Continuous-time noise mitigation in analogue quantum simulation

في السعي لفهم الكون، يلجأ العلماء غالباً إلى القواعد الغريبة والقوية لميكانيكا الكم، وهي الفيزياء التي تحكم سلوك الذرات والجسيمات دون الذرية. وبينما تُعد هذه القواعد ضرورية لتفسير كيفية تماسك المادة أو كيفية حدوث التفاعلات الكيميائية، إلا أنها صعبة المحاكاة بشكل ملحوظ على أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها يومياً. ومع نمو الأنظمة وزيادة تعقيدها، تصبح الحسابات المطلوبة للتنبؤ بسلوكها مستحيلة حتى بالنسبة لأقوى الحواسيب الفائقة. ولتجسير هذه الفجوة، طور الباحثون محاكيات كمومية تناظرية (analogue quantum simulators). وهي آلات متخصصة مبنية من جسيمات كمومية حقيقية، مثل الأيونات المحاصرة أو الدوائر فائقة التوصيل، صُممت لمحاكاة سلوك أنظمة كمومية أخرى. وبدلاً من حساب الإجابة خطوة بخطوة مثل الكمبيوتر التقليدي، تترك هذه المحاكيات الجسيمات تتطور بشكل طبيعي، مما يوفر نافذة مباشرة على ديناميكيات المواد المعقدة والعمليات الكيميائية. ومع ذلك، فإن هذه الأنظمة الكمومية الدقيقة هشة للغاية؛ إذ إن أدنى تفاعل مع بيئتها — سواء كان حرارة، أو مجالات كهرومغناطيسية شاردة، أو حتى الفراغ نفسه — يُدخل ضجيجاً يفسد المحاكاة، مما يؤدي إلى انحراف النتائج عن الواقع. ولسنوات، كان الاعتقاد السائد هو أنه لإصلاح هذه الأخطاء، سيتعين عليك كسر التدفق المستمر للزمن إلى خطوات صغيرة منفصلة، وتطبيق التصحيحات عند كل فاصل زمني، تماماً كما يفعل الكمبيوتر الرقمي.

لقد اقترح فريق من الباحثين الآن مساراً مختلفاً، مساراً يحترم الطبيعة المستمرة لعالم الكم. ففي عملهم، قدموا طريقة جديدة لإلغاء الضجيج في المحاكاة الكمومية التناظرية دون إيقاف الساعة أبداً أو تقسيم العملية إلى خطوات رقمية. ويتمثل جوهر اكتشافهم في بروتوكول يعمل بالكامل في الوقت الفقيقي، باستخدام عدد صغير من الجسيمات الإضافية، المعروفة باسم "الكيوبتات المساعدة" (ancillary qubits)، لتحييد آثار التداخل البيئي. ومن خلال ربط هذه الجسيمات الإضافية بعناية بالنظام الرئيسي والسماح لها بالتطور معاً تحت ظروف محددة، وجد الباحثون طريقة تجعل الضجيج يلغي نفسه بنفسه. والنتيجة هي محاكاة تستعيد السلوك المثالي الخالي من الضجيج للنظام، حتى أثناء تشغيل التجربة في بيئة صاخبة. هذا النهج متميز لأنه لا يعتمد على التسلسلات المعقدة والمليئة بالأخطاء للبوابات الرقمية التي تستخدمها الطرق الأخرى، ولا يتطلب مقاطعة المحاكاة لقياس النظام وإعادة ضبطه. بدلاً من ذلك، يستخدم تفاعلاً مستمراً ومتدفقاً يحافظ على الإيقاع الطبيعي للديناميكيات الكمومية.

أوضح الباحثون أن هذه الطريقة تعمل من خلال إدخال نوع معين من التفاعل بين النظام والجسيمات الإضافية. تخيل النظام والجسيمات الإضافية كمجموعتين من الراقصين يتحركون على نفس الموسيقى. في بيئة صاخبة، تصبح الموسيقى مشوهة، مما يجعل الراقصين يتعثرون. يضيف بروتوكول الباحثين تأثيراً مضاداً ثانياً يوجه الراقصين الإضافيين بطريقة تجعل حركتهم المشتركة مع المجموعة الرئيسية تمحو التعثر فعلياً. ومن الناحية الرياضية، يتضمن ذلك إنشاء حالة مشتركة حيث يتم موازنة الأخطاء التي يسببها الوسط من خلال "تبديد" (dissipation) مصمم بعناية، أو فقدان للطاقة، بين النظام والجسيمات الإضافية. وتكمن الرؤية الأساسية في أنه بينما يؤثر الضجيج على النظام، فإنه يؤثر أيضاً على الجسيمات الإضافية بطريقة يمكن التنبؤ بها. ومن خلال قياس الحالة المشتركة لكل من النظام والجسيمات الإضافية في نهاية التجربة، ثم تطبيق تعديل رياضي بسيط على البيانات، يمكن للباحثين استخراج النتيجة الدقيقة التي كانوا سيشاهدونها لو لم يكن الضجيج موجوداً. هذه العملية تناظرية بالكامل، مما يعني أنها تحدث باستمرار بمرور الوقت، وهي قوية بما يكفي للتعامل مع العيوب في الجسيمات الإضافية نفسها.

