Order from chaos with adaptive circuits on quantum hardware
تُظهر هذه الورقة تحقيقاً تجريبياً لدوائر كمومية مراقبة تكيُّفية على معالج IBM مكون من 100 كيوبت، حيث تُستخدم القياسات المحلية والتغذية الراجعة للتحكم في الديناميكيات الفوضوية الكمومية ومراقبة انتقال طوري ديناميكي، مما يمثل خطوة هامة نحو الحوسبة الكمومية المتحملة للأخطاء.
البحث الأصلي مُهدى إلى الملك العام بموجب CC0 1.0 (http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تزخر الطبيعة بأنظمة تبدو وكأنها تخرج عن السيطرة؛ فأنماط الطقس تلتف لتصبح عواصف، والازدحامات المرورية تتشكل من أدنى تأخير، وتجمعات المفترسات والفرائس ترتفع وتنخفض في دورات لا يمكن التنبؤ بها. ومع ذلك، ضمن هذه العشوائية الظاهرة، غالباً ما ينبثق النظام؛ حيث تنظم التيارات النفاثة نفسها من الاضطرابات، وتتزامن الأنشطة العصبية لتشكل الإيقاعات الثابتة للدماغ. وقد عرف العلماء منذ زمن طويل أنه من خلال مراقبة هذه الأنظمة الفوضوية بدقة وإجراء تعديلات طفيفة وفي الوقت المناسب، يمكن توجيهها للعودة إلى حالة مستقرة. وقد ساعد مبدأ "التحكم في الفوضى" هذا في تثبيت الليزر وحتى توجيه المركبات الفضائية عبر المناطق الجاذبية غير المستقرة. والآن، يتساءل الباحثون عما إذا كانت هذه الفكرة نفسها يمكن أن تنجح في عالم ميكانيكا الكم الغريب والهش، حيث توجد الجسيمات في حالات متعددة في آن واحد وتتأثر بسهولة بمحيطها.
إن التحدي في المجال الكمي هائل؛ فالأنظمة الكمية حساسة للغاية، إذ يمكن لأدنى ضجيج أو خطأ أن يدمر المعلومات الدقيقة التي تحملها. وغالباً ما تفشل الطرق التقليدية للتحكم في الأنظمة الكمية لأن فعل القياس بحد ذاته يغير سلوكها. ومع ذلك، برز نهج جديد يستخدم مزيجاً من العمليات الكمية العشوائية والمراقبة المستمرة. فمن خلال قياس أجزاء من نظام كمي ثم استخدام تلك المعلومات لإعادة ضبط أو تصحيح أجزاء أخرى في الوقت الفعلي، يمكن للعلماء إنشاء حلقة تغذية راجعة. هذه العملية، المعروفة باسم "الدائرة التكيفية"، تسمح للباحثين بتوجيه النظام الكمي بعيداً عن الفوضى ونحو حالة محددة ومستقرة، مما يروض "العاصفة الكمية" فعلياً.
في دراسة حديثة، وضع فريق من الباحثين بقيادة علماء من شركة IBM وجامعة روتجرز هذا المفهوم قيد الاختبار على نطاق واسع. فقد بنوا دائرة كمية على معالج فائق التوصيل تحاكي نموذجاً رياضياً شهيراً يُعرف باسم "خريطة برنولي". في شكلها الكلاسيكي، تأخذ هذه الخريطة رقماً، وتضاعفه، وتحتفظ فقط بالجزء الكسري منه، وهي عملية تعمل بسرعة على بعثرة أي قيمة ابتدائية وتحويلها إلى فوضى. وقد ابتكر الباحثون نسخة كمية من هذه الخريطة، حيث يتم "البعثرة" بواسطة بوابات كمية عشوائية تخلط معلومات الكيوبتات (qubits) معاً. ولمواجهة هذه الفوضى، أدخلوا آلية تحكم: ففي فترات زمنية عشوائية، يقومون بقياس كيوبت محدد، وبناءً على النتيجة، يعيدون ضبطه إلى حالة ابتدائية معروفة. وقد خلق هذا تنافساً بين قوى البعثرة التي تحاول نشر المعلومات في كل مكان، وقوى التحكم التي تحاول تثبيت النظام عند حالة واحدة منظمة.
