நிமிடக்கணக்கில் அசையாமல் இருக்கும் ஒரு குவாண்டம் பூனை

ஒரு குவாண்டம் கணினி, தன் சொந்தப் பிழைகளைத் திருத்த முடிந்தால் மட்டுமே பயனுள்ளதாக இருக்கும். அதற்கு ஏராளமான வன்பொருள் தேவைப்படுகிறது — பிழைகள் ஒருபக்கம் சாய்ந்தவையாக இருந்தால் தவிர. ஒரு வகைப் பிழை ஏறக்குறைய ஒருபோதும் நிகழாவிட்டால், திருத்தும் குறியீடு மற்ற வகையை மட்டுமே எதிர்கொள்ள வேண்டும்; அது மிக எளிமையானதாக இருக்க முடியும்.

பூனை க்யூபிட்கள் (cat qubits) என்றழைக்கப்படுபவை ஒருபக்கம் சாய்ந்தவையாக இருக்கும்படியே கட்டமைக்கப்படுகின்றன. அவை ஒரு நுண்ணலைப் புலத்தைத் தாங்கும் ஒரு மீக்கடத்தும் சுற்றில், அந்தப் புலத்தின் இரண்டு எதிரெதிர் அலைவுகளாகத் தகவலைச் சேமிக்கின்றன. ஒரு 0-ஐ 1-ஆக மாற்றுவது — ஒரு பிட் புரட்டல் (bit flip) — ஓர் அலைவிலிருந்து மற்றதற்குத் தாவுவதைக் குறிக்கிறது. புலத்தில் ஃபோட்டான்கள் எவ்வளவு அதிகமோ, இரண்டு நிலைகளும் அவ்வளவு தொலைவில் விலகியிருக்கின்றன: ஃபோட்டான் எண்ணிக்கையுடன் பிட் புரட்டல்கள் அடுக்குக்குறி அளவில் அரிதாகின்றன (exponentially rarer); மற்ற பிழையான கட்டப் புரட்டல் (phase flip) விகிதசம அளவில் மட்டுமே வளர்கிறது.

இரண்டு பள்ளத்தாக்குகள், ஒரு பலவீனமான இடம்

ஒரு பூனையை இடத்தில் வைத்திருக்க இரண்டு வழிகள் உள்ளன. “சிதறல்” (dissipative) பூனைகள், இழப்புள்ள ஒரு துணைச் சுற்றால் தொடர்ந்து அவற்றின் இரண்டு நிலைகளை நோக்கி மீண்டும் தள்ளப்படுகின்றன; அவை ஏற்கெனவே 100 வினாடிகளுக்கு மேல் நிலைத்திருக்கின்றன. மாறாக, “Kerr” பூனைகள், ஒரு நேரியலற்ற (nonlinear) சுற்றை இயக்குவதன் மூலம் உருவாக்கப்படும், ஒரு தடையால் பிரிக்கப்பட்ட இரண்டு பள்ளத்தாக்குகள் கொண்ட ஓர் ஆற்றல் நிலப்பரப்பில் அமர்கின்றன. அவற்றின் அனுகூலம் விரைவான கட்டுப்பாடு. அவற்றின் பலவீனம்: வெறும் மில்லிவினாடிகளுக்குப் பிறகே பிட் புரட்டல்கள் — அண்மைய ஒரு மேம்பாடு 3.6 ms-ஐ எட்டியது; அது இன்னும் ஐந்து அளவு வரிசைகள் குறைவு.

காரணம், வழிதவறிய ஆற்றலை எதுவும் அகற்றுவதில்லை. இரைச்சல், பூனையை அதன் பள்ளத்தாக்குக்குள்ளேயே கிளர்ந்த நிலைகளுக்கு (excited states) உதைத்துத் தள்ளுகிறது; அங்கிருந்து, மற்ற பள்ளத்தாக்குக்குச் சறுக்கிச் செல்வது மிக எளிதாகிவிடுகிறது. இன்னும் மோசமாக, வலுவான இயக்கத்தில், க்யூபிட் பொதுவாகத் தன் வாசிப்புச் சுற்றுடன் ஒத்ததிர்வுகளுக்குள் நுழைகிறது; அவை பாதுகாப்பைக் கடுமையாகச் சேதப்படுத்துகின்றன.

