الملخص:
اقترح فريق بحث علمي دولي مؤخرًا طريقة جديدة لقراءة المعلومات الكمومية، والتي من المتوقع أن تحصل على حالة الكيوبت دون إزعاج النظام الكمي بشكل كبير، مما يوفر مسارًا تقنيًا أكثر كفاءة لمراقبة أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية والتحكم فيها. وتظهر الأبحاث أن نوعا من الأجهزة الكمومية يسمى "أندريف كيوبت" يمكنه كشف حالته الداخلية من خلال الإشارة الحالية التي يولدها، وبالتالي تقليل تدمير المعلومات الكمومية أثناء القياسات التقليدية.
في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية، يمكن للبتات أن تتخذ حالتين فقط: 0 أو 1. ومع ذلك، لا يمكن للبتات الكمومية في الحوسبة الكمومية أن تمثل 0 و1 فحسب، بل يمكن أيضًا أن تكون في حالة كمومية تتشكل من تراكب الاثنين. وهذه الخاصية هي التي تجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية من المتوقع أن تتفوق بكثير على أجهزة الكمبيوتر التقليدية في مهام محددة. ولكن في الوقت نفسه، فإن الحالات الكمومية هشة للغاية، ويمكن للتدخل البيئي وعملية القياس نفسها أن تغير حالتها وتتسبب في فقدان المعلومات.
يركز هذا البحث على كيوبتات أندريف. تعتمد هذه البتات الكمومية على حالات كمومية خاصة تتشكل بين مواد فائقة التوصيل. يتكون النظام الذي صممه فريق البحث من أسلاك نانوية من زرنيخيد الإنديوم رفيعة للغاية. ويتصل طرفا السلك النانوي بمواد فائقة التوصيل، وتتشكل نقطة كمومية في المنتصف للحد من مساحة نشاط الإلكترون. تتشكل حالة أندريف كيوبت في هذه البيئة المجهرية.
وقال خوسيه كارلوس إيجيس، أحد قادة البحث والأستاذ في معهد ساو كارلوس للفيزياء بجامعة ساو باولو في البرازيل، إنه في إطار ميكانيكا الكم التقليدية، غالبًا ما يؤدي القياس المباشر للبتات الكمومية إلى انهيارها إلى حالة معينة، وبالتالي تدمير المعلومات المحفوظة في الأصل. لذلك، فإن العديد من حلول الحوسبة الكمومية الحالية ستقدم الكيوبتات المساعدة باعتبارها "وسطاء" لنقل المعلومات أولاً إلى الكيوبتات المساعدة ثم قياس الأخيرة لتقليل التأثير على البتات الكمومية المستهدفة.
ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة معدات وخطوات تشغيل إضافية، مما يزيد من تعقيد النظام. واقترح فريق البحث فكرة مختلفة، وهي استخدام الإشارة الناتجة عن الكيوبت المستهدف نفسه مباشرة لقراءة المعلومات دون اللجوء إلى الكيوبتات المساعدة.
وفقًا للحسابات النظرية، يتم وضع الكيوبت في دائرة مغلقة فائقة التوصيل، ويتدفق تيار فائق دون مقاومة في الدائرة. لقد وجدت الأبحاث أنه عندما تكون الكيوبتات في حالة تراكب، فإن التداخل الكمي بين الحالات المختلفة يتسبب في إنتاج بعض التيارات الفائقة لتذبذبات دورية. هذه الإشارة المتذبذبة هي المفتاح للباحثين للحصول على المعلومات الكمومية.
عادةً، يتطلب هذا النوع من ظاهرة التذبذب تطبيق جهد كهربائي لإنتاجه، وهو تأثير AC Josephson الشهير. النظام المقترح في هذه الدراسة لا يتطلب جهدًا خارجيًا، والتذبذب مستمد بالكامل من عملية تطور حالة الكيوبت. وهذا يعني أن الكيوبت سوف "يحرر" معلومات الحالة الخاصة به بشكل نشط.
