Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

على مدار قرن تقريبًا، استخدم العلماء اختبارًا بسيطًا لفهم كيف تتذكر المواد ماضيها. فمن خلال تسليط مجال مغناطيسي على قطعة من الحديد ثم عكسه ببطء، يلاحظون وجود تأخر: المادة لا تغير اتجاه مغناطيسيتها فور تغير القوة الخارجية، بل تقاوم، متمسكة باتجاهها الأصلي حتى تصبح القوة المعارضة قوية بما يكفي لكسر قبضتها. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التخلف المغناطيسي (hysteresis)، هي السبب في قدرة المغانط على تخزين البيانات وفي جعل مواد معينة تعمل كأجهزة ذاكرة. في عالم الفيزياء الكلاسيكية المعتاد، يُفهم هذا السلوك جيدًا ويعتمد على وجود مناطق مغناطيسية مستقرة تقاوم التغيير. ومع ذلك، تنص قاعدة أساسية في الفيزياء الكلاسيكية على أنه في خط واحد من الذرات المغناطيسية، يجب أن يكون هذا النوع من المقاومة مستحيلاً؛ فبدون البعد الإضافي لخلق هياكل معقدة ومستقرة، ينبغي لهذه الخطوط أن تنقلب فورًا وبشكل مثالي مع المجال المسلط، دون إظهار أي ذاكرة على الإطلاق.

يخلق هذا وضعًا محيرًا للفيزياء الحديثة. فقد بدأ الباحثون مؤخرًا في استخدام حواسيب كمومية قوية، وتحديدًا الأجهزة المصممة لحل مشكلات التحسين المعقدة، لمحاكاة المواد المغناطيسية. تعمل هذه الآلات عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق وتستخدم القواعد الغريبة لميكانيكا الكم، حيث يمكن للجسيمات أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد ويمكنها النفق عبر الحواجز. ولأن هذه الأنظمة الكمومية مصممة للهروب من الحالات العالقة وإيجاد الحل الأمثل بسرعة، كان من المتوقع أن تقضي على تأثيرات الذاكرة ذاتها التي تسبب التخلف المغيسي. ومع ذلك، عندما أجرى العلماء تجارب على هذه الآلات، وجدوا العكس تمامًا. فحتى في الخطوط أحادية الأبعاد المكونة من آلاف البتات الكمومية، رفض النظام الانقلاب فورًا، وأظهر مقاومة عنيدة، وذاكرة واضحة لحالته السابقة، وتأخرًا يتحدى التوقعات الكلاسيكية. يشير هذا الاكتشاف إلى أن ميكانيكا الكم، بدلًا من محو الذاكرة، يمكنها خلق أنواع جديدة تمامًا منها.

في دراسة جديدة، وضع فريق من الباحثين في مختبر لوس ألاموس الوطني منهجًا لفهم هذا السلوك المفاجئ. استخدموا ثلاثة أجيال مختلفة من حواسيب "دي-ويف" (D-Wave) للتقسية الكمومية، وهي حواسيب متخصصة تحتوي على آلاف الكيوبتات فائقة التوصيل. قام الباحثون ببرمجة هذه الآلات لتعمل كحلقات طويلة من السبينات المغناطيسية، بعضها يحتوي على ما يصل إلى 4,906 وحدة فردية. ثم طبقوا مجالًا مغناطيسيًا يتغير اتجاهه ببطء، محاكيًا اختبار التخلف المغناطيسي الكلاسيكي. كانت النتائج مذهلة؛ فبالرغم من كونها حلقات أحادية الأبعاد، حيث تتنبأ الفيزياء الكلاسيكية بعدم وجود مقاومة، أظهر النظام الكمومي "قسرية" (coercivity) متميزة، وهي مقياس لمدى صعوبة قلب المغناطيسية. لم يقم النظام بالانقلاب فحسب، بل تردد، مما خلق حلقة في البيانات أثبتت أنه يتذكر اتجاهه السابق. استمرت هذه الذاكرة حتى في النطاقات التي تقول النظرية الكلاسيكية إنها محظورة فيها.

