قطة كمومية تبقى في مكانها دقائق

لن يكون الحاسوب الكمومي مفيدًا إلا إذا استطاع تصحيح أخطائه بنفسه. وهذا يكلّف قدرًا كبيرًا من العتاد — إلا إذا كانت الأخطاء غير متوازنة. فإذا كان نوع من الأخطاء لا يكاد يحدث أبدًا، فلا يتعين على شفرة التصحيح إلا أن تحارب النوع الآخر، ويمكن عندئذ أن تكون أبسط بكثير.

وقد صُمّمت ما تُسمّى كيوبتات القطة (cat qubits) لتكون غير متوازنة. فهي تخزّن المعلومات في دارة فائقة التوصيل تحتفظ بحقل ميكروويف، على هيئة اهتزازين متعاكسين لذلك الحقل. وتحويل 0 إلى 1 — أي انقلاب البت (bit flip) — يعني القفز من أحد الاهتزازين إلى الآخر. وكلما زاد عدد الفوتونات في الحقل، تباعدت الحالتان: فتصبح انقلابات البت أندر أُسّيًا مع عدد الفوتونات، بينما لا يزداد الخطأ الآخر، انقلاب الطور (phase flip)، إلا تناسبيًا.

واديان، ونقطة ضعف واحدة

ثمة طريقتان لإبقاء القطة في مكانها. فقطط «التبديد» (dissipative) تُدفع باستمرار نحو حالتيها بواسطة شريك يفقد الطاقة؛ وهي تصمد بالفعل أكثر من 100 ثانية. أما قطط «كير» (Kerr) فتستقر بدلًا من ذلك في مشهد طاقي فيه واديان يفصل بينهما حاجز، ينشأ بدفع دارة لاخطية (drive). وميزتها التحكم السريع. ونقطة ضعفها: انقلابات البت بعد ميلي ثوانٍ فقط — وقد بلغ تحسين حديث 3.6 ميلي ثانية، ولا يزال ينقصه خمس رتب عشرية.

والسبب أن لا شيء يزيل الطاقة الشاردة. فالضجيج يركل القطة إلى حالات مثارة داخل واديها، ومن هناك يصبح الانزلاق إلى الوادي الآخر أسهل بكثير. والأسوأ أنه عند الدفع القوي، يدخل الكيوبت عادةً في رنينات مع دارة القراءة تُضعف الحماية بشدة.

دارة القراءة مصرفًا

في معهد وايزمان للعلوم في إسرائيل، قلب فريقٌ يضم سيرغي هازانوف (Sergey Hazanov) وميخائيل سفينتسوف (Mikhail Svintsov) وزملاء آخرين هذه المشكلة رأسًا على عقب. فالتفاعل اللاخطي نفسه الذي يحفر الواديين يربط أيضًا الإثارات داخل كل وادٍ بمرنان القراءة (readout resonator)، وهو دارة تسرّب الفوتونات باستمرار إلى خط القياس.

وعندما تطابق طاقةُ إثارةٍ ما الفجوةَ بين إشارة الدفع ومرنان القراءة — وهو رنين «ذاتي البارامترية» (autoparametric) — تُسلَّم الإثارة على هيئة فوتون قراءة يفرّ. أما الـ0 أو الـ1 نفسه فيبقى دون مساس. ويظهر مصرف ثانٍ عبر المرشّح الموجود على خط الخرج.

وقاس الفريق ذلك مباشرة: عند الرنين، تفرغ الحالة المثارة الأولى بأسرع ما تسمح به دارة القراءة، وتُصرَّف الحالات الأعلى في شلال (cascade). ولم تحتج رقاقة الفريق — ألومنيوم على سيليكون، مبرّدة إلى 10 ميلي كلفن — إلى أي إشارة تبريد إضافية ولا أي عنصر دارة إضافي.

سبع رتب عشرية

بعيدًا عن الرنينات، ظلت انقلابات البت تحدث في غضون ميلي ثوانٍ. أما قربها، فقد قفزت الحماية عاليًا:

• 519 ميلي ثانية عند رنين مرنان القراءة (22.4 فوتون)؛
• 15.4 ثانية بين الرنينين (27.3 فوتون)؛
• لا اضمحلال قابلًا للقياس للحالة المخزّنة ضمن نافذة قياس مدتها 100 ثانية عند رنين المرشّح (33.8 فوتون)، أي أن زمن انقلاب البت يتجاوز 100 ثانية.

وبعدّ الانقلابات النادرة في سجلات طويلة من القراءات المتكررة — 62 انقلابًا في 15 ساعة — قدّر الفريق زمن انقلاب البت عند تلك النقطة الأخيرة: 448 ± 57 ثانية، أي أبعد بأكثر من خمس رتب عشرية مما بلغته قطط كير السابقة.

إن انقلابات البت التي تتناقص أُسّيًا مع عدد الفوتونات تنبؤٌ مميِّز لقطط كير، لكنها لم تُرصد قط من قبل. وها هي: كل فوتون إضافي ضرب زمن انقلاب البت في 1.82 ± 0.06، من 52 ميكروثانية عند 7.4 فوتون إلى 448 ثانية عند 33.8، أي نحو سبع رتب عشرية، دون أي علامة على الاستواء.

بوابات سريعة، وقراءة لطيفة

لا قيمة للحماية إذا لم يعد بالإمكان استخدام الكيوبت. فقد استغرق دوران أساسي للكيوبت المبرَّد 8 نانوثوانٍ، وإبقاء إشارة الدوران هذه مشغّلة طوال الوقت لم يقصّر زمن انقلاب البت (0.65 ثانية معها، و0.64 ثانية دونها). أما قراءة الكيوبت في 4 ميكروثوانٍ فلم تسبب انقلابًا إلا 5 مرات من كل 10 ملايين قراءة.

الخطأ الآخر

الثمن هو انقلاب الطور. فهو يتبع الحد المتوقع الذي يفرضه فقدان الفوتونات المفردة، أي نحو T₁/(2n̄)، حيث T₁ عمر الفوتون في الدارة (نحو 8 ميكروثوانٍ) وn̄ عدد الفوتونات. فعند 24.2 فوتون، صمدت القطة 3.55 ثانية أمام انقلابات البت، لكن 113 نانوثانية فقط أمام انقلابات الطور: أي انحياز يبلغ نحو 30 مليونًا إلى واحد.

ويشير الباحثون إلى سبيلين لسدّ الفجوة. فقد سبق أن تحققت في أماكن أخرى أعمار للفوتونات تبلغ 55.7 ميكروثانية، أي أطول بنحو سبع مرات مما هنا. ودارات أبرد ستُبقي عددًا أقل من الإثارات الشاردة، ما قد يمنح الحماية نفسها بعدد أقل من الفوتونات — وبالتالي بانقلابات طور أقل.