مایکروسافت عملیات کلیدی کیوبیت توپولوژیکی را نشان داد
عنوان خبر: مایکروسافت عملیات کلیدی کیوبیت توپولوژیکی را نشان داد
ژانر/موضوع: محاسبات کوانتومی مبتنی بر اندازه‌گیری، کیوبیت توپولوژیکی
تاریخ انتشار خبر: 14 ژوئیه 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
پژوهشگران مایکروسافت یک نمونه اولیه از دستگاه کیوبیت تترون (tetron) را نمایش داده‌اند که میتواند دو اندازه‌گیری متفاوت پاریتی یا زوجیت کوانتومی — عملیات پائولی-X و پائولی-Z — را با اطمینان انجام دهد و عمر حالت‌های آن‌ها سه مرتبه بزرگی تفاوت دارد. در «حلقه X» تغییر پاریتی در حدود ۱۴٫۵ میکروثانیه رخ می‌دهد، در حالی‌که «حلقه Z» تا ۱۲٫۴ میلی‌ثانیه پایدار می‌ماند. این تفاوت، مکانیزم‌های خطای متفاوتی را نشان می‌دهد: تحریکات حرارتی برای X و آلودگی شبه‌ذره‌ای برای Z. این رفتار نشان‌دهنده حضور حالت‌های صفر مایوراناست که پایه محاسبات کوانتومی توپولوژیک هستند و ذاتاً در برابر خطا مقاوم‌اند. این دستگاه با نانوسیم‌های ابررسانا و نقاط کوانتومی، پاریتی فرمیونی را از طریق ظرفیت کوانتومی اندازه‌گیری می‌کند. این یافته‌ها گامی مهم به‌سوی کیوبیت‌های توپولوژیک مقیاس‌پذیر محسوب می‌شوند.
شرح کامل خبر:
در یک مطالعهٔ جدید، پژوهشگران مایکروسافت یک گام آزمایشگاهی مهم به‌سوی تحقق محاسبات کوانتومی توپولوژیک برداشته‌اند؛ رویکردی که به‌طور نظری میتواند باعث شود کیوبیت‌ها در برابر خطا و نویز بسیار مقاوم‌تر از طراحی‌های معمول باشند. در این پروژه از دستگاهی به نام کیوبیت تترون (tetron qubit) استفاده شده است که بر پایهٔ یک ساختار ترکیبی ابررسانا–نیمه‌رسانا (superconductor–semiconductor heterostructure) ساخته شده؛ یعنی موادی که در آن‌ها لایه‌های ابررسانا با نیمه‌رساناها ترکیب می‌شوند تا حالت‌های کوانتومی ویژه‌ای ایجاد کنند
.
عنصر کلیدی «توپولوژیک» بودن، استفاده از حالت‌های صفر مایورانا (Majorana zero modes – MZMs) است؛ حالت‌های کوانتومی خاصی که پیش‌بینی می‌شود در انتهای نانو‌سیم‌ها در شرایط خاصی از فاز توپولوژیک ظاهر شوند. این حالت‌ها به‌طور نظری در برابر اختلالات موضعی مقاوم‌اند و کاندیدهای مناسبی برای ساخت کیوبیت‌های پایدار محسوب می‌شوند. در معماری تترون، دو نانوسیم موازی وجود دارد که با کنترل دقیق الکتریکی و مغناطیسی هرکدام دو حالت مایورانا را میزبانی می‌کنند و در مجموع یک کیوبیت منطقی را با هم رمزگذاری می‌کنند که در برابر برخی منابع ناهمدوسی مقاوم باشد.
بر خلاف کیوبیت‌های ابررسانای متداول مثل ترانسمون که از پالس‌های مایکروویو برای کنترل حالت کوانتومی استفاده می‌کنند، این دستگاه از رویکردی مبتنی بر اندازه‌گیری (measurement-based) بهره می‌برد. در این روش عملیات منطقی کوانتومی از طریق اندازه‌گیری زوجیت فرمیون (fermion parity) انجام می‌شود؛ خاصیتی که نشان می‌دهد تعداد الکترون‌های اشغال‌کنندهٔ حالت‌های کوانتومی، زوج است یا فرد. برای این کار، دو «حلقه تداخل‌سنجی» ساخته شده به نام‌های حلقه X و حلقه Z که به ترتیب با عملیات پایهٔ پائولی-X و پائولی-Z مرتبط‌اند. این دو عملیات اساس منطق کوانتومی تک‌کیوبیتی هستند.
