زمان‌های T1 و T2: چگونه واهلش و وافازی، طول عمر یک کیوبیت را تعیین می‌کنند

در ۲۶ مه ۲۰۲۶، صنعت سخت‌افزار کوانتومی استانداردهای ارزیابی خود را حول دو محدودیت فیزیکی سخت‌گیرانه یکپارچه کرد: زمان‌های واهلش T1 و T2، همان‌طور که در چارچوب جامع منتشرشده توسط Quantum Zeitgeist به تفصیل آمده است. اکنون توسعه‌دهندگان سخت‌افزار، به جای تمرکز صرف بر تعداد کیوبیت‌ها — معیاری که اغلب با ادبیات بازاریابی و تبلیغاتی بزرگ‌نمایی می‌شود — ناچارند طول عمر واقعی حالت‌های کوانتومی خود را گزارش کنند.[3][4]

در حالی که بیانیه‌های مطبوعاتی مدام پردازنده‌هایی با صدها کیوبیت فیزیکی را در بوق و کرنا می‌کنند، قابلیت واقعی یک کامپیوتر کوانتومی در گرو همدوسی آن است. اگر یک مدار کوانتومی به ۱۰۰۰ عملیات متوالی نیاز داشته باشد، کیوبیت باید آن‌قدر زنده بماند تا آن‌ها را اجرا کند؛ فارغ از اینکه چه تعداد کیوبیت همسایه روی تراشه بی‌کار نشسته‌اند.[4]

سقف مطلق برای این بقا، با عنوان زمان واهلش T1 شناخته می‌شود. T1 واهلش انرژی را اندازه می‌گیرد؛ یعنی مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک کیوبیتِ برانگیخته در حالت |1⟩، به طور خودبه‌خودی دچار واپاشی شده و به حالت پایه |0⟩ خود بازگردد.[3]

وقتی یک کیوبیت دچار واهلش T1 می‌شود، انرژی برانگیختگی خود را به محیط اطراف منتقل می‌کند. این فرآیند اغلب به دیاپازون در حال ارتعاشی تشبیه می‌شود که انرژی صوتی خود را به یک بالش نرم می‌بازد و اطلاعات کوانتومی‌اش برای همیشه به حمام حرارتی پیرامون نشت می‌کند.[1][3]

با این حال، اتلاف انرژی تنها تهدید برای یک محاسبه کوانتومی نیست. ویژگی شکننده‌تر، همدوسی فاز است که با زمان واهلش T2 سنجیده می‌شود. T2 نشان می‌دهد که یک کیوبیت تا چه مدت می‌تواند رابطه فازی دقیق خود را حفظ کند؛ همان زمان‌بندی ظریفی که به حالت‌های کوانتومی اجازه می‌دهد تداخل سازنده و ویرانگر داشته باشند.[1]

در الگوریتم‌های کوانتومی، همدوسی فاز همان سازوکاری است که سیستم را به سمت پاسخ درست هدایت می‌کند. وقتی زمان T2 به پایان می‌رسد، کیوبیت تقریباً ۶۳ درصد از همدوسی فاز اولیه خود را از دست می‌دهد و از یک حالت کوانتومی کارآمد، به یک بیت کلاسیک تصادفی تبدیل می‌شود.[1]

نکته حائز اهمیت این است که طبق یک قانون بنیادی فیزیک، T2 هرگز نمی‌تواند از دو برابر مقدار T1 تجاوز کند. در سخت‌افزارهای عملی، T2 تقریباً همیشه بسیار کوتاه‌تر است، زیرا می‌تواند در اثر نوسانات محیطی که هیچ‌گونه تبادل انرژی در آن‌ها رخ نمی‌دهد نیز دچار افت کیفیت شود.[1][2][3]

این رویدادهای وافازیِ خالص — که با معیار سومی به نام Tφ کمّی‌سازی می‌شوند — ناشی از اختلالات میکروسکوپی هستند. نوسانات میدان مغناطیسی، نویز بار الکتریکی ناشی از نقص‌های تراشه و فوتون‌های سرگردان، همگی می‌توانند باعث انحراف فاز کیوبیت شده و بدون ایجاد واپاشی انرژی، محاسبه را مختل کنند.[1][3]

