التحكم في البتات الكمومية – التغلب على انحياز التيار المباشر وتحديات الحجم في الكم

تحظى الحوسبة الكمومية بالاهتمام لقدرتها على حل المشكلات المعقدة التي تكون صعبة على أجهزة الكمبيوتر العادية. في هذه الرحلة، تلعب أدوات مثل مصدر انحياز التيار المستمر دورًا حاسمًا، خاصة بالنسبة للموصلات الفائقة القابلة للضبط والتدفق والبتات الكمومية السيليكونية. يساعد مصدر انحياز التيار المستمر على ضبط التدفق لتحديد تردد الرنين للبت الكمي فائق التوصيل وتطبيق جهد انحياز التيار المستمر على كل محطة بوابة من بتات السيليكون المغزلية. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد الكيوبتات المستخدمة في الكمبيوتر الكمي يزيد من الحجم المادي للجهاز بناءً على عدد مصادر انحياز التيار المستمر اللازمة للتحكم في الكيوبتات.

يمكن للمهندس تهيئة حالات الكيوبت والتحكم فيها وقراءتها باستخدام أنظمة تقييم التحكم، كما هو موضح في الشكل 1. يتيح نظام تقييم التحكم هذا توصيف خصائص الكيوبت مثل وقت التماسك والإخلاص وتنفيذ الاختبارات المعيارية، وبالتالي تطوير البحث. وتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

التحديات في انحياز DC للبتات

هناك تحديان مهمان عند استخدام مصادر طاقة التيار المستمر:

• تقلبات الجهد بسبب ضوضاء مصدر طاقة التيار المستمر والتداخل البيئي من خلال الكابلات الطويلة تؤدي إلى فك ترابط الكيوبت.
• تتطلب مصادر طاقة التيار المستمر التي قد يصل عددها إلى عدة مئات مساحة تخزين كبيرة ويمكن أن تقدم فك ترابط كبير للبت الكمي.

تعتبر البتات الكمومية شديدة التأثر بالضوضاء وحتى تقلبات الجهد الطفيفة. يمكن لجهد التحيز المستمر أن يؤدي بسرعة إلى تغييرات غير مقصودة في الحالة الكمومية. يمكن أن تؤدي هذه التغييرات إلى فقدان المعلومات المخزنة في الكيوبت، وهي ظاهرة تُعرف باسم فك الترابط. ويؤدي هذا إلى انخفاض في دقة التحكم في الكيوبت وتقييمه. علاوة على ذلك، وصلت أجهزة الكمبيوتر الكمومية الآن إلى مرحلة يمكن أن تتجاوز فيها 100 كيوبت. من الضروري توفير انحياز مستقل للتيار المستمر لكل كيوبت من خلال تأمين مساحة كبيرة لاستيعاب عدة مئات من مصادر الطاقة العامة.

تقلبات الجهد تحفز فك التماسك

في العالم الكمي، توجد الكيوبتات في تراكب من الحالات، تمثل كلا من 0 و 1 في وقت واحد. هذه الخاصية الفريدة تجعلها قوية بشكل استثنائي بالنسبة لبعض الحسابات. ومع ذلك، فإنه يجعلهم أيضًا حساسين بشكل لا يصدق للتأثيرات الخارجية. ينشأ التحدي عندما تؤدي ضوضاء مصدر الطاقة DC والتداخل البيئي إلى تقلبات الجهد التي تزعج التوازن الدقيق لتراكب الكيوبت.

حتى أدنى اختلاف في الجهد يمكن أن يتسبب في تذبذب الحالة الكمومية للكيوبت، مما يؤدي إلى عدم الترابط ويجعلها أقل موثوقية في العمليات الحسابية. يعد هذا تحديًا كبيرًا في الحوسبة الكمومية لأن الحفاظ على سلامة حالات الكيوبت أمر بالغ الأهمية لمعالجة المعلومات الكمومية الدقيقة والموثوقة.

تساهم التقلبات في جهد انحياز التيار المستمر بشكل أساسي في ضوضاء جهد خرج مصدر طاقة التيار المستمر. علاوة على ذلك، فإن التداخل البيئي، مثل التداخل الكهرومغناطيسي والاهتزازات الفيزيائية للكابلات، يمكن أن يساهم في عدم استقرار الجهد. تتطلب حساسية الكيوبت للضوضاء مراقبة مستمرة لمصدر الضوضاء المحتمل. يوضح الشكل 2 كيف يصبح هذا التأثير أكثر وضوحًا عند تمديد الكابلات لأن حامل مصدر طاقة التيار المستمر يقع على مسافة من مدخل ناظم البرد أو إذا كان مصدر الطاقة في الأقسام السفلية من الحامل.

