شريحة شبكة متقاطعة لاختبار أداء كيوبات اللف المغزلي في أشباه الموصلات

لماذا يهم تجميع وحدات الكم

تستخدم حواسيب الكم التجريبية اليوم جزءًا ضئيلاً فقط من ملايين وحدات الكم، أو الكيوبتات، التي ستحتاجها الآلات المفيدة في المستقبل. قبل أن يتمكن المهندسون من بناء مثل هذه المعالجات الضخمة، عليهم أن يتعلموا مدى موثوقية تصنيعهم والتحكم في الكيوبتات عبر شريحة كاملة، لا مجرد نقاط قليلة موفقة. تقدم هذه الورقة شريحة متخصصة تعمل كمنصة اختبار لمئات كيوبات اللف المغزلي في أشباه الموصلات مرة واحدة، مما يساعد الباحثين على فهم مدى استقرار هذه اللبنات الهشة في الظروف القصوى التي تعمل فيها حواسيب الكم.

لوحة من خلايا اختبار صغيرة

جوهر العمل هو شريحة «شبكة متقاطعة» مصممة بعناية ومطبوعَة في طبقة رقيقة من الجرمانيوم المزروع على السيليكون. بدلًا من توصيل كل كيوبت بشكل فردي، يقسم المؤلفون الشريحة إلى بلاطات صغيرة متكررة، يحتوي كل منها على نقطتي كم مزدوجتين تُستخدمان كيوبت بالإضافة إلى حساس شحنة قريب. تُرتب هذه البلاطات في شبكة 23 في 23. المشاركة الذكية لخطوط التحكم — شبيهة بروح الطريقة التي تُعنون بها الصفوف والأعمدة في ذاكرة الحاسوب — تعني أن شريحة قادرة على احتضان 1058 كيوبت لف مغزلي فردي تحتاج فقط 53 وصلة خارجية. هذا النمو الفرعي للأسلاك بالنسبة لعدد الكيوبتات أمر حاسم إذا كانت المعالجات الكمومية المستقبلية ستوضع داخل ثلاجات تبريد فائقة ضيقة المساحة.

تشغيل شحنات مفردة، بلاطة تلو الأخرى

لاختبار ما إذا كانت هذه البنية تعمل عمليًا، يبرد الفريق الشريحة إلى جزء من درجة فوق الصفر المطلق ويطبِّق إشارات بترددات راديوية على خط الحساس المشترك. من خلال ضبط جهدين على البوابات فقط، يمكنهم اختيار بلاطة واحدة من المصفوفة الكثيفة وملاحظة نمط مميز من القمم يؤكد أنهم يستشعرون تلك البلاطة المحددة ولا غيرها. في 38 من بين 40 بلاطة مختبرة، أظهرت حساسات الشحنة السلوك المتوقع، مما يبرهن على قابلية عنونة موثوقة عبر الشبكة. في خطوة ثانية، يضبط الباحثون إحدى نقط الكم في كل بلاطة إلى النطاق الذي تحتوي فيه على عدد قليل فقط من الثقوب الحاملة للشحنة الموجبة، وفي معظم البلاطات يتمكنون من الوصول إلى الثقب الأخير تمامًا — النقطة التشغيلية المطلوبة لتجارب كيوبات اللف.

ما مدى تجانس هذه الأجهزة الصغيرة؟

مع ضبط عشرات النقاط بطريقة مماثلة، تتحول الشريحة إلى مختبر إحصائي. يقيس الفريق مدى تأثير كل بوابة في البلاطة على نقطة الكم المحلية، وكم الفولتية المطلوبة لإضافة كل ثقب إضافي، وكيف تختلف هذه القيم من موضع لآخر. يجدون أن النقاط الأقرب إلى بوابات معينة تستجيب بقوة أكبر، كما كان المقصود، وأن الفولتيات المطلوبة للوصول إلى الثقوب القليلة الأولى تختلف بنسبة لا تتجاوز بضعة بالمئة عبر الجهاز. هذا يعطي هدفًا ملموسًا لمدى دقة مطابقة نبضات التحكم إذا كان من المقرر تشغيل العديد من الكيوبتات بالتوازي. كما يفحصون «ضجيج الشحنة» الكهربائي الحاضر دائمًا والذي يهز مستويات طاقة النقاط، بمراقبة التذبذبات في كل من الحساس والكيوبت نفسه. عبر المصفوفة، يتبع الضجيج طيفًا بطيئًا مألوفًا من نوع 1/f ويختلف بأكثر من عامل عشرة بين أهدأ وأصوت البلاطات، ومع ذلك فإن المستويات المتوسطة تتماشى مع التوقعات لهذا التراص المادي.

تكبير على كيوبات اللف العاملة

لإظهار أن المنصة يمكن أن تستضيف كيوبات عاملة تمامًا، يدرس المؤلفون شريحة ثانية حيث يعمل الحاجز بين نقطتين داخل بلاطة واحدة كما هو مقصود. هناك يحققون نوعين قياسيين من كيوبات اللف: كيوبت مفرد-مزدوج مشفر في زوج من اللفات، وكيوبتان أحاديتا اللف تُدفعان كهربائيًا. من خلال نبض البوابات المحلية وتطبيق إشارات ميكروويف، يلاحظون أنماطًا واضحة لتذبذبات اللف ويقيسون مدة احتفاظ اللفات بطورها الكمومي. أزمنة التماسك المستخلصة، من بضعة ميكروثوانٍ إلى أكثر من عشرة ميكروثوانٍ، قابلة للمقارنة مع أفضل القيم المبلغ عنها سابقًا للفات ثقوب الجرمانيوم، مما يؤكد أن ضغط العديد من البلاطات معًا لا يضعف جوهريًا جودة الكيوبت.

ما الذي يعنيه هذا لشريحة الكم المستقبلية

بدلًا من أن تكون حاسوبًا كموميًا بحد ذاتها، تُعد هذه الشريحة المتقاطعة منصة اختبار عالية الإنتاجية. تتيح للباحثين تقييم العائد، وانتظام الأجهزة، وضجيج الشحنة وتماسك الكيوبت عبر مئات الخلايا المتقاربة المماثلة في تبريد واحد. يمكن لمثل هذا التغذية الراجعة الإحصائية أن توجه تحسينات في المواد وعمليات التصنيع، وتتوافق بطبيعتها مع أدوات الضبط الآلي وتعلم الآلة التي ستحتاجها تشغيل المصفوفات الكبيرة. يجادل المؤلفون بأن منصتهم QARPET، أو نسخًا معدلة منها متكيفة مع أنظمة أشباه موصلات أخرى، يمكن أن تساعد في سد الفجوة بين تجارب الكيوبتات الحالية القليلة ومعالجات الغد الصناعية واسعة النطاق المبنية على اللفات المغزلية.

الاستشهاد: Tosato, A., Elsayed, A., Poggiali, F. et al. A crossbar chip for benchmarking semiconductor spin qubits. Nat Electron 9, 324–333 (2026). https://doi.org/10.1038/s41928-026-01569-5

الكلمات المفتاحية: كيوبات اللف المغزلي, نقاط الكم, مصفوفات الشبكة المتقاطعة, أشباه موصلات الجرمانيوم, قياس أداء الكم