Qutrits for physics at the LHC

يعد مصادم الهادرات الكبير (LHC) آلة ذات نطاق هائل، حيث يصدم الجسيمات ببعضها البعض للكشف عن اللبنات الأساسية للكون. وفي كل ثانية، يولد المصادم فيضاً من البيانات هائلاً لدرجة أنه يهدد بإغراق أجهزة الكمبيوتر المصممة لتخزينها وتحليلها. ويبحث الفيزيائيون باستمرار عن الأحداث النادرة والغريبة المختبئة داخل هذا الفيض—وهي علامات على فيزياء جديدة قد تعيد كتابة فهمنا للواقع. ولإيجاد هذه الإبر في كومة القش، يعتمدون على برمجيات متطورة لفرز العادي عن الاستثنائي. ومع استعداد المصادم لجولات أكثر قوة، سيزداد حجم البيانات بشكل أسي، مما يتطلب طرقاً جديدة لمعالجة المعلومات تكون أسرع وأكثر كفاءة من أساليب اليوم.

وفي هذه البيئة عالية المخاطر، يتجه الباحثون إلى نوع جديد من المنطق الحوسبي. وبينما تعتمد معظم أجهزة الكمبيوتر الحديثة، وحتى أجهزة الكمبيوتر الكمومية المبكرة، على وحدات ثنائية توجد في حالة واحدة من اثنتين، مثل مفتاح الضوء الذي يكون إما في وضع التشغيل أو الإيقاف، يستكشف هذا النهج الجديد أنظمة يمكن أن توجد في ثلاث حالات في آن واحد. فكر في مفتاح قياسي، ولكن يمكن أن يكون أيضاً في وضع متوسط، أو في مفتاح تعتيم يوفر ثلاثة إعدادات متميزة بدلاً من اثنين فقط. ومن خلال استخدام هذه الوحدات ثلاثية المستويات، المعروفة باسم "كيوتريت" (qutrits)، يأمل العلماء في حزم المزيد من المعلومات في عدد أقل من المكونات المادية، مما قد يحل مشكلة اختناق البيانات التي تؤرق فيزياء الجسيمات الحديثة.

قام فريق من الباحثين الآن باختبار هذه الفكرة من خلال بناء برنامج كمبيوتر متخصص لرصد الشذوذ في بيانات تصادم الجسيمات. وكان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه الوحدات ثلاثية المستويات يمكن أن تتفوق على الوحدات القياسية ثنائية المستويات المستخدمة حالياً في التعلم الآلي الكمومي. وقد ركزوا على مهمة محددة: تعليم الكمبيوتر التعرف على الأنماط "العادية" لضوضاء الخلفية الناتجة عن المصادم، بحيث تبرز أي إشارة غير عادية بوضوح. وللقيام بذلك، أنشأوا نموذجاً رقمياً يسمى "المشفّر التلقائي الكمومي" (quantum autoencoder). يعمل هذا النموذج مثل أداة ضغط؛ فهو يأخذ صورة معقدة لتصادم جسيمات، ويضغطها إلى ملخص أصغر وأبسط، ثم يحاول إعادة بناء الصورة الأصلية من ذلك الملخص. وإذا كان النموذج جيداً في تعلم الأنماط العادية، فيمكنه إعادة بنائها بشكل مثالي. ولكن إذا واجه حدثاً غريباً أو شاذّاً، فسيواجه صعوبة في إعادة بنائه، وهذا الصراع يعمل كعلامة تنبيه للفيزيائيين.

قارن الباحثون بين نسختين من هذا النموذج. استخدمت النسخة الأولى الوحدات القياسية ثنائية المستويات، بينما استخدمت النسخة الثانية الـ "كيوتريت" ثلاثية المستويات. ولجعل النسخة ثلاثية المستويات تعمل، كان عليهم ابتكار طريقة جديدة لترجمة البيانات الخام من المصادم إلى لغة هذه الأنظمة الكمومية. استخدموا إطاراً رياضياً يعتمد على هندسة الكرة، حيث قاموا برسم خريطة لطاقة واتجاه الجسيمات على نقاط فوق سطح كروي. سمح لهم هذا بتشفير تفاصيل أكثر حول تصادمات الجسيمات في كل وحدة كمبيوتر واحدة. واختبروا كلا النموذجين باستخدام بيانات من كاشف CMS في مصادم الهادرات الكبير، والذي يتضمن بيانات حقيقية من عام 2016 ونماذج محاكاة دقيقة للغاية لتصادمات الجسيمات.

أظهرت النتائج أن النموذج ثلاثي المستويات كان منافساً قوياً. فقد قدم أداءً يضاهي النموذج القياسي ثنائي المستويات في تحديد الأحداث النادرة والشاذة، مثل اضمحلال الكوارك القمي (top quark) أو بوزون هيجز، مع تجاهل ضوضاء الخلفية الشائعة. بل في الواقع، أظهر النموذج ثلاثي المستويات ميزة واضحة في قدرته على التمييز بين أنواع مختلفة من الإشارات النادرة؛ حيث استطاع التمييز بين نفاثة من الجسيمات ناتجة عن كوارك قمي وتلك الناتجة عن بوزون هيجز بوضوح أكبر من النموذج القياسي. وهذا يشير إلى أن الحالة الإضافية المتاحة في النظام ثلاثي المستويات توفر "مفردات" أغنى لوصف الأشكال والهياكل المعقدة لتصادمات الجسيمات.

ومن الأهمية بمكان أن الباحثين وجدوا أن النموذج ثلاثي المستويات حقق هذا المستوى العالي من الأداء مع استخدام وحدات مادية أقل. ولأن كل وحدة يمكنها حمل معلومات أكثر، فإن النظام بأكمله يتطلب مساحة أقل وتوصيلات أقل للقيام بنفس المهمة. وتعد هذه الكفاءة أمراً حيوياً للمستقبل، حيث إن بناء وصيانة أجهزة الكمبيوتر الكمومية الكبيرة أمر صعب ومكلف. كما كشفت الدراسة أن النموذج ثلاثي المستويات كان أكثر استقراراً، حيث أظهر تبايناً أقل في نتائجه عند تشغيله عدة مرات. وهذا الاتساق ضروري لأداة قد تُستخدم يوماً ما لاتخاذ قرارات في الوقت الفعلي بشأن البيانات التي يجب الاحتفاظ بها والتي يجب التخلص منها في بيئة مصادم عالية السرعة.

وعلى الرغم من أن الدراسة أُجريت باستخدام عمليات المحاكاة بدلاً من الأجهزة الكمومية المادية، إلا أن النتائج تقدم خارطة طريق واعدة للمستقبل. لقد أثبت الباحثون أن الفوائد النظرية لاستخدام الأنظمة ثلاثية المستويات—من سعة أكبر، واستقرار أفضل، وكفاءة أعلى—هي فوائد حقيقية وقابلة للقياس. ومع توفر الأجهزة القادرة على تشغيل هذه الأنظمة ثلاثية المستويات، يمكن أن يصبح هذا النهج أداة قياسية لتجارب الجيل القادم من فيزياء الجسيمات. فهو يقدم وسيلة للتعامل مع تدفق البيانات القادم دون فقدان الإشارات الدقيقة التي قد تحمل المفتاح لأعمق أسرار الكون.