ولتفسير كيفية حدوث ذلك، طور الفريق إطارًا نظريًا جديدًا يجمع بين طريقتين مختلفتين للنظر إلى المشكلة. أدركوا أن النظام يعمل كهجين بين آلة كمومية وأخرى كلاسيكية. فمن الجانب الكمومي، يخضع النظام لقفزات سريعة ومنفصلة بين حالات الطاقة، تشبه نفق جسيم عبر جدار. ومن الجانب الكلاسيكي، بمجرد حدوث هذه القفزات، يتصرف النظام كمجموعة من الحدود المتحركة، أو "جدران النطاقات" (domain walls)، التي تفصل بين مناطق ذات محاذاة مغناطيسية مختلفة. وجد الباحثون أن تأثير الذاكرة ينشأ من التفاعل بين هاتين العمليتين؛ فالقفزات الكمومية تخلق حالات مثارة ليست هي التكوين الأدنى للطاقة، وحركة جدران النطاقات تحدد مدى سرعة قدرة النظام على الاسترخاء والعودة إلى حالة مستقرة. وبما أن النظام يعلق في هذه الحالات المثارة لفترة من الوقت، فإنه لا يستطيع الانقلاب فورًا، مما يخلق التأخر الملحوظ.

أكدت الدراسة أن هذا السلوك ليس مجرد خلل في الأجهزة، بل هو ظاهرة فيزيائية حقيقية. لاحظ الباحثون سمات محددة لا يمكن إلا لنظام كمومي إنتاجها، مثل الاستجابة السلبية المؤقتة للمجال المغناطيسي، والانعكاسات غير الرتيبة، حيث تنقلب المغناطيسية ذهابًا وإيابًا في نمط معقد قبل الاستقرار. تم إعادة إنتاج هذه الميزات في محاكاتهم الحاسوبية، التي استخدمت طريقة تتناوب بين حساب الانتقالات الكمومية الدقيقة ونمذجة حركة الحدود المغناطيسية. طابقت المحاكاة البيانات التجريبية من معالجات "دي-ويف" بشكل شبه مثالي، حيث رصدت شكل حلقات التخلف المغناطيسي والطريقة التي يتغير بها تأثير الذاكرة مع تغيير سرعة مسح المجال.

ومن أهم النتائج أن هذه الذاكرة الكمومية تختلف عن الذاكرة الحرارية الموجودة في المواد العادية. ففي المغناطيس القياسي، تساعد الحرارة المادة على الانقلاب، أما في هذه التجارب الكمومية، فتستمر الذاكرة حتى عندما يكون النظام باردًا لدرجة أن التقلبات الحرارية تصبح مهملة. بدلاً من ذلك، تُحرك الذاكرة المنافسة بين السرعة التي يتغير بها المجال المغناطيسي وفجوات الطاقة الطبيعية بين الحالات الكمومية. فإذا تغير المجال بسرعة كبيرة، لا يستطيع النظام مواكبته ويعلق في حالة عالية الطاقة، وإذا تغير ببطء، يجد النظام وقتًا للاسترخاء. وجد الباحثون أنه من خلال ضبط قوة القوى الكمومية وسرعة المسح، يمكنهم التحكم في حجم تأثير الذاكرة، وتصغير أو توسيع حلقة التخلف المغناطيسي حسب الرغبة.

استكشف الفريق أيضًا كيف يؤثر حجم النظام على هذا السلوك. اختبروا حلقات تتراوح من أربعة كيوبتات فقط إلى ما يقرب من خمسة آلاف. في الأنظمة الأصغر، كانت التأثيرات الكمومية أكثر وضوحًا، لكن تأثير الذاكرة ظل قويًا حتى في أكبر الحلقات. يشير هذا إلى أن الظاهرة ليست شذوذًا على نطاق صغير، بل هي خاصية أساسية لكيفية تطور الأنظمة الكمومية عندما تُدفع خارج حالة التوازن. وأشار الباحثون إلى أنه في الشبكات ثنائية الأبعاد، كان السلوك مختلفًا، مع وجود ترتيب مغناطيسي أقوى ومجالات أكبر مطلوبة لقلب السبينات، وهو ما يتفق مع ما هو معروف عن المغانط الكلاسيكية. ومع ذلك، ظلت الحلقات أحادية الأبعاد هي الأكثر إثارة للدهشة، لأنها أظهرت مستوى من المقاومة يقول عنه الفيزياء الكلاسيكية إنه لا وجود له.