من أجل الكشف عن هذه الإشارة الضعيفة، قام الباحثون بتصميم واستخدام SQUID (مقياس التداخل الكمي فائق التوصيل) كجهاز قراءة. SQUID قادر على اكتشاف تغيرات المجال المغناطيسي الضعيفة للغاية. صرح فريق البحث بوضوح أن الكيوبت وSQUID يمكن اعتبارهما بوصلتين قريبتين من بعضهما البعض. سيولد التيار في الكيوبت مجالًا مغناطيسيًا، وسيستشعر SQUID هذا التغيير في المجال المغناطيسي. وبما أن الاقتران بين الاثنين ضعيف للغاية، فإن الاضطراب الناتج عن جهاز القياس على الكيوبت نفسه محدود جدًا أيضًا.
كشف المزيد من التحليل أن جميع المعلومات الأساسية حول حالة الكيوبت تم تشفيرها في التيار الفائق. يحتوي التيار الفائق على جزء ثابت وجزء متأرجح. يمكن أن تكشف قيمة التيار الثابت وسعة التذبذب عن نسبة 0 و1 في الحالة الكمومية، بينما يعكس الوقت الذي يبدأ فيه التذبذب علاقة الطور بين الحالتين. ومن خلال تسجيل كيفية تغير التيار مع مرور الوقت، تمكن الباحثون من إعادة بناء الحالة الكمومية الأصلية للكيوبت.
يتمتع هذا النهج أيضًا بميزة مهمة تتمثل في السماح للباحثين بتتبع تطور الكيوبتات بشكل مستمر دون الحاجة إلى إعادة تهيئتها بعد كل قياس، مما يسهل مراقبة السلوك الديناميكي للأنظمة الكمومية.
أضاف فريق البحث عوامل واقعية مثل ضوضاء القياس وردود فعل ملف الكشف إلى تجربة المحاكاة. أظهرت النتائج أن دقة القياس يمكن أن تصل إلى 99.52%، 99.81% و99.85% على التوالي، اعتماداً على عدد القياسات. لقد وصلت هذه المؤشرات إلى متطلبات الدقة الشائعة الاستخدام في تقنية تصحيح الأخطاء الكمومية الحالية. وأشار الباحثون إلى أن هذا الحل لا يحل بشكل أساسي المشكلة الأساسية المتمثلة في التأثير الحتمي للقياسات الكمومية، لكنه يمكن أن يقلل هذا التأثير إلى مستوى منخفض جدًا مع التخلص من الاعتماد على الكيوبتات المساعدة في حلول القياس التقليدية غير المدمرة.
تم إكمال هذه الدراسة بشكل مشترك من قبل باحثين من جامعة ساو باولو في البرازيل ومعهد بكين للتكنولوجيا في الصين. تم نشر النتائج ذات الصلة في "المراجعة البدنية ب". وذكر فريق البحث أن تقنية SQUID المستخدمة للكشف عن التيارات الضعيفة للغاية والمجالات المغناطيسية أصبحت ناضجة بالفعل، لذلك ليست هناك حاجة لانتظار مواد جديدة أو اختراقات في تكنولوجيا التصنيع لتنفيذ هذا الحل. جميع المعلمات المستخدمة في الدراسة مستمدة من أنظمة حقيقية. الشيء الوحيد الذي لم يتم بناؤه فعليًا هو هيكل الجهاز المحدد والتخطيط التجريبي الذي اقترحه فريق البحث.
يعتقد الباحثون أنه طالما تم الانتهاء من التحقق التجريبي المقابل، فمن المتوقع أن تصبح هذه الطريقة الجديدة لقراءة المعلومات الكمومية من خلال التيار الفائق للكيوبت نفسه أساسًا تقنيًا مهمًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية لتحقيق مراقبة عالية الدقة ومنخفضة التداخل.
التعليقات