Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor

في عالم المواد الصلبة المعتاد، تتدفق الكهرباء والحرارة عادةً بحرية، مثل الماء عبر الأنبوب، حتى يعترض طريقها شيء ما. لعقود من الزمن، فهم الفيزيائيون أنه إذا كانت المادة نظيفة ومتجانسة تمامًا، فإن الطاقة تنتشر بالتساوي حتى يستقر النظام في حالة هادئة يمكن التنبؤ بها. ومع ذلك، إذا كانت المادة فوضوية أو غير منتظمة - مليئة بالشوائب العشوائية - يمكن للطاقة أن تتعثر وتظل محاصرة في مكانها كما لو كان الأنبوب مسدودًا بالحطام. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "التمركز" (localization)، هي وسيلة معروفة لإيقاف تدفق الطاقة. ولفترة طويلة، اعتقد العلماء أنه إذا تفاعلت الجسيمات في نظام ما مع بعضها البعض، فإن تأثير الحصار هذا سينهار في النهاية، مما يسمح للطاقة بالتدفق مرة أخرى بغض النظر عن مدى فوضوية المادة. لكن نظريات حديثة اقترحت أنه حتى في الأنظمة التفاعلية، يمكن للاضطراب أن يحجز الطاقة لفترات زمنية طويلة للغاية، مما يخلق حالة من المادة ترفض الاستقرار.

لقد رصد فريق من الباحثين في "جوجل كوانتوم إيه آي" (Google Quantum AI) ومعاونيهم الآن تحولًا مفاجئًا في هذه الفكرة. فقد وجدوا أن الطاقة يمكن أن تُحاصر وتفشل في الانتشار، حتى عندما يكون النظام نظيفًا تمامًا ولا يحتوي على أي اضطراب على الإطلاق. هذا الاكتشاف، الذي نُشر في دراسة حديثة، يتحدى الحدس القائل بأن الفوضوية مطلوبة لإيقاف تدفق الطاقة. ومن خلال استخدام حاسوب كمي قوي، قام الفريق بمحاكاة نوع معين من الشبكات حيث تتفاعل الجسيمات والقوى بطريقة عالية الهيكلية. راقبوا ما حدث عندما أدخلوا دفعة صغيرة من الطاقة في مركز هذه الشبكة. في نظام طبيعي ونظيف، ستنتشر هذه الطاقة نحو الخارج، وتنتشر عبر الشبكة بأكملها حتى تتوزع بالتساوي. وبدلاً من ذلك، وجدوا أنه في ظروف معينة، تظل الطاقة عالقة في مكان بدأت فيه بالضبط، رافضة الانتشار.

أُجريت التجربة على معالج كمي فائق التوصيل، وهو آلة تستخدم دوائر صغيرة لمحاكاة سلوك الجسيمات الكمية. بنى الباحثون نموذجًا رقميًا لشبكة (lattice)، وهي في الأساس شبكة من النقاط المتصلة بخطوط. وعلى هذه الشبكة، وضعوا نوعين من المكونات: "كيوبتات المادة"، التي تعمل كالجسيمات الحاملة للطاقة، و"كيوبتات القياس" (gauge qubits)، التي تعمل كالقوى التي تربط بينها. أعد الفريق النظام في حالة تبدو متجانسة ومنظمة تمامًا، دون أي اختلافات عشوائية أو شوائب. ثم أحدثوا اضطرابًا صغيرًا في منت وسط الشبكة، بشكل يشبه إلقاء حصاة في بركة ساكنة. في نظام نظيف ومعياري، ستنتقل تموجات تلك الحصاة نحو الخارج، لتغمر السطح بأكمله في النهاية.

لكن ما لاحظه الباحثون كان مختلفًا. فعندما أعدوا النظام بطريقة محددة تتضمن "تراكبًا كميًا" (quantum superposition) - وهي حالة يوجد فيها النظام في العديد من التكوينات الممكنة في آن واحد - لم ينتشر اضطراب الطاقة. بدلاً من ذلك، ظل محصورًا بالقرب من مركز الشبكة. بقيت الطاقة عالقة، واحتفظ النظام بذاكرة لمكان بدء الاضطراب، حتى بعد دورات عديدة من التطور. هذا السلوك، الذي يسميه المؤلفون "التمركز الخالي من الاضطراب" (disorder-free localization)، حدث في كل من الحلقات أحادية الأبعاد والشبكات ثنائية الأبعاد. ولم يكن مفتاح هذه الظاهرة هو غياب النظام، بل كان نوعًا معينًا من النظام الذي يحاكي آثار الاضطراب. لقد خلقت التناظرات الداخلية للنظام خلفية فعالة عملت كمنظر طبيعي عشوائي، مما أدى إلى حجز الطاقة دون وجود أي عشوائية فعلية.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحثون إلى النظام من منظور مختلف. أدركوا أن الحالة النظيفة والمتجانسة التي صنعوها هي في الواقع تراكب للعديد من تكوينات "الاضطراب" المختلفة الممكنة. وفي معظم هذه التكوينات الخفية، يبدو الجهد الخلفي فوضويًا وغير منتظم، وهو أمر معروف بقدرته على حجز الطاقة. ولأن النظام الكمي كان يستكشف كل هذه الاحتمالات في وقت واحد، فقد حُجزت الطاقة في غالبها، مما أدى إلى تأثير عام يتمثل في عدم قدرة الطاقة على الحركة. وهذا يختلف عن نظام تقوم فيه ببساطة بعمل متوسط للعديد من التجارب الفوضوية المختلفة؛ هنا، أنتجت التجربة الواحدة النظيفة تأثير الحجز بشكل طبيعي بسبب كيفية دمج الحالات الكمية.

