گربه‌ای کوانتومی که دقیقه‌ها سر جایش می‌ماند
رایانهٔ کوانتومی تنها در صورتی سودمند خواهد بود که بتواند خطاهای خودش را تصحیح کند. این کار سخت‌افزار بسیار زیادی می‌طلبد — مگر آنکه خطاها نامتقارن باشند. اگر یک نوع خطا تقریباً هرگز رخ ندهد، کد تصحیح‌کننده فقط باید با نوع دیگر بجنگد، و می‌تواند بسیار ساده‌تر باشد.
به اصطلاح کیوبیت‌های گربه‌ای (cat qubits) طوری ساخته شده‌اند که نامتقارن باشند. آن‌ها اطلاعات را در یک مدار ابررسانا که یک میدان ریزموج را در خود نگه می‌دارد، به صورت دو نوسان مخالف آن میدان ذخیره می‌کنند. تبدیل یک 0 به یک 1 — یک وارونگی بیت (bit flip) — به معنای پریدن از یک نوسان به دیگری است. هرچه فوتون‌های میدان بیشتر باشند، دو حالت از هم دورترند: وارونگی‌های بیت با افزایش شمار فوتون‌ها به‌طور نمایی نادرتر می‌شوند، در حالی که خطای دیگر، یعنی وارونگی فاز (phase flip)، تنها به‌طور متناسب افزایش می‌یابد.
دو دره، یک نقطهٔ ضعف
دو راه برای نگه داشتن یک گربه در جایش وجود دارد. گربه‌های «اتلافی» (dissipative) به‌طور پیوسته به دست شریکی پراتلاف به سوی دو حالتشان بازگردانده می‌شوند؛ آن‌ها هم‌اکنون بیش از 100 ثانیه دوام می‌آورند. در مقابل، گربه‌های «کر» (Kerr) در چشم‌اندازی انرژی با دو دره که سدی آن‌ها را از هم جدا می‌کند جای دارند، چشم‌اندازی که با رانش (drive) یک مدار غیرخطی پدید می‌آید. مزیت آن‌ها کنترل سریع است. ضعفشان: وارونگی بیت تنها پس از چند میلی‌ثانیه — یکی از بهبودهای اخیر به 3.6 میلی‌ثانیه رسید، که هنوز پنج مرتبهٔ بزرگی کم دارد.
دلیلش این است که هیچ چیز انرژی سرگردان را بیرون نمی‌برد. نوفه گربه را به حالت‌های برانگیخته در درون دره‌اش پرتاب می‌کند، و از آنجا، لغزیدن به درهٔ دیگر بسیار آسان‌تر می‌شود. بدتر آنکه، در رانش قوی، کیوبیت معمولاً وارد تشدیدهایی با مدار خوانش خود می‌شود که حفاظت را به‌شدت آسیب می‌زنند.
مدار خوانش در نقش زهکش
سرگئی هازانوف (Sergey Hazanov)، میخائیل سوینتسوف (Mikhail Svintsov) و همکارانشان در مؤسسهٔ علوم وایزمن (Weizmann Institute of Science) در اسرائیل این مشکل را به سود خود برگرداندند. همان برهم‌کنش غیرخطی‌ای که دو دره را می‌کَند، برانگیختگی‌های درون هر دره را نیز به تشدیدگر خوانش پیوند می‌دهد، مداری که پیوسته فوتون‌ها را به خط اندازه‌گیری نشت می‌دهد.
وقتی انرژی یک برانگیختگی با فاصلهٔ میان رانش و تشدیدگر خوانش برابر شود — تشدیدی «خودپارامتری» (autoparametric) — برانگیختگی به صورت یک فوتون خوانش تحویل داده می‌شود که می‌گریزد. خودِ 0 یا 1 دست‌نخورده می‌ماند. زهکش دومی از راه فیلتری که روی خط خروجی قرار دارد پدیدار می‌شود.