வடிகாலாக வாசிப்புச் சுற்று

இஸ்ரேலில் உள்ள Weizmann Institute of Science-ஐச் சேர்ந்த Sergey Hazanov, Mikhail Svintsov மற்றும் சக ஆய்வாளர்கள், இந்தச் சிக்கலைத் தலைகீழாக்கினர். இரண்டு பள்ளத்தாக்குகளையும் தோண்டும் அதே நேரியலற்ற இடைவினை, ஒவ்வொரு பள்ளத்தாக்குக்குள்ளும் உள்ள கிளர்வுகளை (excitations) வாசிப்பு ஒத்ததிர்வியுடனும் (readout resonator) இணைக்கிறது; இது அளவீட்டு இணைப்புக்குள் தொடர்ந்து ஃபோட்டான்களைக் கசியவிடும் ஒரு சுற்று.

ஒரு கிளர்வின் ஆற்றல், இயக்கு சமிக்ஞைக்கும் (drive) வாசிப்பு ஒத்ததிர்விக்கும் இடையிலான இடைவெளிக்குப் பொருந்தும்போது — ஒரு “தன்-அளவுரு” (autoparametric) ஒத்ததிர்வு — அந்தக் கிளர்வு ஒரு வாசிப்பு ஃபோட்டானாகக் கைமாற்றப்படுகிறது; அது தப்பிச் செல்கிறது. 0 அல்லது 1 தானே தொடப்படாமல் இருக்கிறது. வெளியீட்டு இணைப்பில் அமைந்துள்ள வடிகட்டியின் (filter) வழியாக இரண்டாவது வடிகால் ஒன்று தோன்றுகிறது.

குழு இதை நேரடியாக அளந்தது: ஒத்ததிர்வில், முதல் கிளர்ந்த நிலை வாசிப்புச் சுற்று அனுமதிக்கும் அளவுக்கு வேகமாகக் காலியாகிறது; உயர் நிலைகள் ஓர் அடுக்குத் தொடராக (cascade) வடிகின்றன. அவர்களின் சில்லுக்கு — சிலிக்கானின் மீது அலுமினியம், 10 மில்லிகெல்வின் வரை குளிர்விக்கப்பட்டது — கூடுதல் குளிர்விப்பு இயக்கு சமிக்ஞையோ கூடுதல் சுற்று உறுப்போ தேவைப்படவில்லை.

ஏழு அளவு வரிசைகள்

ஒத்ததிர்வுகளிலிருந்து விலகி, பிட் புரட்டல்கள் இன்னும் மில்லிவினாடிகளுக்குள் நிகழ்ந்தன. அவற்றுக்கு அருகே, பாதுகாப்பு உயர்ந்து பறந்தது:

• வாசிப்பு ஒத்ததிர்வில் 519 மில்லிவினாடிகள் (22.4 ஃபோட்டான்கள்);
• இரண்டு ஒத்ததிர்வுகளுக்கும் இடையே 15.4 வினாடிகள் (27.3 ஃபோட்டான்கள்);
• வடிகட்டி ஒத்ததிர்வில், 100 வினாடி அளவீட்டுச் சாளரத்துக்குள், சேமிக்கப்பட்ட நிலையில் அளவிடக்கூடிய எந்தச் சிதைவும் இல்லை (33.8 ஃபோட்டான்கள்); அதாவது பிட் புரட்டல் நேரம் 100 வினாடிகளுக்கு மேல்.

