38. رایانهٔ کوانتومی فیزیکی
38.1کیوبیت از نظر فیزیکی چیست
دو حالت از یک سامانهٔ فیزیکی: دو تراز انرژی یک اتم، حالت‌های بار یا فلاکس یک مدار ابررسانا، جهت‌گیری‌های اسپین یک الکترون، قطبش یک فوتون. «کیوبیت» ریاضیات است؛ سکو، مهندسی‌ای است که دو تراز می‌سازد، از همه‌چیز دیگر جدایش می‌کند، گذارهایش را می‌رانَد و نتیجه را می‌خواند. سامانه‌های واقعی بیش از دو تراز دارند — ترانس‌مون نوسان‌سازی با بی‌شمار تراز است — و زیرفضای محاسباتی از این پله‌ها تراشیده می‌شود؛ بیرون افتادن از آن نشتی است (۲۹.۶). هر سکوی این بخش پاسخ متفاوتی به یک پرسش است: کدام دو تراز از کدام سامانه، به چه بهایی در بقیهٔ الزامات؟
38.2الزامات یک کیوبیت فیزیکی
چک‌فهرست دیوینچنزو (۱۹۹۷) هنوز کارت امتیاز استاندارد است: (۱) سامانه‌ای مقیاس‌پذیر از کیوبیت‌های خوش‌مشخص؛ (۲) مقداردهی اولیه به یک حالت مرجعِ ساده؛ (۳) زمان‌های هم‌دوسی بسیار بلندتر از زمان گیت؛ (۴) مجموعه‌گیتِ جهان‌شمول؛ (۵) اندازه‌گیری مخصوص هر کیوبیت. برای شبکه‌کردن این را اضافه کنید: تبدیل میان کیوبیتِ ایستاده و کیوبیت پرنده. آن را روی هر سکوی این بخش اعمال کنید و می‌بینید هر یک، بعضی معیارها را با ظرافت می‌بازد و یکی را با درد: ابررساناها سریع‌اند اما فراموش‌کار، یون‌ها باثبات‌اند اما کند، فوتون‌ها پرواز می‌کنند اما به‌سختی با هم برهم‌کنش می‌کنند. این چک‌فهرست ساختار حوزه را هم توضیح می‌دهد — هر زیرحوزهٔ سخت‌افزاری وجود دارد چون یک معیار برای بقیه سخت است.
38.3هم‌دوسی
زمان‌های هم‌دوسی (۲۹.۲ تا ۲۹.۳) ساعت را تنظیم می‌کنند. مهم T1 خام نیست؛ نسبت آن به زمان گیت است: خطای هر دورهٔ بیکاری ≈ مدت تقسیم بر زمان هم‌دوسی. ترانس‌مون: T1 حدود ۱۰۰ میکروثانیه با گیت‌های حدود ۲۰ نانوثانیه — نسبتی نزدیک ۵٬۰۰۰. یون به‌دام‌افتاده: هم‌دوسی در مقیاس ثانیه تا دقیقه با گیت‌های ۱۰ تا ۶۰۰ میکروثانیه — نسبتی نزدیک ۱۰⁴ تا ۱۰⁵. نسبت‌های مشابه از دو سر طیف: سریع‌اما-فراموش‌کار در برابر کند-اما-باثبات. توجه کنید هم‌دوسی مهندسی می‌شود، هدیه نیست — T1 ترانس‌مون از حدود ۱ نانوثانیه در ۱۹۹۹ به حدود ۱۰۰ میکروثانیه تا ۱ میلی‌ثانیه امروز رسید، با مواد، پرداخت سطح، پوشش و فیلتر، و هنوز بهتر می‌شود. از هر ادعای سکویی این حساب را بخواهید: نسبت‌ها، نه صفت‌ها.