قام الفريق أيضًا بقياس كيفية تغير الروابط الداخلية للنظام بمرور الوقت. ووجدوا أن "إنتروبيا التشابك" (entanglement entropy) في نظامهم - وهي مقياس لمدى ترابط أجزاء النظام مع بعضها البعض - نمت بشكل أسرع بكثير في هذه الحالة المحاصرة الخالية من الاضطراب مقارنة بنظام مضطرب نموذجي. كان هذا اكتشافًا حاسمًا لأنه أظهر أن الحالة المحاصرة تختلف جوهريًا عن حالات "التمركز متعدد الأجسام" (many-body localized) التي درسها العلماء لسنوات. في تلك الأنظمة المضطربة التقليدية، تنمو الروابط بين الأجزاء ببطء شديد. أما في هذه الحالة الجديدة الخالية من الاضطراب، فقد نمت الروابط بسرعة، مما يشير إلى نوع فريد من السلوك الكمي الذي ليس في حالة تدفق كامل ولا في حالة انحباس تام بالمعنى التقليدي.

أكد الباحثون هذه النتائج من خلال إجراء التجربة نفسها على شبكة ثنائية الأبعاد مكونة من 81 كيوبت. تمامًا كما في الحلقة أحادية الأبعاد، ظل اضطراب الطاقة محصورًا عندما تم إعداد النظام في حالة التراكب، بينما انتشر بحرية عند إعداده في حالة واحدة غير متراكبة. كانت النتائج متسقة عبر كلا البعدين، مما يشير إلى أن هذه الظاهرة قوية وليست مجرد صدفة ناتجة عن إعداد معين. كما قارن الفريق بياناتهم التجريبية بالمحاكاة الحاسوبية، ووجدوا أن المعالج الكمي الحقيقي كان يعمل بتوافق وثيق مع التوقعات النظرية، حتى مع نمو النظام وزيادة تعقيده.

هذا العمل لا يكتفي بمجرد مراقبة حالة جديدة من المادة، بل يقدم طريقة جديدة لدراسة الاضطراب نفسه. عادةً، لفهم كيفية سلوك نظام فوضوي، يجب على العلماء إجراء آلاف عمليات المحاكاة مع ترتيبات عشوائية مختلفة من الشوائب ثم حساب متوسط النتائج. وهذا أمر مكلف حاسوبيًا وصعب. وقد أظهر الباحثون أنه باستخدام التراكب الكمي، يمكنهم فعليًا أخذ عينات من جميع تكوينات الاضطراب الممكنة في تجربة واحدة. يمكن لهذا النهج أن يسرع بشكل كبير دراسة المواد المعقدة، مما يسمح للعلماء باستكشاف الأحداث النادرة والظروف القصوى التي تقع حاليًا خارج نطاق قدرة الحواسيب التقليدية.

تسلط الدراسة الضوء على علاقة عميقة بين تناظرات النظام الفيزيائي والطريقة التي تتحرك بها الطاقة من خلاله. إنها تثبت أنك لا تحتاج إلى بيئة فوضوية وغير منتظمة لإيقاف تدفق الطاقة، بل تحتاج فقط إلى النوع الصحيح من النظام الكمي. يمكن أن يساعد هذا الفهم الفيزيائيين في تصميم مواد أو أجهزة كمية جديدة يمكنها حماية المعلومات من الانتشار والتسرب بعيدًا، وهو مطلب حيوي لبناء حواسيب كمية مستقرة. ومن خلال إظهار أن التمركز يمكن أن يحدث بدون اضطراب، فتح الباحثون فصلًا جديدًا في دراسة كيفية تطور الأنظمة الكمية، مثبتين أن غياب الفوضى يمكن أن يخلق أحيانًا نفس تأثيرات وجودها.