مدل‌های مختلف سخت‌افزاری، طول عمرهای T1 و T2 به شدت متفاوتی از خود نشان می‌دهند. ترانسمون‌های ابررسانا، یعنی معماری محبوب شرکت‌های بزرگ و باسابقه فناوری، معمولاً با زمان‌های T1 و T2 در محدوده ۸۰ تا ۳۰۰ میکروثانیه کار می‌کنند.[3]

اگرچه صدها میکروثانیه زمان کوتاهی به نظر می‌رسد، اما گیت‌های ابررسانا فوق‌العاده سریع هستند و در حدود ۵۰ نانوثانیه اجرا می‌شوند. این سرعت به سیستم اجازه می‌دهد تا پیش از فروپاشی حالت، هزاران عملیات را در یک پنجره همدوسی واحد جای دهد.[3]

در مقابل، سیستم‌های یون به دام‌افتاده، سرعت گیت را فدای طول عمر بسیار بالا می‌کنند. در ۵ اوت ۲۰۲۴، شرکت Alpine Quantum Technologies زمان‌های T1 معادل ۱٫۱۴ ثانیه را در یک زنجیره یونی ۲۰ کیوبیتی به نمایش گذاشت، در حالی که زمان‌های T2 بین ۰٫۵ تا ۱٫۲ ثانیه متغیر بود.[2]

از آنجا که یون‌های به دام‌افتاده در خلأ معلق بوده و از نقص‌های حالت جامد ایزوله هستند، مانند دوقلوهای همسان عمل می‌کنند؛ این ویژگی به حافظه کوانتومی اجازه می‌دهد تا با وجود سرعت پایین‌ترِ ۱۰ تا ۱۰۰ میکروثانیه‌ای گیت‌ها، تا ۱۰۰۰ عملیات گیت دوام بیاورد.[2]

معماری‌های نوظهور نیز در حال جابه‌جا کردن مرزهای همدوسی هستند. پژوهشگران دانشگاه نوتردام اخیراً با استفاده از کیوبیت‌های بار الکترون روی سطح نئون جامد به پیشرفتی چشمگیر دست یافتند و هر دو زمان T1 و T2 را به رکورد ۰٫۱ میلی‌ثانیه رساندند.[5]

این دستاورد، نسبت زمان همدوسی به گیتِ بیش از ۱۰۰۰۰ را به همراه داشت. پروفسور دافی جین از دانشگاه نوتردام با تأکید بر اینکه برای اندازه‌گیری این حالت‌های گذرا به سخت‌افزار کنترلی پیشرفته نیاز است، خاطرنشان کرد: «سیستم OPX یک توانمندساز قدرتمند در آزمایشگاه ما بوده و به ما کمک کرده تا به سرعت عملکرد کیوبیت‌های جدید و تازه‌کشف‌شده خود را مشخصه‌یابی کنیم.»[5]

برای مقابله با وافازی T2 در تمام این پلتفرم‌ها، مهندسان از تکنیکی به نام جداسازی دینامیکی استفاده می‌کنند. با شلیک توالی سریعی از پالس‌های بازکانونی‌کننده — که اغلب پژواک هان نامیده می‌شود — سخت‌افزار کنترلی عملاً انحراف فاز ناشی از نویزهای کُند محیطی را به عقب برمی‌گرداند.[1][3]

چرخش صنعت به سمت معیارهای T1 و T2، هیاهوی تبلیغاتی پیرامون تعداد خام کیوبیت‌ها را از بین می‌برد. یک پردازنده غول‌پیکر اگر کیوبیت‌هایش پیش از تکمیل یک الگوریتم ساده دچار همدوسی‌زدایی شوند، عملاً بی‌فایده است. ایستگاه قابل‌راستی‌آزمایی بعدی برای این حوزه، سوق دادن کیوبیت‌های منطقی — مجموعه‌های تصحیح‌خطاشده از کیوبیت‌های فیزیکی — به سمت حفظ نامحدود همدوسی فاز است؛ نقطه عطفی که مستلزم عبور مطمئن زمان‌های فیزیکی T1 و T2 از آستانه تحمل‌پذیری خطا است.[3][6]