ترانسمون

الترانسمون بوصفه كيوديتًا

• انظر كذلك
• لاتوافقية
• حوسبة كمومية
• بت كمومي
• موصلية فائقة
• أثر جوزيفسون
• زوج كوبر
• مكثف كهربائي
• ميكانيكا الكم
• تصحيح الخطأ الكمومي
• وحدة المعالجة الكمية
• معالج ويلو

وفي هذا السياق، على الرغم من أن الترانسمون يُشغَّل عادةً بوصفه كيوبتًا يعتمد على أدنى مستويين من مستويات الطاقة، فإن بنيته الفيزيائية تتضمن مستويات طاقة إضافية يمكن استغلالها مباشرةً. ولذلك استُكشف استخدامه بوصفه كيوديتًا يستفيد من هذه المستويات، بدلًا من الاقتصار على نظام ثنائي المستوى. فمثلًا، يمكن استخدام أدنى ثلاثة مستويات لتشكيل كيوترت، وقد أظهرت دراسات خلال أوائل عقد 2020 إمكانية تنفيذ بوابات منطقية كمومية أحادية الكيوترت، إضافةً إلى بوابات تشابك ثنائية الكيوترت. كما بُحثت نظريًا طرائق تعميم هذه البوابات على كيوديتات ذات البعد ، اعتمادًا على مستويات الطاقة المتعددة التي يوفرها الترانسمون.

المعالجات الكمومية فائقة التوصيل

في هذا الإطار، تُعد الترانسمونات اليوم التصميم القياسي للكيوبتات في أغلب المعالجات الكمومية فائقة التوصيل واسعة النطاق. ويرجع انتشارها إلى أزمنة الترابط الطويلة نسبيًا، وإمكانية تصنيعها باستخدام تقنيات الدارات المتكاملة، وسهولة اقترانها برنانات الموجات الدقيقة وعناصر التحكم الأخرى. ومن أبرز الأمثلة على ذلك معالج ويلو الذي طورته غوغل، وهو معالج يضم 105 كيوبتات ترانسمون فيزيائية. كما تعتمد شركات مثل آي بي إم وريجيتي وآي كيو إم على كيوبتات الترانسمون في معالجاتها الكمومية.

الذاكرة الكمومية البوزونية

وفي السياق ذاته، في حين تعتمد أغلب الحواسيب الكمومية على الكيوبتات بوصفها وحدات المعلومات الأساسية، يقوم نهج بديل على استخدام أنماط المذبذب التوافقي، أو الأنماط البوزونية، لتمثيل المعلومات الكمومية. وفي هذه البنى تُستعمل الترانسمونات بوصفها كيوبتات مساعدة (ancilla) للتحكم في الأنماط البوزونية داخل تجاويف الموجات الدقيقة وإجراء عمليات القياس عليها. ويتيح هذا الأسلوب تنفيذ تصحيح الأخطاء الكمومية باستخدام الرموز البوزونية، التي تُشفَّر فيها المعلومات في حالات المذبذب بدلًا من الاقتصار على كيوبت منفرد.

المقارنة بصندوق زوج كوبر

وعلى صعيد آخر، في الترانسمون تكون نسبة أكبر بكثير من الواحد، بخلاف صندوق زوج كوبر التقليدي الذي تكون فيه هذه النسبة في حدود الواحد أو أصغر منه. ويتحقق ذلك بإضافة مكثف كبير على التوازي مع وصلة جوزيفسون، مما يزيد السعة الكلية للدائرة ويخفض طاقة الشحن.

من جهة ثانية، ويُعالج هذا الأثر بتصميم نبضات الموجات الدقيقة بعناية، بحيث تستغل التداخل الهدام لمنع إثارة المستويات الأعلى، وهو ما يسمح بالتعامل مع الترانسمون عمليًا بوصفه نظامًا ثنائي المستوى رغم احتفاظه بمستويات طاقة إضافية.

إضافةً إلى ذلك، ويؤدي رفع هذه النسبة إلى تقليل حساسية الكيوبت لضوضاء الشحنة؛ إذ تصبح مستويات الطاقة أقل اعتمادًا على الشحنة العرضية ، وهو ما يحد من فقدان الترابط الطوري ويزيد زمن الترابط. غير أن هذه الميزة تأتي على حساب انخفاض اللاتناغمية، التي تُعرَّف بالعلاقة

كذلك، حيث يمثل فرق الطاقة بين الحالتين الذاتيتين و. ويؤدي انخفاض اللاتناغمية إلى تقارب مستويات الطاقة، بحيث قد تؤدي نبضة رنينية مخصصة لإثارة الانتقال من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة الأولى إلى إثارة مستويات أعلى بصورة غير مرغوبة.

من جهة ثانية، ولذلك فإن الزيادة الكبيرة في زمن الترابط تفوق عادةً الخسارة الناتجة عن انخفاض اللاتناغمية.

ومن جهة أخرى، يشترك الترانسمون مع صندوق زوج كوبر في البنية الأساسية، كما يخضع كلاهما للهاملتونيان نفسه. ويكمن الاختلاف الجوهري بين التصميمين في نسبة ، حيث تمثل طاقة جوزيفسون للوصلة، بينما تمثل طاقة الشحن، التي تتناسب عكسيًا مع السعة الكلية لدائرة الكيوبت.

.

كذلك، ومن الخصائص المهمة لهذا التصميم أن اعتماد طاقة الانتقال على الشحنة العرضية يتناقص تناقصًا أسيًا مع زيادة النسبة ، في حين تنخفض اللاتناغمية بمعدل أبطأ يتناسب على وجه التقريب مع

التطبيقات

ومن جهة أخرى، تُنفَّذ عمليات التحكم والقياس والاقتران بين الترانسمونات باستخدام رنّانات الموجات الدقيقة، اعتمادًا على تقنيات ديناميكا كهربائية كمومية للدارات (cQED)، وهي تقنيات تُستعمل كذلك مع أنواع أخرى من الكيوبتات فائقة التوصيل. ويجري اقتران الكيوبت بالرنّان بواسطة مكثف اقتران عند موضع يبلغ فيه المجال الكهرومغناطيسي داخل الرنان قيمة عظمى.

كذلك، وفي معالجات IBM Quantum Experience، تُنفَّذ الرنانات على هيئة أدلة موجية مستوية مشتركة من نوع «ربع الموجة»، حيث تبلغ شدة المجال أقصاها عند الطرف المؤرض للدليل الموجي؛ ولذلك يتصل بكل كيوبت ترانسمون رنان طويل مميز. وقد اعتمد الاقتراح الأصلي للترانسمون كذلك على رنانات من نوع خطوط النقل مقترنة بكل كيوبت، وهو ما يفسر أصل التسمية. ومع ذلك، يُطلق اسم «ترانسمون» كذلك على الكيوبتات التي تعمل ضمن المجال نفسه من النسبة حتى عند اقترانها بأنواع أخرى من تجاويف الموجات الدقيقة.