حاسوب كمومي يعتمد على السيليكون ينجح في أداء العمليات المنطقية لأول مرة

يُعد السيليكون عنصرًا أساسيًا في الإلكترونيات الحديثة، ويتزايد استخدامه حاليًا في الحوسبة الكمومية. يُشكل توافق السيليكون مع تقنيات الرقائق الحالية، إضافةً إلى فترات التماسك الطويلة في الكيوبتات الدورانية المصنوعة منه على وجه الخصوص، مادةً واعدةً للحوسبة الكمومية القابلة للتطوير. أظهرت دراسة جديدة، نُشرت في مجلة Nature Nanotechnology، استخدام السيليكون في معالج كمومي منطقي، هو الأول من نوعه.

معالج كمومي منطقي من السيليكون

إن الحواسيب الكمومية شديدة الحساسية للأخطاء الناتجة من التشويش البيئي، ما يُشكل عائقًا أمام الحوسبة الكمومية العملية. يُمكن ترميز المعلومات في كيوبتات منطقية باستخدام الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء (FTQC) للمساعدة على الحد من هذه الأخطاء. لم يُستخدم السيليكون في العمليات المنطقية ضمن تقنية FTQC قبل هذه الدراسة.

كتب المؤلفون: «يُؤدي ازدحام الترددات والتداخل في المعالجات الكمومية القائمة على السيليكون إلى تفاقم الأخطاء مع ازدياد حجم النظام. يُعد الترميز المنطقي لمعالجة هذه الأخطاء الحل الأمثل، بتخزين المعلومات الكمومية بشكلٍ مُكرر عبر كيوبتات فيزيائية متعددة. في حين ثبت نجاح استخدام الكيوبتات والعمليات المنطقية في منصات مثل الدوائر فائقة التوصيل، والذرات المتعادلة، ومراكز النيتروجين-الفراغ، والأيونات المحصورة، فإن تطبيقها في كيوبتات الدوران القائمة على السيليكون يُشكل تحديات تقنية كبيرة».

تمكن الفريق من التغلب على هذه التحديات. استخدم فريق البحث خمسة لفات نووية للفوسفور في عنقود مانح من السيليكون بوصفه وحدات بت كمومية لإنشاء المعالج الكمومي المنطقي. استخدموا رمز [[4, 2, 2]]، وهو رمز كمومي لكشف الأخطاء، يشفر بتين منطقيين إلى أربع بتات فيزيائية، ويتطلب الحد الأدنى من الموارد لإثبات تحمل الأخطاء الكمومية. نُفذت البوابات المنطقية باستخدام مزيج من الرنين المغناطيسي النووي ورنين الدوران الإلكتروني. تمكن الجهاز الناتج من معالجة المعلومات الكمومية مع التحقق من الأخطاء وتقليل تداخل الإشارات، أو التشويش المتبادل، وهو مصدر رئيسي للخطأ في الأنظمة الكمومية.

محاكاة ناجحة

اختبر الفريق حاسوبهم الكمومي المصنوع من السيليكون في مهمة حساب طاقة الحالة الأرضية لجزيء الماء. استخدموا خوارزمية كمومية تُسمى مُحلِل القيم الذاتية الكمومي التبايني (VQE) لمحاكاة الحالة الأرضية لجزيء الماء باستخدام الكيوبتات المنطقية.

«استخدمنا تكاملًا لثلاث تقنيات للحد من الأخطاء في التجربة، تشمل فحوصات التكافؤ لضمان بقاء البيانات في فضاء الشفرة، ومطابقة كليفورد للحد من الأخطاء باستخدام دالة مطابقة مُعايرة مسبقًا fCF، والتحقق من التناظر لإسقاط مصفوفة الكثافة على فضاء التناظر المقيد بالهاميلتوني».

أظهرت النتائج أن تقنيات الحد من الأخطاء حسنت دقة التجربة بشكل ملحوظ، وأهم من ذلك كما ذكر الفريق، أن نتائج تجربة VQE تُظهر توافقًا ملحوظًا مع القيم النظرية.

الخطوات التالية

يمثل نجاح تطبيق المعالج الكمومي المنطقي في السيليكون إنجازًا مهمًا نحو حوسبة كمومية قابلة للتوسع. يشير الفريق إلى وجود خطط لتحسين توزيع وحدات التبرع، ويأمل في تقليل التشويش المتبادل لتعزيز الأداء. ويتطلع إلى توسيع نطاق المشروع ليشمل المزيد من الكيوبتات المنطقية ومصفوفات أكبر من وحدات التبرع في مشاريع مستقبلية.

يختتم الباحثون حديثهم بتوضيح المزيد من خططهم المستقبلية: «ستُصنع مصفوفات عناقيد وحدات التبرع لتوسيع نطاق هذا النظام وتحقيق بنية الحوسبة الكمومية بتحويل فورييه (FTQC)، إذ يمكن إعادة تكوين مصفوفات عناقيد وحدات التبرع بمرونة لاستيعاب ترميزات تحويل فورييه المختلفة. نتصور مخططات FTQC مصممة خصيصى لهذا النظام باستخدام الميزات التي عُرضت في هذا العمل، يشمل ذلك بوابات توفولي عالية الاتصال، والضوضاء ذات التحيز القوي، والحالات المنطقية المشفرة في عناقيد. يمثل هذا العمل نقلة نوعية من تشغيل الكيوبتات الفيزيائية إلى الترميز المنطقي بتحويل فورييه في الحوسبة الكمومية السيليكونية».