لطالما كانت الكيوبتات المغزلية السيليكونية المتفوقة الواعدة في الحوسبة الكمية: يمكن تصنيعها باستخدام نفس طرق أشباه الموصلات التي تنتج رقائق الحاسوب اليوم، وهو ما يعادل تقنياً الحضور إلى حفل رسمي ببدلة تملكها بالفعل. المشكلة بالطبع هي أنه عند محاولة التحكم في عدة كيوبتات في وقت واحد، تصبح عملياتها أقل دقة - أشبه بقيادة قطيع من القطط، لو كانت القطط دون ذرية ولديها ميل إلى تغيير الطور بشكل غير متوقع. يتطلب بناء حواسيب كمية عملية واسعة النطاق التحكم في العديد من الكيوبتات في وقت واحد مع الحفاظ على الأخطاء عند الحد الأدنى، وهو ما كان مشكلة المجال القديمة "نعم، ولكن كيف؟".

حقّق باحثون في مركز ريكين لعلوم المادة الناشئة ومتعاونوهم الآن تقدماً مهماً نحو حل هذه المشكلة. في دراسة نُشرت في مجلة Nature Physics، أظهر الفريق تحكماً عالي الدقة في عدة كيوبتات مغزلية سيليكونية تعمل في وقت واحد. استخدمت تجاربهم مصفوفة من خمسة كيوبتات متصلة بخط تحكم ميكروويف مشترك - لأن الكيوبتات الكمية على ما يبدو تقدّر أيضاً كفاءة المورد المشترك الجيد. من خلال تحديد سبب رئيسي للأخطاء أثناء التشغيل المتزامن، طوّر العلماء تقنية لتقليل تلك الأخطاء والحفاظ على الدقة، مما يثبت أنه يمكنك بالفعل الاحتفاظ بكيوبتاتك والتحكم فيها في آن واحد.

شرح ليون كامنزيند، عالم باحث في ريكين ومؤلف أول مشارك أشرف على التجارب، أهمية النتيجة: "هذا يُظهر أنه يمكن الحفاظ على تحكم عالي الدقة حتى عند تشغيل عدة كيوبتات في الوقت نفسه، ويمثل خطوة مهمة نحو توسيع نطاق المعالجات الكمية القائمة على السيليكون." وهو ما يعني بلغة العلماء "لقد جعلناها تعمل، وهذا أمر كبير".

على عكس الحواسيب التقليدية، التي تخزن المعلومات كبتات تمثل إما 0 أو 1، تستخدم الحواسيب الكمية بتات كمية، أو كيوبتات، يمكن أن توجد في تركيبات من الحالتين - لأن لماذا تختار واحدة عندما يمكنك أن تكون متردداً بطريقة مفيدة جوهرياً؟ تخزن الكيوبتات المغزلية السيليكونية هذه المعلومات باستخدام مغزل الإلكترونات الفردية المحصورة داخل السيليكون. يتطلب إجراء حسابات كمية موثوقة تحكماً دقيقاً للغاية في مغازل الإلكترونات هذه، وهو أمر أسهل قوله من فعله عندما تتعامل مع المكافئ الكمي لغرفة مليئة بالأطفال الصغار.

توفر إشارات الميكروويف ذلك التحكم، لكن تشغيل عدة كيوبتات في وقت واحد يمكن أن يخلق تأثيرات غير مرغوب فيها تتداخل مع دقتها. تتبع الباحثون الكثير من هذه المشكلة إلى ظاهرة تسمى إزاحة ستارك المترددة (AC Stark shift). يحدث هذا التأثير عندما تغير إشارات التحكم بالميكروويف مستويات الطاقة الفعالة للكيوبت، مما ينتج تغيرات في طور حالته الكمية. يمكن أن تعطل تلك الإزاحات الطورية العملية المقصودة للكيوبتات الفردية، خاصة عندما يتم التحكم في عدة كيوبتات في وقت واحد - حالة كلاسيكية من كثرة الطهاة في المطبخ الكمي.

لمواجهة المشكلة، ابتكر الفريق طريقة معايرة تعوض عن هذه الإزاحات غير المرغوب فيها. بدلاً من معايرة كل تركيبة ممكنة من الكيوبتات بشكل منفصل - وهو ما سيكون كابوساً توافيقياً - تعتمد التقنية على معايرات تُجرى بين أزواج من الكيوبتات. وهذا يجعل النهج أكثر عملية للأنظمة التي تحتوي على أعداد أكبر من البتات الكمية. يوضح يي-هسين وو، المؤلف الأول الذي أجرى التجارب كجزء من بحثه للدكتوراه: "بدلاً من طلب إجراء معايرة منفصلة تماماً لكل تركيبة ممكنة من الكيوبتات، تستخدم طريقتنا معايرات بين أزواج من الكيوبتات لتعويض إزاحات الطور غير المرغوب فيها." بعبارة أخرى، وجدوا طريقة لتجنب القيام بنفس المهمة المملة إلى ما لا نهاية، وهو انتصار للكفاءة ولصحة وو العقلية.

جمع الباحثون تقنية المعايرة الخاصة بهم مع تصميم محسّن للجهاز ونبضات تحكم ميكروويف معدلة بعناية. أظهرت نتائجهم أنه يمكن الحفاظ على دقة عالية استثنائية حتى عند تشغيل عدة كيوبتات