Correlations and quantum circuits with dynamical causal order

في العالم المادي، تحدث الأحداث عادةً في تسلسل معين؛ حيث يؤدي شيء ما إلى وقوع آخر، والذي يؤدي بدوره إلى وقوع ثالث، مما يخلق خطاً زمنياً واضحاً من الماضي إلى المستقبل. لقرون، اعتُبرت فكرة هذا الترتيب الثابت قاعدة أساسية للواقع. ومع ذلك، فإن القوانين الغريبة لميكانيكا الكم قد تحدت هذا اليقين مؤخراً. فقد اكتشف العلماء أنه تحت ظروف محددة، يمكن أن يتلاشى الترتيب الذي تقع به الأحداث، بحيث توجد في حالة لم يُحدد فيها بعد أي حدث وقع أولاً. هذا المفهوم، المعروف باسم "الترتيب السببي غير المحدد"، يشير إلى أن بنية السبب والنتي ث يمكن أن تكون مرنة. وبينما يبدو هذا كأنه فضول نظري، فإن فهم كيفية عمل هذه البنى المرنة أمر بالغ الأهمية لتطوير تقنيات مستقبلية، مثل الحواسيب الكمومية التي يمكنها حل مشكلات مستعصية على آلات اليوم. والسؤال الذي يحاول الباحثون الإجابة عليه هو ما إذا كانت هذه المرونة عبارة عن فوضى عارمة، أم أن هناك قواعد خفية تحكم كيفية تغير ترتيب الأحداث.

لقد كشف فريق من الفيزيائيين الآن عن طبقة جديدة من التعقيد في هذا اللغز، موضحاً أن الطريقة التي تؤثر بها الأحداث على بعضها البعض هي أكثر دقة مما كان يُعتقد سابقاً. لفترة طويلة، افترض العلماء أنه إذا كان ترتيب الأحداث يتغير، فذلك لأن فعلاً سابقاً يقرر مباشرة ترتيب الأحداث اللاحقة. تخيل إشارة مرور تتغير بناءً على عدد السيارات المنتظرة؛ فالسيارات في الماضي تؤثر على إشارة المستقبل. تُظهر هذه الورقة البحثية أن هذه ليست الطريقة الوحيدة التي يمكن أن تسير بها الأمور. فقد وجد الباحثون أنه مع وجود أربعة أطراف أو أكثر، من الممكن أن يكون ترتيب الأحداث ديناميكياً —أي يتغير مع تطور العملية— دون أن يكون لأي من المشاركين السابقين أي سيطرة على هذا التغيير. يتغير الترتيب، لكنه يتغير من تلقاء نفسه، وبشكل مستقل تماماً عن الخيارات التي اتخذها الأشخاص الذين سبقوهم في العمل.

لفهم هذا الاكتشاف، يجب على المرء أولاً أن ينظر إلى كيفية وصف العلماء للعلاقات بين الأشخاص أو الآلات المختلفة، والذين يسمونهم "الأطراف". في سيناريو قياسي، إذا قام الطرف (أ) بفعل ما قبل الطرف (ب)، يمكن لـ (أ) إرسال رسالة إلى (ب)، لكن لا يمكن لـ (ب) إرسال رسالة عائدة إلى (أ). هذا هو الترتب السببي الثابت. يعلم العلماء منذ فترة أنك إذا أضفت طرفاً ثالثاً، فإن الترتيب ليس بالضرورة أن يكون ثابتاً مسبقاً، بل يمكن تحديده أثناء العملية. على سبيل المثال، قد يختار الطرف (أ) إجراءً يحدد ما إذا كان الطرف (ب) أو الطرف (ج) هو الذي سيليه. هذا ما يُعرف بالترتيب السببي الديناميكي، حيث يتم إنشاء التسلسل أثناء حدوث العملية. وكان الافتراض السائد هو أن هذه الديناميكية تتطلب دائماً وجود تأثير: أي أن الماضي يجب أن يكون هو المحرك الذي يحدد تسلسل المستقبل.

