Monte Carlo particle transport on quantum computers

في عالم الطاقة النووية وسلامة الإشعاع، يعتمد العلماء على أداة قوية تسمى محاكاة "مونت كارلو" للتنبؤ بكيفية تحرك الجسيمات عبر المادة. تخيل أنك تحاول تتبع حبة رمل واحدة ترتد عبر غرفة مزدحمة؛ الآن تخيل القيام بذلك لمليارات الحبات، كل منها يتخذ مساراً مختلفاً، ويرتد عن الجدران، وأحياناً يختفي تماماً. على الحواسيب الكلاسيكية، التي تشكل قوة معظم تقنياتنا الحالية، تعد هذه العملية راسخة ولكنها مكلفة للغاية. فهي تتطلب حواسيب فائقة الضخمة تعمل لفترات طويلة لتوليد عدد كافٍ من المسارات العشوائية للحصول على إجابة موثوقة حول أين يذهب الإشعاع وما مقدار الدرع المطلوب. ومع تزايد الطلب على حسابات أسرع وأكثر كفاءة، يتطلع الباحثون نحو نوع جديد من الآلات: الحاسوب الكمومي. تعمل هذه الأجهزة وفق القواعد الغريبة لميكانيكا الكم، حيث يمكن للمعلومات أن توجد في حالات متعددة في آن واحد، مما يقدم وعداً نظرياً بحل مشكلات معقدة معينة بسرعة أكبر بكما يمكن لأي حاسوب كلاسيكي أن يفعل.

السؤال المركزي الذي يحرك هذا البحث هو ما إذا كانت هذه الآلات الكمومية قادرة بالفعل على التعامل مع المهمة المعقدة والمضطربة المتمثلة في تتبع انتقال الجسيمات. وبينما أظهرت الحواسيب الكمومية واعداً في مجالات مثل التمويل والكيمياء، إلا أن الطبيعة المعقدة والخطوة بخطوة لحركة الجسيمات قد تُرِكت إلى حد كبير خلف الركب. وفي هذا العمل الجديد، سعى باحثون من شركة "تاليس للأبحاث والتكنولوجيا" (Thales Research and Technology) في فرنسا إلى سد هذه الفجوة. لم يحاولوا ببساء مجرد تشغيل برمجيات قديمة على أجهزة جديدة؛ بل صمموا طريقة جديدة تماماً لتمثيل حركة الجسيمات بما يتناسب مع البنية الفريدة للحاسوب الكمومي. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان بإمكانهم محاكاة رحلة الجسيمات عبر مادة ما، مع مراعاة كيفية تشتتها وامتصاصها، باستخدام طريقة يمكن أن تقدم في النهاية ميزة سرعة كبيرة.

لفهم ما قام به الفريق، يجب على المرء أولاً أن يتصور كيف ترجموا العالم المادي إلى لغة البتات الكمومية. في المحاكاة الكلاسيكية، يختار الحاسوب نقطة بداية، ثم يرمي نردًا رقميًا ليقرر مدى بعد المسافة التي سيطيرها الجسيم، ثم يرمي النرد مرة أخرى ليرى ما إذا كان سيصطدم بشيء ما، ثم يقرر أين سيرتد بعد ذلك. يحدث هذا مراراً وتكراراً حتى يتم امتصاص الجسيم أو هروبه. استبدل الباحثون لعبة التخمين هذه (التي تتم خطوة بخطوة) بمفهوم كمومي يُعرف باسم "المشي الكمومي ذو الوقت المنفصل". فبدلاً من تتبع جسيم واحد في كل مرة، يعامل إعدادهم الكمومي موقع الجسيم كموجة منتشرة عبر شبكة. لقد بنوا شبكة افتراضية حيث يمثل كل مربع موقعاً ممكناً للجسيم. تم تصميم الشبكة لتماثل إعداداً فيزيائياً محدداً: منطقة ثنائية الأبعاد تحتوي على عائق مركزي وأذرع محيطة، جميعها مصنوعة من مواد تتفاعل مع الجسيمات بشكل مختلف.