إن حدوث تقلبات الجهد التي تعطل تماسك الكيوبت متجذرة في الطبيعة الأساسية للأنظمة الكمومية. ولا يقتصر التحدي على منع الاضطرابات الخارجية فحسب، بل يتعلق أيضًا بتطوير الأدوات والتقنيات التي يمكنها حماية الكيوبتات من هذه الاضطرابات، مما يضمن حالات كمومية مستقرة ومتماسكة لعمليات حسابية موثوقة.

يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية الأكبر حجمًا أن تقدم مزيدًا من فك الترابط للكيوبت

أحد الاتجاهات المهمة في التطبيق العملي لأجهزة الكمبيوتر الكمومية هو زيادة عدد الكيوبتات لتشغيل خوارزميات كمومية أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، تتطلب الآلات الكمومية المتوسطة الحجم (NISQ) الحالية قيد التطوير تنفيذ عشرات إلى مئات من الكيوبتات. وهذا يعني الحاجة إلى أعداد كبيرة من مصادر طاقة التيار المستمر والتي يجب تخزينها فعليًا ويمكن أن تسبب الكثير من الضوضاء في النظام.

يقدم هذا الانتشار لمصادر انحياز التيار المستمر مصادر إضافية للضوضاء في النظام. يمكن أن تنبع الضوضاء الصادرة عن مصادر انحياز التيار المستمر من عدة عوامل:

1. عيوب مصدر الطاقة: لم يتم تصنيع جميع مصادر الطاقة من أجل الدقة، وحتى التقلبات الصغيرة أو العيوب في مصدر انحياز التيار المستمر يمكن أن تترجم إلى ضوضاء في تشغيل الكيوبت.
2. تداخل: في الإعداد الذي يحتوي على العديد من مصادر انحياز التيار المباشر القريبة، يمكن أن يحدث تداخل. وهذا يعني أن التعديلات التي تم إجراؤها على مصدر انحياز أحد الكيوبتات يمكن أن تؤثر على الكيوبتات المجاورة، مما يؤدي إلى ضوضاء غير مرغوب فيها.
3. التداخل الكهرومغناطيسي (EMI): يمكن أن يؤدي تشغيل مصادر انحياز التيار المستمر المتعددة في مكان محدود إلى توليد مجالات كهرومغناطيسية تتداخل مع بعضها البعض. يمكن أن يظهر هذا التداخل على شكل ضوضاء تعطل الحالات الكمومية للبتات.

مع زيادة عدد مصادر انحياز التيار المستمر لاستيعاب عدد أكبر من البتات الكمومية، يزداد الحجم الإجمالي للنظام، ويصبح التأثير التراكمي لمصادر الضوضاء هذه أكثر وضوحًا. يضيف كل مصدر إضافي لتحيز التيار المباشر طبقة أخرى من الضوضاء المحتملة، مما يجعل من الصعب الحفاظ على دقة وتماسك حالات البتات الكمومية.

وبأخذ مثال على كمبيوتر كمي يستخدم 100 كيوبت، فإن توفير جهد متحيز للتيار المستمر لكل كيوبت يمثل تحديًا إضافيًا. يوضح الشكل 3 أن كل كيوبت يتطلب مصدر طاقة تيار مستمر واحدًا على الأقل. يجب أن يتناسب رف الاختبار مع ما لا يقل عن 100 قناة إمداد بالطاقة لتحيز جميع البتات الكمومية. حتى مع وحدات إمداد الطاقة ذات الحجم النموذجي لنصف حامل 2U الموجودة في حامل كبير الحجم، يمكن للحامل الواحد تخزين 40 قناة فقط.

وبالتالي، يصبح تأمين مساحة واسعة يبلغ عرضها 180 سم، وعمقها 90.5 سم، وارتفاعها 182 سم لثلاثة رفوف أمرًا ضروريًا في مختبر مليء بأدوات أخرى مختلفة، مثل مولدات الشكل الموجي التعسفي (AWG). تخلق هذه الضرورة تحديًا لوجستيًا فيما يتعلق بالمساحة المادية داخل مختبرات الحوسبة الكمومية. لا يؤثر هذا التحدي المكاني على التصميم المادي للمختبر فحسب، بل يثير أيضًا مخاوف عملية بشأن الإدارة الفعالة وإمكانية الوصول وصيانة المعدات.

هناك تركيز متزايد على تطوير حلول إمداد الطاقة المدمجة والفعالة التي يمكنها تلبية المتطلبات الفردية لكل كيوبت مع تقليل البصمة الإجمالية لمواجهة هذا التحدي. يعد تبسيط البنية التحتية لإمدادات الطاقة أمرًا بالغ الأهمية لقابلية التوسع في مشاريع الحوسبة الكمومية، مما يمكّن الباحثين من توسيع أنظمتهم الكمومية دون قيود المساحة.