أدرك مؤلفو هذه الدراسة، بالتعاون مع مجموعة من الشركاء، أن هذا الافتراض كان ناقصاً. فقد سعوا لتعريف فئة جديدة من السلوك حيث يكون التسلسل ديناميكياً ولكن دون تأثير من الماضي. بدأوا بتحليل سيناريوهات بسيطة تتضمن معلومات كلاسيكية، حيث يتبادل الأطراف المدخلات والمخرجات. ومن خلال إنشاء إطار رياضي محدد، حددوا فئة من الارتباطات حيث يتغير الترتب السببي بين الأطراف، ومع ذلك يظل احتمال حدوث هذا التغيير غير متأثر تماماً بالمدخلات التي اختارها الأطراف السابقون. وفي عمليات المحاكاة التي أجروها، أظهروا أنه بالنسبة لثلاثة أطراف، يكون هذا النوع من السلوك مستحيلاً؛ فإما أن يظل الترتب ثابتاً أو يكون متأثراً بالماضي. ومع ذلك، بمجرد إدخال طرف رابع، ظهرت إمكانية جديدة. فقد وجدوا أن الترتب يمكن أن يكون ديناميكياً، ويتنقل بين تسلسلات مختلفة، لكن احتمالية كل تسلسل كانت ثابتة منذ البداية، ومحصنة ضد أفعال المشاركين.

أدى هذا الاكتشاف بالباحثين إلى اقتراح نظام تصنيف جديد لهذه التفاعلات. فقد حددوا منطقة وسطى بين العمليات التي لها ترتيب ثابت تماماً وتلك التي تكون ديناميكية بالكامل ومتأثرة بالماضي. وأطلقوا على هذه الحالة المتوسطة اسم "الترتيب السببي غير القابل للتأثير". ولإثبات أن هذا كان ظاهرة متميزة وحقيقية، صمموا لعبة محددة تتضمن أربعة أطراف. في هذه اللعبة، يحاول اللاعبون تخمين مدخلات بعضهم البعض بناءً على قواعد اللعبة. وحسب الباحثون الدرجة القصوى الممكنة لأنواع مختلفة من الهياكل السببية. ووجدوا أن الدرجة التي يمكن تحقيقها باستخدام الترتيبات غير القابلة للتأثير كانت أعلى بوضوح مما كان ممكناً في الترتيبات الثابتة، ولكنها أقل بوضوح مما يمكن تحقيقه إذا كان بإمكان الماضي التأثير على المستقبل. وأثبتت هذه الفجوة في الأداء أن الفئة الجديدة من السلوك ليست مجرد تنوع نظري، بل هي طريقة مختلفة جوهرياً يمكن للعالم أن يعمل بها.

ثم نقل الفريق هذه النتائج إلى مجال الفيزياء الكمومية، حيث القواعد أكثر مرونة. فقد نظروا في الدوائر الكمومية، وهي اللبنات الأساسية للحواسيب الكمومية، وتحديداً تلك التي يتم فيها التحكم في ترتيب العمليات بواسطة نظام كمومي. في هذه الدوائر، يمكن للنظام المتحكم أن يوجد في حالة "تراكب"، مما يضع ترتيب العمليات فعلياً في حالة تحدث فيها عدة تسلسلات في آن واحد. طبق الباحثون تعريفاتهم الجديدة على هذه الدوائر الكمومية، وحددوا فئة من العمليات الكمومية حيث يكون النظام المتحكم ديناميكياً وغير قابل للتأثير. في هذه العمليات، يتطور النظام المتحكم الكمومي بطريقة تحدد ترتيب العمليات، ولكن هذا التطور لا يتأثر بالعمليات المحددة التي يقوم بها الأطراف.

يتضمن أحد أبرز الأمثلة التي صمموها عملية تشمل أربعة أطراف. في إعدادهم، يقوم طرفان بالعمل أولاً، وتكون أفعالهما جزءاً من عملية كمومية معقدة غير قابلة للفصل سببياً، مما يعني أن ترتيبهما ليس ثابتاً. ومع ذلك، فإن نتيجة قياس يتم إجراؤه على هذين الطرفين، والذي يحدد بعد ذلك الترتيب الذي سيعمل به الطرفان المتبقيان، هي مستقلة إحصائياً عما فعله الطرفان الأولان بالفعل. نتيجة القياس تكون عشوائية، لكنها ليست متأثرة بخيارات الطرفين السابقين. وهذا يخلق سيناريو يكون فيه الترتب السببي بين الطرفين الأخيرين محدداً ديناميكياً من خلال القياس، ومع ذلك فإن احتمالية هذا الترتب ثابتة ولا يمكن التلاعب بها من قبل الماضي. وهذا يتناقض مع العمليات الكمومية المعروفة الأخرى، مثل "المبدل الكمومي" الشهير، حيث يكون الترتيب ثابتاً في حالة تراكب منذ البداية ولا يتغير ديناميكياً، ومع العمليات الأخرى حيث يتحكم الماضي بنشاط في ترتيب المستقبل.