برای آشکارسازی این زوجیت‌ها، دستگاه به نقاط کوانتومی (quantum dots) متصل می‌شود — جزایر نیمه‌رسانا که می‌توانند تک‌الکترون‌ها را به دام بیندازند. این نقاط کوانتومی در مدارهای رزونانس قرار می‌گیرند تا تغییرات ظرفیت کوانتومی (quantum capacitance) را که بازتابی از تغییر سطح انرژی ناشی از تغییر زوجیت است، آشکار کنند. ظرفیت کوانتومی شبیه ظرفیت خازنی معمولی است، اما رفتار آن تابع قوانین مکانیک کوانتومی و وضعیت انرژی الکترون‌هاست.
در اندازه‌گیری‌های متوالی، مشخص شد که زمان بین جابه‌جایی‌های تصادفی زوجیت در دو حلقه بسیار متفاوت است:
حدود ۱۴.۵ میکروثانیه برای حلقه X و ۱۲.۴ میلی‌ثانیه برای حلقه Z — یعنی تفاوتی هزار برابری. این اختلاف بزرگ نشان می‌دهد که دو فرآیند فیزیکی متفاوت عامل خطاها در هر حلقه هستند. در حلقه Z، عمر طولانی‌تر به پدیده‌ای به نام آلودگی شبه‌ذره‌ای (quasiparticle poisoning) نسبت داده می‌شود؛ مشکلی شناخته‌شده در دستگاه‌های ابررسانا که در آن ذرات پرانرژی سرگردان باعث تغییر ناخواستهٔ حالت کوانتومی می‌شوند. در مقابل، در حلقه X، سوئیچینگ سریع‌تر ناشی از تحریکات حرارتی و باقی‌ماندن شکاف انرژی اندک بین حالت‌های مایورانا در انتهای نانوسیم‌هاست.
این رفتار نشان می‌دهد که تترون میتواند به‌خوبی بین دو مبنای اندازه‌گیری تمایز قائل شود؛ چیزی که برای الگوریتم‌های کوانتومی حیاتی است چون باید بتوان حالت کیوبیت را در مبناهای مختلف خواند بدون اینکه سیستم را بیش‌ازحد مختل کند. نرخ خطای اندازه‌گیری برای حلقه Z حدود ۰.۵ درصد و برای حلقه X حدود ۱۶ درصد تخمین زده شد.
گرچه این یافته‌ها تفسیر توپولوژیک را تقویت می‌کنند، پژوهشگران تأکید می‌کنند که برخی سیستم‌های غیرتوپولوژیک که به‌طور دقیق تنظیم شده اند نیز می‌توانند نتایج مشابهی ایجاد کنند. بنابراین آزمایش‌های بعدی با هدف نشان‌دادن خاصیت جا‌به‌جایی ناپذیر بودن (non-commutativity) اندازه‌گیری‌ها انجام خواهد شد؛ ویژگی‌ای که تأیید می‌کند دستگاه واقعاً رفتار کوانتومی دارد.
در نگاه کلان، این آزمایش اولین نمایش موفق اندازه‌گیری‌های زوجیت متعامد در یک تترون است — یعنی امکان بررسی حالت کیوبیت در دو جهت مستقل فراهم شده است. این گام برای تحقق محاسبات کوانتومی توپولوژیک مقیاس‌پذیر حیاتی است و مایکروسافت امیدوار است با بهبود طراحی‌ها، کاهش خطاها و افزودن تعداد تترون‌ها، در نهایت به هدف نهایی خود یعنی محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا برسد.
منابع:
[1] https://thequantuminsider.com/2025/07/14/microsoft-shows-distinct-parity-lifetimes-in-topological-qubit-prototype/
[2] https://arxiv.org/abs/2507.08795v1
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
