دانشمندان بر مانعی پنهان در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی قدرتمندتر غلبه کردند

پژوهشگران مرکز علوم مواد نوظهور مؤسسه تحقیقاتی RIKEN ژاپن، با همکاری گروهی از دانشمندان، موفق شدند پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی را به‌طور هم‌زمان و با دقت بسیار بالا کنترل کنند؛ دستاوردی که می‌تواند به توسعه رایانه‌های کوانتومی بزرگ‌تر و قدرتمندتر کمک کند. این پژوهش به سرپرستی لئون کامنزینْد (Leon Camenzind) انجام شد. محققان از آرایه‌ای شامل پنج کیوبیت استفاده کردند که همگی به یک خط کنترل مایکروویوی مشترک متصل بودند. کیوبیت (Qubit) واحد پایه اطلاعات در رایانه‌های کوانتومی است. برخلاف بیت‌های رایانه‌های معمولی که مقدار صفر یا یک دارند، کیوبیت‌ها می‌توانند در حالت برهم‌نهی کوانتومی قرار بگیرند. در کیوبیت‌های اسپینی سیلیکونی، اطلاعات کوانتومی با استفاده از ویژگی اسپین ذرات، مانند الکترون‌ها، ذخیره و پردازش می‌شود. یکی از چالش‌های مهم در توسعه پردازنده‌های کوانتومی، کنترل هم‌زمان تعداد زیادی کیوبیت بدون کاهش دقت عملکرد آن‌هاست. پژوهشگران دریافتند که پدیده‌ای به نام «جابجایی استارک متناوب» (AC Stark Shift) یکی از عوامل اصلی ایجاد خطا هنگام فعالیت هم‌زمان کیوبیت‌هاست. این پدیده به تغییر فرکانس یا سطوح انرژی یک سامانه کوانتومی در اثر میدان الکترومغناطیسی متناوب اشاره دارد. برای برطرف‌کردن این مشکل، محققان روشی برای کالیبراسیون توسعه دادند که اثر این جابه‌جایی‌ها را جبران می‌کند و امکان کنترل دقیق‌تر کیوبیت‌ها را فراهم می‌سازد. یی-هسین وو (Yi-Hsien Wu)، نویسنده نخست مقاله، توضیح می‌دهد که نتایج نشان می‌دهند حتی هنگام فعالیت هم‌زمان چند کیوبیت نیز می‌توان دقت بالای کنترل کوانتومی را حفظ کرد.

نتایج آزمایش از نظر دقت عملکرد قابل‌توجه بودند

منظور از «دقت گیت» (Gate Fidelity)، میزان انطباق عملکرد واقعی یک عملیات کوانتومی با نتیجه ایدئال مورد انتظار است. کامنزیند همچنین اشاره می‌کند که بهبود طراحی تجهیزات می‌تواند به کاهش پدیده ناهمدوسی کوانتومی (Decoherence) کمک کند؛ فرایندی که طی آن سامانه کوانتومی بر اثر تعامل با محیط، بخشی از ویژگی‌های کوانتومی و قابلیت پردازش دقیق اطلاعات خود را از دست می‌دهد. این دستاورد از امکان استفاده از خطوط کنترل مشترک برای افزایش تعداد کیوبیت‌ها در پردازنده‌های کوانتومی پشتیبانی می‌کند و گامی در مسیر ساخت رایانه‌های کوانتومی سیلیکونی مقاوم در برابر خطا به شمار می‌رود.

نکته کلیدی

پژوهشگران توانسته‌اند با شناسایی و جبران یکی از منابع پنهان خطا، پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی را به‌طور هم‌زمان با دقت بسیار بالا کنترل کنند. این پیشرفت نشان می‌دهد که استفاده از خطوط کنترل مشترک می‌تواند راهکاری عملی برای افزایش مقیاس پردازنده‌های کوانتومی باشد؛ هرچند ساخت رایانه‌های کوانتومی بزرگ و مقاوم در برابر خطا همچنان به پیشرفت‌های بیشتری نیاز دارد.