أُجريت التجربة على معالج كمي من IBM باستخدام ما يصل إلى مائة كيوبت، وهي خطوة كبيرة للأمام مقارنة بالمحاولات السابقة التي اقتصرت على بضع عشرات فقط. وقد قام الباحثون بتشغيل الدائرة لآلاف الخطوات، تاركين النظام يتطور حتى وصل إلى حالة مستقرة. ثم راقبوا كيف يتصرف النظام مع تعديل وتيرة قياسات الضبط. عندما كان التحكم ضعيفاً، ظل النظام فوضوياً، حيث انتشرت المعلومات عبر جميع الكيوبتات في شبكة معقدة ومتشابكة. ومع زيادة وتيرة القياسات وإعادة الضبط، تحول النظام فجأة؛ حيث انتقل من هذه الحالة الكمية الفوضوية إلى حالة مسيطر عليها ومنظمة، حيث استقرت الكيوبتات في نمط يمكن التنبؤ به. هذا التحول، المعروف باسم "انتقال الطور"، حدث عند نقطة حرجة دقيقة حيث تغلبت قوى التحكم أخيراً على الفوضى.
وما جعل هذا الاكتشاف مهماً بشكل خاص هو القدرة على ملاحظة الانتقال ليس فقط في السلوك المتوسط للنظام، بل في تقلبات المسارات الكمية الفردية. في النظام الكلاسيكي، إذا أجريت نفس التجربة مرتين، ستحصل على نفس النتيجة. أما في النظام الكمي، فحتى مع نفس الإعداد تماماً، فإن الطبيعة العشوائية للقياس تعني أن كل جولة تنتج نتيجة مختلفة قليلاً. وقد قاس الباحثون هذه الاختلافات، المعروفة بالتقلبات الكمية، ووجدوا أنها تسلك سلوكاً محدداً للغاية عند نقطة التحول. لقد نمت هذه التقلبات وانكمشت وفقاً لقوانين كونية طابقت التوقعات النظرية بدقة عالية. وقد أكد هذا أن النظام يتصرف حقاً كجسم كمي، متبعاً القواعد المعقدة لميكانيكا الكم، بدلاً من مجرد التصرف كحاسوب كلاسيكي صاخب.
ولضمان صحة نتائجهم، قارن الفريق بياناتهم التجريبية بنوعين مختلفين من عمليات المحاكاة الحاسوبية. أحدهما نموذج النظام كحاسوب كمي مثالي، بينما الآخر نموذج النظام كحاسوب كلاسيكي جُرّد من كل التماسك الكمي، مما حوله أساساً إلى عملية عشوائية صاخبة. وقد طابقت البيانات التجريبية محاكاة الكم المثالية بشكل وثيق أكثر من المحاكاة الكلاسيكية. وقد قدم هذا دليلاً قوياً على أن المعالج الكمي كان يؤدي بنجاح التحكم التكيفي المعقد، محافظاً على طبيعته الكمية حتى مع القياس وإعادة الضبط المستمرين. كما كشفت الدراسة أن الانتقال من الفوضى إلى النظام لم يكن مجرد تغيير في حالة النظام، بل كان تحولاً جوهرياً من السلوك الكمي إلى السلوك الكلاسيكي الفعال، حيث أصبح النظام منظماً لدرجة أنه لم يعد يظهر التشابك المعقد المميز لميكانيكا الكم.
يمثل هذا العمل علامة فارقة في تطوير التكنولوجيا الكمية. فمن خلال النجاح في تنسيق آلاف العمليات الكمية، بما في ذلك القياسات وإعادة الضبط، أظهر الباحثون مستوى من التحكم ضروري لبناء الحواسيب الكمية المستقبلية القادرة على تحمل الأخطاء. ستحتاج هذه الآلات إلى مراقبة وتصحيح أخطائها باستمرار لتعمل، وتظهر هذه التجربة أن مثل هذا التحكم التكيفي ممكن حتى في وجود الضجيج. إن القدرة على ملاحظة وفهم هذه الانتقالات في أجهزة كمية حقيقية تقرب العلماء خطوة إضافية من تسخير القوة الكاملة لميكانيكا الكم لحل المشكلات التي يصعب على الحواسيب الكلاسيكية معالجتها حالياً. وتثبت الدراسة أنه مع الأدوات المناسبة، يمكن حتى للأنظمة الكمية الأكثر فوضوية أن تُوجه نحو حالة من النظام، مما يفتح الباب أمام عصر جديد من التحكم الكمي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.