گروه این را مستقیماً اندازه گرفت: در حالت تشدید، نخستین حالت برانگیخته به همان سرعتی خالی می‌شود که مدار خوانش اجازه می‌دهد، و حالت‌های بالاتر به صورت آبشاری تخلیه می‌شوند. تراشهٔ آن‌ها — آلومینیوم روی سیلیسیم، سردشده تا 10 میلی‌کلوین — به هیچ رانش سرمایشی اضافی و هیچ عنصر مداری اضافی نیاز نداشت.
هفت مرتبهٔ بزرگی
دور از تشدیدها، وارونگی‌های بیت همچنان در عرض چند میلی‌ثانیه رخ می‌دادند. نزدیک آن‌ها، حفاظت اوج گرفت:
- 519 میلی‌ثانیه روی تشدید خوانش (22.4 فوتون)؛
- 15.4 ثانیه میان دو تشدید (27.3 فوتون)؛
- هیچ واپاشی قابل‌اندازه‌گیری‌ای از حالت ذخیره‌شده در یک پنجرهٔ اندازه‌گیری 100 ثانیه‌ای روی تشدید فیلتر (33.8 فوتون)، یعنی زمان وارونگی بیتی بیش از 100 ثانیه.
گروه با شمردن وارونگی‌های نادر در ثبت‌های طولانی از خوانش‌های تکراری — 62 وارونگی در 15 ساعت — زمان وارونگی بیت را در آن نقطهٔ آخر برآورد کرد: 448 ± 57 ثانیه، بیش از پنج مرتبهٔ بزرگی فراتر از گربه‌های کرِ پیشین.
وارونگی‌های بیتی که با شمار فوتون‌ها به‌طور نمایی کاهش می‌یابند، پیش‌بینی شاخصی برای گربه‌های کر است، اما هرگز مشاهده نشده بود. اینجا مشاهده شد: هر فوتون اضافی زمان وارونگی بیت را 1.82 ± 0.06 برابر کرد، از 52 میکروثانیه در 7.4 فوتون تا 448 ثانیه در 33.8 فوتون، یعنی حدود هفت مرتبهٔ بزرگی، بی‌هیچ نشانه‌ای از هموار شدن.
گیت‌های سریع، خوانش ملایم
حفاظت بی‌ارزش است اگر دیگر نتوان از کیوبیت استفاده کرد. یک چرخش پایه روی کیوبیت سردشده 8 نانوثانیه طول کشید، و روشن نگه داشتن رانش آن چرخش در تمام مدت، زمان وارونگی بیت را کوتاه نکرد (0.65 ثانیه با آن، 0.64 ثانیه بدون آن). خواندن کیوبیت در 4 میکروثانیه تنها 5 بار در 10 میلیون خوانش به وارونگی انجامید.
خطای دیگر
بهای آن، وارونگی فاز است. این خطا از حد مورد انتظاری پیروی می‌کند که از دست رفتن تک‌فوتون‌ها تعیین می‌کند، یعنی حدود T₁/(2n̄)، که در آن T₁ طول عمر فوتون در مدار است (حدود 8 میکروثانیه) و n̄ شمار فوتون‌ها. در 24.2 فوتون، گربه 3.55 ثانیه در برابر وارونگی بیت دوام آورد اما تنها 113 نانوثانیه در برابر وارونگی فاز: سوگیری (bias) حدود 30 میلیون به یک.
نویسندگان به دو راه برای کم کردن این فاصله اشاره می‌کنند. طول عمرهای فوتونی 55.7 میکروثانیه پیش‌تر در جاهای دیگر نشان داده شده‌اند، حدود هفت برابر طولانی‌تر از اینجا. و مدارهای سردتر برانگیختگی‌های سرگردان کمتری بر جا می‌گذارند، که شاید همان حفاظت را با فوتون‌های کمتر — و در نتیجه وارونگی‌های فاز کمتر — به دست دهد.