يؤكد هذا العمل أن معالجات التقسية الكمومية (quantum annealers) هي أدوات قوية لدراسة الديناميكيات غير المتوازنة، وهو مجال يتعامل مع كيفية سلوك الأنظمة عندما تتعرض للضغط والسحب بدلاً من البقاء في حالة هدوء. ومن خلال إثبات أن هذه الآلات يمكن أن تظهر ذاكرة قابلة للبرمجة، فتح الباحثون مسارًا جديدًا لاستكشاف كيفية معالجة الأنظمة الكمومية للمعلومات واحتفاظها بالتاريخ. إن القدرة على ملاحظة هذه التأثيرات والتحكم فيها في جهاز قابل للبرمجة تعني أن العلماء يمكنهم الآن اختبار نظريات حول الذاكرة الكمومية وتحولات الطور بطريقة كانت مستحيلة سابقًا. لا تدعي الدراسة أنها حلت جميع أسرار المغناطيسية الكمومية، لكنها تقدم صورة واضحة ومثبتة تجريبيًا لكيفية نشوء الذاكرة من الرقصة الفوضوية للانتقالات الكمومية وحركة جدران النطاقات.

تمتد آثار هذه النتائج إلى ما هو أبعد من الأجهزة المستخدمة في التجربة. فالنموذج الهجين الذي طوره الباحثون، والذي يمزج الحسابات الكمومية مع الأوصاف الكلاسيكية للحدود المتحركة، يقدم طريقة جديدة لمحاكاة المواد المغناطيسية المعقدة. يمكن لهذا النهج أن يساعد العلماء في تصميم أجهزة تخزين مغناطيسية أفضل أو فهم سلوك المواد الغريبة التي لا تندرج تحت الفئات القياسية. والأهم من ذلك، أنه يسلط الضوء على أن الحواسيب الكمومية ليست مجرد حواسيب أسرع، بل هي مختبرات فريدة حيث يمكن اختبار وتلاعب القوانين الأساسية للفيزياء. إن ملاحظة التخلف المغناطيسي في نظام كمومي أحادي البعد تذكّر بأن الطبيعة غالبًا ما تحمل مفاجآت تتحدى أبسط افتراضاتنا، وأن الحدود بين العالمين الكمومي والكلاسيكي أكثر نفاذية بكثير مما كان يُعتقد سابقًا.

خلص الباحثون إلى أن الذاكرة الملحوظة في هذه التجارب هي تأثير كمومي حقيقي، ناتج عن الطريقة المحددة التي ينتقل بها النظام بين الحالات ويسترخي. وقد استبعدوا احتمالية أن تكون النتائج ناتجة ببساطة عن الحرارة أو الضوضاء الكلاسيكية، حيث استمر السلوك في الظروف التي ينبغي أن تكون فيها تلك العوامل مهملة. وبدلاً من ذلك، فإن الذاكرة هي نتيجة مباشرة لعدم قدرة النظام على التكيف الفوري مع المجال المغناطيسي المتغير، وهو تأخر ناتج عن الوقت المحدود الذي تتطلبه الانتقالات الكمومية وإعادة ترتيب النطاقات المغناطيسية. يوفر هذا العمل مثالاً ملموسًا على كيفية نشوء سلوكيات جماعية في ميكانيكا الكم تحاكي، وفي بعض الحالات تتجاوز، قدرات المواد الكلاسيكية. ويشير ذلك إلى أنه من خلال فهم وتسخير تأثيرات الذاكرة الكمومية هذه، قد نتمكن من تطوير أنواع جديدة من تقنيات الحوسبة والاستشعار التي تعمل وفق مبادئ بدأنا للتو في فهمها.