38.4کنترل‌پذیری
باید چرخش‌های دلخواه تک‌کیوبیتی و دست‌کم یک گیت درهم‌تننده را برانید، سریع‌تر از هم‌دوسی، با خطای حدود ۱۰⁻³. کنترل آنالوگ است: پالس‌های مایکروویوی شکل‌دار، پالس‌های لیزری، پالس‌های فلاکس — «برنامه»ٔ رایانهٔ کوانتومی در نهایت یک کتابخانهٔ شکل‌موج است. رانشِ قوی‌تر و سریع‌تر سرعت می‌خرد اما به ترازهای بالاتر سرریز می‌کند (نشتی، ۲۹.۶) و به همسایه‌ها می‌ریزد (کراس‌تاک، ۲۹.۷)؛ همان مثلثِ سرعت، نشتی و کراس‌تاک، نانِ روزمرهٔ مهندسی کنترل است. پشتهٔ کنترل کلاسیک (FPGA، مولدهای شکل‌موج دلخواه، طبقه‌های جلویی گیگاهرتزی) هزینهٔ بزرگی از هر ماشین است و به‌طور فزاینده نرم‌افزاری‌ترین زیرسیستم — نقطهٔ ورود واقع‌بینانه برای مهندسانی که به فیزیک دست نمی‌رسند.
38.5بازخوانی (readout)
حالت را سریع، با وفاداری بالا و بدون آزار همسایه‌ها بیرون بکشید: بازخوانی پاششی مایکروویو برای مدارهای ابررسانا (۳۹.۴)، فلورسنس وابسته به حالت برای یون‌ها و اتم‌ها (۴۰.۷)، شمردن فوتون برای فوتونیک (۴۲.۶). وفاداری‌ها ۹۹ تا ۹۹.۹ درصد و مدت‌ها از حدود ۱۰۰ نانوثانیه تا میلی‌ثانیه‌اند — و زمان بازخوانی دو بار حساب می‌شود: نرخ تکرار ماشین را می‌بندد و در چرخه‌های تصحیح خطا (بخش دهم) بودجهٔ هم‌دوسی را می‌خورد. بازخوانی باید تخریب‌ناپذیرِ کوانتومی (quantum non-demolition) باشد: بدون برگرداندن بیت اندازه بگیر. خطای این‌جا تنها نویزی است که کاملاً در نرم‌افزار وصله می‌شود (۲۹.۵). هنگام مقایسهٔ سکوها همیشه وفاداری و زمان بازخوانی را جدا بپرسید — این دو با هم معامله می‌شوند.
38.6مقیاس‌پذیری
از نمایش آزمایشگاهیِ ۵۰ کیوبیتی تا ۱۰⁶ کیوبیت، سیم‌کشی شرورِ تکرارشونده است. هر کیوبیت ابررسانا ۲ تا ۳ خط کواکسیال می‌خواهد از دل یخچالی با توان سرمایش میکروواتی — و از این‌جا، الکترونیک کرایو-CMOS چندگانه‌ساز به‌عنوان راه گریز پیشنهاد می‌شود. تله‌های یون تحویل لیزر به هر کیوبیت می‌خواهند؛ اتم‌های خنثی کنترل نوری روی آرایه‌های هزارخانه؛ فوتونیک منابع و آشکارسازهای روی‌تراشه در مقیاس. نقشه‌های راه سکوها این‌جا بیش از هر جای دیگر واگرا می‌شوند و نتایج آزمایشگاهیِ مقیاس کوچک تقریباً هیچ چیزی دربارهٔ حد مقیاس نمی‌گویند. قاعدهٔ مهندسی: بودجهٔ سیم‌کشی، سرمایش و نوریِ به‌ازای هر کیوبیت را در ۱۰⁶ کیوبیت بخواهید، و بپرسید کدام فناوریِ اجزا باید عوض شود تا به آن‌جا رسید.
38.7کالیبراسیون
هر کیوبیت باید فرکانس‌ها، دامنه‌های پالس و آستانه‌گذار بازخوانی‌اش کالیبره شود — و بازکالیبره، چون پارامترها رانش می‌کنند (۲۹.۸). تراشهٔ بزرگ، بازکالیبراسیون خودکارِ پیوسته را به‌صورت خط لولهٔ زمان‌بندی و بهینه‌سازی اجرا می‌کند و روزانه ساعاتی زمان ماشین می‌بلعد. این هم یکی از نرم‌افزاری‌ترین بخش‌های شرکت‌های «سخت‌افزاری» است: کالیبراسیون حلقهٔ کنترل کلاسیکی است که دور یک سامانهٔ کوانتومی آنالوگ پیچیده شده و تیم‌هایی که می‌سازندش شبیه تیم‌های رباتیک‌اند. کاربر راه‌دور خروجی‌ها را می‌بیند — نرخ خطای روزانهٔ هر کیوبیت و هر گیت. پیش از اجرای هر چیزی این صفحات را بخوانید: صادقانه‌ترین دادهٔ عملکرد در این صنعت همین‌جاست.