دانشمندان رکورد سرعت عملیات کوانتومی را شکستند

محققان موفق شدند یک عملیات کوانتومی روی کیوبیت تنها در 6.8 نانوثانیه و با دقت بیش از 99.98 درصد انجام دهند. چنین عملیاتی در کامپیوترهای کوانتومی ابررسانا معمولاً چند ده نانوثانیه طول می کشد.

6.8 نانوثانیه تقریباً زمانی است که نور برای طی مسافتی در حدود 2 متر در خلاء طول می کشد. محققان موسسه تحقیقاتی پیتر گرونبرگ برای سیستم های کوانتومی عملکردی (PGI-13) و کنترل کوانتومی (PGI-8) در مرکز تحقیقات یولیخ توانستند در این مدت زمان بسیار کوتاه، عملیات محاسباتی اولیه را بر روی یک بیت کوانتومی یا کیوبیت انجام دهند.

سرعت اجرای عملیات یکی از عوامل مهم در محاسبات کوانتومی است. زیرا کیوبیت ها حساس هستند و حالت های کوانتومی خود را فقط برای مدت محدودی حفظ می کنند. هرچه عملیات محاسباتی سریعتر انجام شود، تعداد بیشتری از آنها را می توان در این بازه زمانی جای داد. این موضوع برای اجرای الگوریتم های پیچیده و فرآیندهای پرهزینه تصحیح خطای کوانتومی بسیار مهم است.

با این حال، هرچه پالس‌های مایکروویو برای تغییر حالت کیوبیت کوتاه‌تر باشد، باید شدت آنها بیشتر باشد. این امر احتمال برانگیختگی ناخواسته را افزایش می دهد. علاوه بر دو حالت انرژی که در محاسبات استفاده می شود، کیوبیت های ابررسانا دارای حالات انرژی بالاتری نیز هستند. اگر این کیوبیت ها بیش از حد برانگیخته شوند، ممکن است به طور ناخواسته به این سطوح انرژی منتقل شوند.

برای درک بهتر این مشکل می توانید آسانسوری را در یک ساختمان بلند تصور کنید که قرار است فقط بین طبقه همکف و طبقه اول حرکت کند. اگر حرکت آن خیلی سریع باشد، ممکن است از کف هدف عبور کند.

تیم تحقیقاتی دریافت که پالس های قوی و سریع مایکروویو نه تنها می توانند اطلاعات را به سطحی بالاتر از مقصد مورد نظر منتقل کنند، بلکه از طریق فرآیندی به نام انتقال چند فوتونی، امکان انتقال آن به سطوح بالاتر دوم یا سوم نیز وجود دارد. این اثر قبلاً مورد توجه کافی قرار نگرفته است.

انتقال چند فوتونی در کیوبیت ها به ویژه مشکل ساز است. زیرا ممکن است در چندین مرحله محاسباتی باقی بمانند و عملکرد سیستم تصحیح خطای کوانتومی را مختل کنند.

محققان روشی را برای هدف قرار دادن این انتقالات توسعه دادند. در این روش شکل پالس های کنترلی با دقت بالایی تنظیم می شود. این فرآیند عملکردی مشابه فیلتر فرکانس دارد و برخی از اجزای فرکانس را ضعیف می کند. در نتیجه، پالس ها همچنان عملیات محاسباتی مورد نظر را انجام می دهند، اما امکان تحریک ناخواسته سطوح انرژی بالاتر به حداقل می رسد.

روش جدید که R2D نام دارد بر اساس روش معروف DRAG توسعه یافته است. روشی اصلاح شده که بیش از یک دهه است به عنوان یک استاندارد رایج برای کنترل کیوبیت ها استفاده می شود. در مقایسه با روش استاندارد قبلی، فناوری جدید احتمال انتقال چند فوتونی ناخواسته را بیش از 20 برابر کاهش می دهد.

این یافته‌ها علاوه بر ثبت معیار جدیدی برای سرعت دروازه‌های کوانتومی، درک محققان را از رفتار این سیستم‌ها افزایش می‌دهد و اطلاعات ارزشمندی را برای پیشرفت‌های آینده ارائه می‌کند. نتایج نشان می دهد که امکان دستیابی به زمان سوئیچ بسیار کوتاه و دقت محاسباتی بالا به طور همزمان وجود دارد.