لإثبات فعالية فكرتهم، أجرى الفريق عمليات محاكاة لثلاث سيناريوهات متميزة وصعبة. أولاً، قاموا بنمذجة نظام مغناطيسي ثنائي الأبعاد يُعرف باسم "نموذج هايزنبرغ"، والذي يُستخدم لدراسة كيفية اكتساب المواد للمغناطيسية. في هذه المحاكاة، تعرض النظام لضجيج "إلغاء الترابط" (dephasing noise)، الذي يشتت المعلومات الكمومية، وضجيج "الاسترخاء" (relaxation noise)، الذي يسبب فقدان الطاقة. وأظهر الباحثون أن طريقتهم يمكنها استعادة الخصائص المغناطيسية الحقيقية للنظام، في حين أن المحاكاة الصاخبة غير المصححة أنتجت نتائج انحرفت بشكل كبير عن الحقيقة. ثانياً، طبقوا البروتوكول على "التحول الكمومي المفاجئ" (quantum quench)، وهو سيناريو حيث يتعرض النظام لهزة مفاجئة من حالة إلى أخرى، مما يكشف غالباً عن انتقالات حرجة في سلوكه. في هذه الحالة، عادة ما يمحو الضجيج القمم الحادة التي تشير إلى هذه الانتقالات، مما يجعلها غير مرئية. وقد نجحت الطريقة الجديدة في استعادة هذه القمم، مما سمح برؤية الفيزياء الكامنة بوضوح. وأخيراً، اختبروا البروتوكول على "سلسلة سبين دورية" (periodically driven spin chain)، وهو نظام يتم دفعه باستمرار بواسطة قوة خارجية. هنا، يميل الضجيج إلى طمس أنماط الطاقة المتميزة للنظام. ووجد الباحثون أن تقنيتهم يمكنها إعادة شحذ هذه الأنماط إلى وضوحها الأصلي، مما يكشف عن البنية الخفية لمستويات طاقة النظام.

إن جانباً حاسماً في هذا العمل هو واقعيته. فقد أقر الباحثون بأنه في المختبر الحقيقي، ستكون الجسيمات الإضافية المستخدمة للتصحيح عرضة للضجيج أيضاً. وقد أثبتوا أن بروتوكولهم مرن تجاه هذا الواقع؛ فحتى لو كانت الجسيمات الإضافية غير مثالية، فإن الطريقة لا تزال تعمل، بشرط أن يأخذ تحليل البيانات النهائي نوع الضجيج الذي يؤثر عليها في الاعتبار. ويتحقق ذلك ببساطة من خلال تعديل الحساب النهائي للتعويض عن التحلل الإضافي، وهي خطوة لا تتطلب تغيير الإعداد الفيزيائي للتجربة. علاوة على ذلك، لا تعتمد الططريقة على التفاصيل المحددة للنظام الذي تتم محاكاته. وسواء كان النظام عبارة عن سلسلة بسيطة من "السبينات" أو شبكة مغناطيسية معقدة، فإن البروتوكول يظل كما هو، مما يجعله أداة عالمية للمحاكاة الكمومية التناظرية. كما أشار الباحثون إلى أنه بينما تتطلب الطريقة المزيد من عمليات التشغيل التجريبية لجمع بيانات كافية للتغلب على التقلبات الإحصائية، فإن هذه التكلفة هي مقايضة يمكن إدارتها مقابل المكسب في الدقة.

إن الآثار المترتبة على هذا العمل كبيرة لمستقبل العلوم الكمومية. لسنوات، انقسم المجال بين النهج الرقمي، الذي يوفر الدقة ولكنه يعاني من صعوبة في التوسع، والنهج التناظري، وهو نهج طبيعي وقابل للتوسع ولكنه عرضة للضجيج. هذا البروتوكول الجديد يجسر تلك الفجوة، ويقدم وسيلة لتحقيق نتائج عالية الدقة في الأنظمة التناظرية دون التضحية بطبيعتها المستمرة في الزمن. إنه يشير إلى أن المحاكاة الكمومية عالية الدقة ممكنة حتى في المدى القريب، قبل وصول أجهزة الكمبيوتر الكمومية ذات القدرة الكاملة على تصحيح الأخطاء. ومن خلال توفير طريقة لتنقية الإشارة من الضجيج في الوقت الفعلي، فتح الباحثون مساراً جديداً لاستكشاف الديناميكيات الكمومية المعقدة. قد يؤدي هذا إلى رؤى أعمق في علوم المواد، والكيمياء، والسلوك الأساسي للمادة، وكل ذلك من خلال محاكيات أكثر قوة وموثوقية من أي وقت مضى. ويقف هذا العمل كشهادة على قوة تصميم التجارب التي تعمل مع التدفق الطبيعي لميكانيكا الكم، بدلاً من محاربتها بالقيود الرقمية الجامدة.