يكمن جوهر طريقتهم الجديدة في كيفية تحديد وجهة الجسيم التالية. في "المشي الكمومي" القياسي، قد يتحرك الجسيم في أي اتجاه باحتمالية متساوية. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، فإن المادة التي يمر من خلالها الجسيم تملي سلوكه. فإذا كان الجسيم في مادة كثيفة، فمن المرجح أن يرتد أو يتوقف؛ وإذا كان في مساحة فارغة، فإنه يطير في خط مستقيم. ابتكر الباحثون قاعدة خاصة، أطلقوا عليها اسم "العملة المعتمدة على الموقع"، للتعامل مع هذا الأمر. فكر في هذه العملة ليس كجسم مادي، بل كمجموعة من التعليمات التي تتغير بناءً على المكان الذي يقف فيه الجسيم بالضبط على الشبكة. إذا كان الجسيم في منطقة ذات احتمالية عالية للامتصاص، فإن التعليمات تخبر النظام الكمومي بإبقاء الجسيم في مكانه باحتمالية عالية. وإذا كان في منطقة من المرجح أن يتشتت فيها، فإن التعليمات ترسله للتحرك في اتجاه جديد. سمح هذا للمحاكاة باحترام الخصائص المحلية للمواد دون الحاجة إلى تخزين جداول ضخمة من البيانات لكل سيناريو محتمل.

قام الفريق بعد ذلك ببناء دائرة، وهي المعادل الكمومي لبرنامج الحاسوب، لأداء هذه الخطوات. بدأوا بتحضير الجسيم عند نقطة مصدر محددة. ثم طبقوا سلسلة من العمليات التي مثلت "خطوة" واحدة من رحلة الجسيم. تضمنت هذه السلسلة التحقق من القواعد المحلية، وتحديد الاتجاه، وتحريك الجسيم إلى الموقع التالي في الشبكة. كان عليهم أيضاً مراعاة حواف عالمهم الافتراضي. وبما أن الجسيمات لا يمكنها الطيران بعيداً إلى العدم في هذه المشكلة المحددة، فقد برمج الباحثون النظام لرد الجسيمات إذا اصطدمت بالحدود، تماماً مثل كرة تصطدم بجدار. اختبروا طريقتين مختلفتين لتشغيل هذه المحاكاة. تضمنت الطريقة الأولى قياس موقع الجسيم بعد كل خطوة، مما يؤدي فعلياً إلى انهيار الحالة الكمومية إلى نتيجة كلاسيكية قبل اتخاذ الخطوة التالية. أما الطريقة الثانية، فقد تركت النظام الكمومي يتطور لخطوات عديدة دون النظر إليه، باستخدام تقنية تسمى "تضخيم السعة" لتعزيز فرص العثور على الجسيم في منطقة اهتمام معينة.

عندما أجروا عمليات المحاكاة هذه، قدمت النتائج مزيجاً من الوعد والقيود. قارن الباحثون نتائجهم الكمومية بمعيارين معتمدين: طريقة كلاسيكية تستخدم حسابات قائمة على الشبكة، ومحاكاة "مونت كارلو" تقليدية تتبع نصف مليون جسيم. في المراحل الأولى من المحاكاة، بدا "المشي الكمومي" مشابهاً جداً للنتائج الكلاسيكية. فقد انتشر الجسيم عبر الشبكة بطريقة تطابق الفيزياء المتوقعة، متجنباً العائق بشكل صحيح وملء الأذرع المحيطة. أكد هذا أن طريقتهم الجديدة يمكنها تمثيل الهندسة والتدفق الأساسي للجسيمات بدقة. ومع ذلك، مع استمرار المحاكاة لخطوات أكثر، بدأت النتائج الكمومية تبتعد عن النتائج الكلاسيكية. اشتبه الفريق في أن هذا يعود إلى أن طريقتهم في التعامل مع الامتصاص — أي إبقاء الجسيم في مكانه بدلاً من إزالته — كانت تقريباً أدخل أخطاءً صغيرة بمرور الوقت.

لم تدّعِ الدراسة أنها حلت مشكلة انتقال الجسيمات على الحواسيب الكمومية، ولم تثبت وجود تسريع يمكن استخدامه في الصناعة اليوم. بدلاً من ذلك، كانت بمثابة "إثبات مفهوم" حاسم. أظهر الباحثون أنه من الممكن ترميز القواعد المحلية المعقدة لتفاعل الجسيمات في دائرة كمومية، وأن النظام يمكنه إنتاج نتائج تبدو صحيحة نوعياً. كما حددوا عقبات محددة لا تزال قائمة، مثل الحاجة إلى التعامل مع السرعة الإجمالية للجسيمات بدقة أكبر، والتكلفة الحسابية لإعادة ضبط أجزاء من النظام أثناء الحساب. تشير الدراسة إلى أنه بينما لا يزال الطريق نحو كود كامل الوظائف لنقل الجسيمات طويلاً، فإن الخطوات التأسيسية قد وضعت الآن. ومن خلال تحويل الرقصة الفوضوية للإشعاع إلى "مشي كمومي" منظم، فتح الفريق باباً للباحثين المستقبليين لصقل هذه الأساليب وتسخير القوة الكاملة للآلات الكمومية في نهاية المطاف لسلامة وتصميم النوى.