استخدم الباحثون تقنيات حوسبة متقدمة لاختبار حدود هذه الفئات الجديدة. وحسبوا الدرجة القصوى الممكنة للعبة الأطراف الأربعة باستخدام هذه الدوائر الكمومية غير القابلة للتأثير. وأظهرت النتائج أنه بينما يمكن لهذه الدوائر أن تتفوق على تلك ذات الترتيبات الثابتة، إلا أنها لا تستطيع الوصول إلى الحد النظري الأقصى المسموح به للارتباطات السببية العامة. ويشير هذا إلى أنه بينما يعد الترتب الديناميكي غير القابل للتأثير مورداً قوياً، فإنه لا يزال أكثر تقييداً من النطاق الكامل للإمكانيات التي تسمح بها ميكانيكا الكم. وتؤكد الدراسة أن الكون يسمح بشكل دقيق من الديناميكية حيث يمكن لتسلسل الأحداث أن يكون مرناً دون أن يكون محكوماً بالماضي.

يعيد هذا العمل تشكيل فهمنا لكيفية عمل السبب والنتي في المجال الكمومي. فهو يوضح أن العلاقة بين الزمن والترتيب والتأثير ليست مجرد خيار ثنائي بين الثبات والفوضى. بدلاً من ذلك، هناك منطقة وسطى مهيكلة حيث يمكن للمستقبل أن يكون غير مؤكد ومتغيراً، ومع ذلك يظل مستقلاً تماماً عن خيارات الماضي. هذا التمييز حيوي لمستقبل علم المعلومات الكمومية. فبينما يطور الباحثون شبكات وحواسيب كمومية أكثر تعقيداً، فإن معرفة أنواع الهياكل السببية الممكنة بدقة —والتي هي مستحيلة— ستساعدهم في تصميم أنظمة أكثر كفاءة. إن القدرة على التمييز بين العمليات التي تتغير ديناميكياً بسبب تأثير الماضي وتلك التي تتغير من تلقاء نفسها توفر أداة جديدة للمهندسين والفيزيائيين. وهي تشير إلى وجود موارد جديدة غير مستغلة في كيفية ترتيب الأنظمة الكمومية، وهي موارد لا تعتمد على تحكم الماضي في المستقبل، بل على تطور أكثر دقة وذاتي الاحتواء للترتيب.

تختتم الورقة البحثية بالتأكيد على أن هذه ليست سوى البداية لفهم هذه الهياكل. ويشير الباحثون إلى أنه على الرغم من تعريفهم لهذه الفئات وإثبات وجودها، لا تزال هناك العديد من الأسئلة المفتوحة. على سبيل المثال، ليس من الواضح بعد ما إذا كانت هناك أشكال أخرى أكثر تعقيداً من الترتب غير القابل للتأثير لم يكتشفوها بعد، أو ما إذا كان بإمكان هذه الفئات الجديدة توفير ميزة عملية في مهام حوسبية محددة. كما يشيرون إلى أن تعريفاتهم تعتمد على إطار عمل محدد للدوائر الكمومية، ويبقى أن نرى كيف ستطبق هذه الأفكار على النظريات الأكثر تجريداً للجاذبية الكمومية. ومع ذلك، فإن تحديد هذه الفئة الجديدة من الترتب السببي يمثل خطوة مهمة للأمام؛ فهو ينقل المجال إلى ما وراء السؤال البسيط حول ما إذا كان الترتب ثابتاً أم لا، وينتقل به إلى استكشاف أعمق لكيفية تحديد ذلك الترتب، كاشفاً عن طبقة خفية من الاستقلال في نسيج السبب والنتيجة.