دانشمندان رکورد سرعت عملیات کوانتومی را شکستند

پژوهشگران موفق شدند یک عملیات کوانتومی را روی کیوبیت تنها در ۶.۸ نانوثانیه و با دقتی بیش از ۹۹.۹۸ درصد انجام دهند. چنین عملیاتی در رایانه‌های کوانتومی ابررسانا معمولاً چند ده نانوثانیه زمان می‌برد.

۶.۸ نانوثانیه تقریباً همان زمانی است که نور برای پیمودن مسافتی حدود ۲ متر در خلأ نیاز دارد. پژوهشگران مؤسسه پژوهشی پیتر گرونبرگ برای سامانه‌های کوانتومی کارکردی (PGI-13) و کنترل کوانتومی (PGI-8) در مرکز پژوهشی ژولیخ توانستند در همین بازه بسیار کوتاه، عملیات محاسباتی پایه را روی یک بیت کوانتومی یا کیوبیت انجام دهند.

سرعت اجرای عملیات یکی از عوامل مهم در محاسبات کوانتومی به شمار می‌رود؛ زیرا کیوبیت‌ها حساس هستند و حالت‌های کوانتومی خود را فقط برای مدت محدودی حفظ می‌کنند. هرچه عملیات محاسباتی سریع‌تر انجام شوند، تعداد بیشتری از آن‌ها را می‌توان در این بازه زمانی جای داد. این موضوع برای اجرای الگوریتم‌های پیچیده و فرایندهای پرهزینه تصحیح خطای کوانتومی اهمیت زیادی دارد.

با این‌ حال، هرچه پالس‌های مایکروویوی مورد استفاده برای تغییر حالت کیوبیت کوتاه‌تر باشند، شدت آن‌ها نیز باید افزایش یابد. این مسئله احتمال برانگیختگی ناخواسته را بالا می‌برد. کیوبیت‌های ابررسانا علاوه بر دو حالت انرژی مورد استفاده در محاسبات، حالت‌های انرژی بالاتری نیز دارند. اگر این کیوبیت‌ها بیش از اندازه تحریک شوند، ممکن است ناخواسته به این سطوح انرژی منتقل شوند.

برای درک بهتر این مسئله می‌توان یک آسانسور در ساختمانی بلند را تصور کرد که قرار است فقط بین طبقه همکف و طبقه اول حرکت کند. اگر حرکت آن بیش از حد سریع باشد، ممکن است از طبقه موردنظر عبور کند.

تیم پژوهشی دریافت که پالس‌های مایکرویو قوی و سریع نه‌تنها می‌توانند اطلاعات را به سطحی بالاتر از مقصد موردنظر منتقل کنند، بلکه از طریق فرایندی موسوم به گذار چندفوتونی، امکان انتقال آن به سطوح دوم یا سوم بالاتر نیز وجود دارد. این اثر پیش‌تر مورد توجه کافی قرار نگرفته بود.

گذارهای چندفوتونی در کیوبیت‌ها به‌ویژه مشکل‌ساز هستند؛ زیرا ممکن است در چندین مرحله محاسباتی باقی بمانند و عملکرد سامانه تصحیح خطای کوانتومی را مختل کنند.

پژوهشگران روشی برای مهار هدفمند این گذارها توسعه دادند. در این روش، شکل پالس‌های کنترلی با دقت بسیار بالا تنظیم می‌شود. این فرایند عملکردی مشابه فیلتر فرکانسی دارد و برخی مؤلفه‌های فرکانسی را تضعیف می‌کند. در نتیجه، پالس‌ها همچنان عملیات محاسباتی موردنظر را انجام می‌دهند، اما احتمال تحریک ناخواسته سطوح انرژی بالاتر به حداقل می‌رسد.

روش جدید که R2D نام دارد، بر پایه روش شناخته‌شده DRAG توسعه یافته است؛ روشی اصلاحی که بیش از یک دهه به‌عنوان استانداردی رایج برای کنترل کیوبیت‌ها مورد استفاده قرار گرفته. در مقایسه با روش استاندارد قبلی، فناوری جدید احتمال گذارهای چندفوتونی ناخواسته را بیش از ۲۰ برابر کاهش می‌دهد.

این یافته‌ها علاوه بر ثبت معیاری تازه برای سرعت گیت‌های کوانتومی، درک پژوهشگران از رفتار این سامانه‌ها را نیز افزایش می‌دهند و اطلاعات ارزشمندی برای بهبودهای آینده فراهم می‌آورند. نتایج نشان می‌دهند که دستیابی هم‌زمان به زمان سوئیچ بسیار کوتاه و دقت محاسباتی بالا امکان‌پذیر است.