تمكين تطوير الحوسبة الكمومية بشكل فعال وفعال

يساعد حل القيود المكانية على توسيع نطاق جهود الحوسبة الكمومية، مما يمكّن الباحثين من استكشاف أنظمة كمومية أكبر. تعد إدارة تقلبات الجهد والقيود المكانية في مصادر تحيز التيار المستمر للحوسبة الكمومية أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق التقدم.

من الضروري استخدام مصادر طاقة منخفضة الضوضاء أو أجهزة قياس المصدر/وحدات قياس المصدر (SMUs) لتوفير جهد متحيز نظيف في أقرب مكان ممكن من منظم البرد لتحقيق ذلك. يمكن أن يساعد هذا الأسلوب بشكل كبير في منع التداخل البيئي غير الضروري الناتج عن أطوال الكابلات المكشوفة.

يمكنك توصيل الملحقات الاختيارية، مثل محول مرشح منخفض الضوضاء (LNF)، بمقاييس مصدر الدقة لزيادة استقرار جهد التحيز. في بعض الحالات، يتم توضيح تقليل مستوى الضوضاء إلى 25 μV rms (10 هرتز إلى 20 ميجا هرتز، نطاق 6 فولت) في الشكل 4.

يوضح الشكل 5، من منظور إعداد الحامل، أن استخدام عدادات المصدر المدمجة في كثافة القناة يسمح بوضعها مباشرة عند مدخل ناظم البرد، حتى في المواضع المرتفعة. سيساعد هذا النهج بشكل كبير في تقليل تقلب انحياز جهد التيار المستمر، مما يتيح التحكم الكمي المثالي والتوصيف الدقيق للكيوبت خلال وقت التماسك الطويل.

نصائح لتقليل التقلبات في جهد التحيز

نظرًا للتأثير الكبير للبيئة المحيطة والإعداد التجريبي على تقلبات تحيز التيار المستمر، فإن تحقيق جهد تحيز نظيف يتطلب الإعداد والاستخدام المناسبين. عند إنشاء خط انحياز التيار المستمر، يمكنك تقليل ضوضاء الجهد والاستخدام الفعال لوحدة قياس مصدر عالية الدقة ومرشح منخفض الضوضاء من خلال الاهتمام بجوانب معينة.

تجنب الحلقات الأرضية

يمكن أن يؤدي استخدام أسس مختلفة لكل أداة إلى إنشاء دائرة تُعرف باسم الحلقة الأرضية. يمكن أن تكون الحلقات الأرضية مصدرًا للضوضاء. يوضح الشكل 6 خطوات تثبيت الجهد التحيز للتيار المستمر. يعد تجنب الحلقات الأرضية باستخدام تقنيات مثل التأريض بنقطة واحدة أمرًا ضروريًا.

اختر إمكانات محطة LF المناسبة

يمكنك إما تقصير طرف LF إلى أرض الإطار أو تركه عائمًا. يمكن أن يؤثر هذا الاختيار على مستوى الضوضاء لجهد انحياز التيار المستمر. إذا لم يكن تصميم نظامك يتضمن متطلبات محددة لإمكانيات محطة LF، فيمكنك تجربة كلا التكوينين واختيار التكوين الذي يحقق نتائج أفضل.

سلك لتقليل تأثير التداخل الكهرومغناطيسي

وفقًا لقانون فاراداي، يمكن أن يساهم الحث الكهرومغناطيسي في الضوضاء إذا تم فصل كابلات HF وLF مكانيًا. لمنع هذه النتيجة، احتفظ بكابلات HF وLF في أقرب مكان ممكن أو استخدم تكوين الزوج الملتوي.

خاتمة

لحل هذه التحديات، استخدم مجموعة من خيارات مقياس المصدر التي تساعد على توفير كثافة قناة عالية، وضوضاء منخفضة، وإمدادات جهد دقيقة لتوفير جهد متحيز مستقر ونظيف لأكثر من 100 بت. تأكد من أن عدادات المصدر قريبة قدر الإمكان من منظم البرد لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي من الكابلات الطويلة. انتبه دائمًا للتكوينات المحتملة لمحطة LF، وتجنب الحلقات الأرضية، وقم بتنفيذ تكوينات الزوج الملتوي لتقليل تأثير قانون فاراداي بشكل أكبر.

مقالة التحكم في البتات الكمومية – التغلب على انحياز التيار المستمر وتحديات الحجم في الكم ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.