The Knowledge Frontier

FizikiaChapisho la awaliJaribioDakika 4 za kusoma

PAKA WA KWANTUMU ANAYEBAKI MAHALI PAKE KWA DAKIKA

Kompyuta ya kwantumu itakuwa na manufaa tu ikiwa inaweza kusahihisha makosa yake yenyewe. Hilo linagharimu vifaa vingi mno — isipokuwa makosa yawe yameegemea upande mmoja. Ikiwa aina moja ya kosa karibu haitokei kamwe, msimbo wa kusahihisha unahitaji kupambana na aina nyingine tu, na unaweza kuwa rahisi zaidi kwa kiasi kikubwa.

Zile zinazoitwa kubiti za paka (cat qubits) zimejengwa ili ziegemee upande mmoja. Huhifadhi taarifa katika saketi ya upitishaji-umeme kamili (superconducting) inayoshikilia uga wa mawimbi madogo, kama mitetemo miwili inayopingana ya uga huo. Kugeuza 0 kuwa 1 — mgeuko wa biti (bit flip) — kunamaanisha kuruka kutoka mtetemo mmoja hadi mwingine. Kadiri fotoni zinavyokuwa nyingi katika uga, ndivyo hali hizo mbili zinavyokuwa mbali zaidi: migeuko ya biti inakuwa adimu zaidi kwa kasi ya kielelezo (exponentially) kadiri idadi ya fotoni inavyoongezeka, huku kosa lingine, mgeuko wa fazi (phase flip), likiongezeka kwa uwiano tu.

Mabonde mawili, udhaifu mmoja

Kuna njia mbili za kumweka paka mahali pake. Paka “wa kupoteza nishati” (dissipative) husukumwa kila mara kurudi kwenye hali zao mbili na mshirika anayepoteza nishati; tayari wanadumu kwa zaidi ya sekunde 100. Paka wa “Kerr” badala yake hukaa katika mandhari ya nishati yenye mabonde mawili yaliyotenganishwa na kizuizi, yanayoundwa kwa kusukuma saketi isiyo ya mstari (nonlinear). Faida yao ni udhibiti wa haraka. Udhaifu wao: migeuko ya biti baada ya milisekunde tu — uboreshaji mmoja wa hivi karibuni ulifikia ms 3.6, bado pungufu kwa vipeo vitano vya ukubwa (orders of magnitude).

Sababu ni kwamba hakuna kitu kinachoondoa nishati inayozurura. Kelele humsukuma paka hadi hali zilizosisimuliwa (excited states) ndani ya bonde lake, na kutoka hapo, kuteleza hadi bonde lingine kunakuwa rahisi zaidi kwa kiasi kikubwa. Mbaya zaidi, kwa msukumo mkali, kubiti kwa kawaida huingia katika resonansi (resonances) na saketi yake ya kusoma, ambazo huharibu ulinzi vibaya.

Saketi ya kusoma kama mfereji wa kutolea

Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov na wenzao katika Weizmann Institute of Science nchini Israeli waligeuza tatizo hili kuwa suluhisho. Mwingiliano uleule usio wa mstari unaochimba mabonde hayo mawili pia huunganisha misisimko ndani ya kila bonde na kitoa-mwangwi cha kusoma (readout resonator), saketi ambayo huvujisha fotoni bila kukoma kuelekea mstari wa kipimo.

Nishati ya msisimko inapolingana na pengo kati ya msukumo na kitoa-mwangwi cha kusoma — resonansi ya “kiotomatiki-parametriki” (autoparametric) — msisimko hukabidhiwa kama fotoni ya kusoma, ambayo hutoroka. 0 au 1 yenyewe huachwa bila kuguswa. Mfereji wa pili wa kutolea unatokea kupitia kichujio (filter) kilichoko kwenye mstari wa kutoa.

Timu iliipima moja kwa moja: katika resonansi, hali ya kwanza iliyosisimuliwa humwagwa haraka kadiri saketi ya kusoma inavyoruhusu, na hali za juu zaidi humwagwa kwa mtiririko wa ngazi kwa ngazi (cascade). Chipu yao — alumini juu ya silikoni, iliyopozwa hadi milikelvini 10 — haikuhitaji msukumo wa ziada wa kupoza wala kipengele cha ziada cha saketi.

Vipeo saba vya ukubwa

Mbali na resonansi hizo, migeuko ya biti bado ilitokea ndani ya milisekunde. Karibu nazo, ulinzi ulipaa juu:

  • milisekunde 519 kwenye resonansi ya kitoa-mwangwi cha kusoma (fotoni 22.4);
  • sekunde 15.4 kati ya resonansi hizo mbili (fotoni 27.3);
  • hakuna kufifia kunakopimika kwa hali iliyohifadhiwa ndani ya dirisha la kipimo la sekunde 100 kwenye resonansi ya kichujio (fotoni 33.8), yaani muda wa mgeuko wa biti wa zaidi ya sekunde 100.

Kwa kuhesabu migeuko adimu katika rekodi ndefu za usomaji unaorudiwa — migeuko 62 katika saa 15 — timu ilikadiria muda wa mgeuko wa biti katika nukta hiyo ya mwisho: sekunde 448 ± 57, zaidi ya vipeo vitano vya ukubwa juu ya paka wa Kerr waliotangulia.

Migeuko ya biti inayopungua kwa kasi ya kielelezo kadiri idadi ya fotoni inavyoongezeka ni utabiri bainifu wa paka wa Kerr, lakini ilikuwa haijawahi kuonekana. Hapa ilionekana: kila fotoni ya ziada ilizidisha muda wa mgeuko wa biti kwa 1.82 ± 0.06, kutoka mikrosekunde 52 kwa fotoni 7.4 hadi sekunde 448 kwa 33.8, takriban vipeo saba vya ukubwa, bila dalili yoyote ya kusawazika.

Milango ya haraka, usomaji mpole

Ulinzi hauna thamani ikiwa kubiti haiwezi kutumika tena. Mzunguko wa msingi wa kubiti iliyopozwa ulichukua nanosekunde 8, na kuacha msukumo wa mzunguko huo ukiwa umewashwa muda wote hakukufupisha muda wa mgeuko wa biti (sekunde 0.65 ukiwa umewashwa, 0.64 bila). Kusoma kubiti katika mikrosekunde 4 kulisababisha mgeuko mara 5 tu katika usomaji milioni 10.

Kosa lingine

Gharama yake ni mgeuko wa fazi. Unafuata kikomo kinachotarajiwa kinachowekwa na upotevu wa fotoni moja moja, takriban T₁/(2n̄), ambapo T₁ ni muda wa maisha wa fotoni katika saketi (takriban mikrosekunde 8) na n̄ ni idadi ya fotoni. Kwa fotoni 24.2, paka alidumu sekunde 3.55 dhidi ya migeuko ya biti lakini nanosekunde 113 tu dhidi ya migeuko ya fazi: upendeleo (bias) wa takriban milioni 30 kwa moja.

Waandishi wanataja njia mbili za kuziba pengo hilo. Muda wa maisha wa fotoni wa mikrosekunde 55.7 tayari umeonyeshwa kwingineko, takriban mara saba zaidi ya hapa. Na saketi zilizo baridi zaidi zingeacha misisimko michache inayozurura, na huenda zikatoa ulinzi uleule kwa fotoni chache zaidi — na hivyo migeuko michache ya fazi.