மீண்டும் மீண்டும் செய்யப்பட்ட வாசிப்புகளின் நீண்ட பதிவுகளில் அரிதான புரட்டல்களை எண்ணி — 15 மணி நேரத்தில் 62 புரட்டல்கள் — குழு அந்தக் கடைசிப் புள்ளியில் பிட் புரட்டல் நேரத்தை மதிப்பிட்டது: 448 ± 57 வினாடிகள்; இது முந்தைய Kerr பூனைகளை விட ஐந்து அளவு வரிசைகளுக்கும் மேலானது.

ஃபோட்டான் எண்ணிக்கையுடன் அடுக்குக்குறி அளவில் குறையும் பிட் புரட்டல்கள், Kerr பூனைகளுக்கான ஒரு வரையறுக்கும் கணிப்பு; ஆனால் அவை ஒருபோதும் அவதானிக்கப்பட்டதில்லை. இங்கே அது தென்பட்டது: சேர்க்கப்பட்ட ஒவ்வொரு ஃபோட்டானும் பிட் புரட்டல் நேரத்தை 1.82 ± 0.06 மடங்கு பெருக்கியது; 7.4 ஃபோட்டான்களில் 52 மைக்ரோவினாடிகள் என்பதிலிருந்து 33.8-இல் 448 வினாடிகள் வரை, ஏறக்குறைய ஏழு அளவு வரிசைகள், தேக்கமடைவதற்கான எந்த அறிகுறியும் இல்லாமல்.

விரைவான வாயில்கள், மென்மையான வாசிப்பு

க்யூபிட்டை இனிப் பயன்படுத்த முடியாவிட்டால் பாதுகாப்பு பயனற்றது. குளிர்விக்கப்பட்ட க்யூபிட்டின் ஓர் அடிப்படைச் சுழற்சி 8 நானோவினாடிகள் எடுத்தது; அந்தச் சுழற்சிக்கான இயக்கு சமிக்ஞையைத் தொடர்ந்து இயக்கத்தில் வைத்திருந்தது பிட் புரட்டல் நேரத்தைக் குறைக்கவில்லை (அதனுடன் 0.65 s, அது இல்லாமல் 0.64 s). 4 மைக்ரோவினாடிகளில் க்யூபிட்டை வாசிப்பது, வாசிப்புகளில் 10 மில்லியனில் 5 முறை மட்டுமே ஒரு புரட்டலை ஏற்படுத்தியது.

மற்ற பிழை

இதற்கான விலை கட்டப் புரட்டல். அது ஒற்றை ஃபோட்டான்களின் இழப்பால் நிர்ணயிக்கப்படும் எதிர்பார்க்கப்பட்ட வரம்பைப் பின்பற்றுகிறது, ஏறக்குறைய T₁/(2n̄); இங்கே T₁ என்பது சுற்றின் ஃபோட்டான் ஆயுட்காலம் (ஏறக்குறைய 8 மைக்ரோவினாடிகள்), n̄ என்பது ஃபோட்டான் எண்ணிக்கை. 24.2 ஃபோட்டான்களில், பூனை பிட் புரட்டல்களுக்கு எதிராக 3.55 வினாடிகள் நிலைத்தது; ஆனால் கட்டப் புரட்டல்களுக்கு எதிராக வெறும் 113 நானோவினாடிகள் மட்டுமே: ஏறக்குறைய 30 மில்லியனுக்கு ஒன்று என்ற சாய்வு (bias).

இடைவெளியைக் குறைக்க ஆசிரியர்கள் இரண்டு வழிகளைச் சுட்டிக்காட்டுகின்றனர். 55.7 மைக்ரோவினாடிகள் அளவிலான ஃபோட்டான் ஆயுட்காலங்கள் ஏற்கெனவே வேறிடங்களில் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளன; இது இங்கே உள்ளதை விட ஏறக்குறைய ஏழு மடங்கு நீளமானது. மேலும், அதிகக் குளிர்ச்சியான சுற்றமைப்பு குறைவான வழிதவறிய கிளர்வுகளையே விட்டுச்செல்லும்; இது குறைவான ஃபோட்டான்களுடன் அதே பாதுகாப்பைத் தரக்கூடும் — எனவே குறைவான கட்டப் புரட்டல்களுடன்.