات الكمومية للقطط والتحقق مما إذا كانت حماية البتات المتأصلة لا تزال قائمة خطوة مهمة أخرى. علاوة على ذلك، مع إعداد الجهاز البارامتري التلقائي الجديد لتبادل أزواج الفوتونات، يتوقع رافائيل ليسكان، المؤسس المشارك لشركة Alice & Bob، أن يكون قادرًا على تثبيت الكيوبت القطي باستخدام أربع حالات متماسكة مختلفة بدلاً من حالتين فقط. "هدفنا هو استخدام قوة الاقتران غير الخطية غير المسبوقة لتثبيت البت الكمي المكون من أربعة مكونات، والذي من شأنه أن يوفر فى الموقع يقول ليسكان: "الحماية من خطأ الطور جنبًا إلى جنب مع الحماية من خطأ قلب البت".

يعتقد كيرشماير أن هذه النتائج تمهد الطريق لمخططات تصحيح خطأ أكثر تفصيلاً تعتمد على هذه البتات الكمومية المتحيزة بشدة للضوضاء، حيث يكون معدل تقلب البتات أقل بكثير من معدل انعكاس الطور المتبقي. يقول كيرشماير: "ستتمثل الخطوات التالية في توسيع نطاق هذا النظام لتصحيح تقلبات الطور أيضًا، وبالتالي تحقيق كيوبت مصحح للخطأ بالكامل". عالم الفيزياء. "يمكن للمرء أن يتخيل الجمع بين كلا النهجين في نظام واحد لتحقيق أفضل النتائج وتحسين أوقات قلب البتات بشكل أكبر."

• 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/cat-qubits-reach-a-new-level-of-stability/