Measurement-enabled online quantum processing with amplitude encoding

في السعي لبناء آلات تفكر، نظر العلماء طويلاً إلى قدرة الدماغ على معالجة تدفق المعلومات عبر الزمن. وبينما تتفوق الحواسيب التقليدية في معالجة البيانات الساكنة، فإنها غالباً ما تعاني مع الطبيعة الانسيابية والمستمرة للأحداث في العالم الحقيقي، مثل تغير طبقة الصوت أو الأنماط المتغيرة للطقس. ولحل هذه المعضلة، توجه الباحثون إلى مفهوم يسمى "الحوسبة الخزانية" (reservoir computing). تخيل شبكة معقدة ومتشابكة من الاتصالات التي تتفاعل طبيعياً مع المدخلات الجديدة. فبدلاً من برمجة كل سلك للقيام بمهمة محددة، يمكنك ببساطة تغذية هذه الشبكة بالبيانات ومراقبة كيفية انتشار التموجات. يحمل نمط هذه التموجات الإجابة على المشكلة، ويمكن لحاسوب بسيط أن يتعلم قراءة ذلك النمط. هذا النهج قوي لأنه يستخدم الديناميكيات الفوضوية الطبيعية لنظام ما للقيام بالعمل الشاق المتمثل في الذاكرة والحساب.

مؤخراً، بدأ العلماء في استكشاف ما إذا كانت الأنظمة الكمومية -ذلك العالم دون الذري الغريب الذي يتبع قواعد تختلف عن واقعنا اليومي- يمكن أن تعمل كأدوات لهذه الشبكات. فالأنظمة الكمومية حساسة للغاية ويمكن أن توجد في حالات متعددة في آن واحد، مما يوفر "قوة خارقة" محتملة لمعالجة المعلومات القائمة على الزمن. ومع ذلك، كان هناك عقبة رئيسية؛ فلجعل النظام الكمومي يعمل كخزان، يحتاج الباحثون إلى تغذيته بتدفق مستمر من البيانات الجديدة مع الحفاظ على استمرارية عمل النظام دون توقف. وفي العالم الكمومي، عملية "النظر" إلى النظام عادة ما تغيره، والطريقة القياسية لإدخال بيانات جديدة تتضمن حيلة رياضية تسمى "إخراج" (tracing out) المعلومات القديمة. وقد ظل القيام بذلك على أجهزة مادية حقيقية دون تجميد العملية أو فقدان البيانات هدفاً بعيد المنال، مما ترك العديد من الأفكر النظرية حبيسة الورق.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في جسر هذه الفجوة من خلال إثبات طريقة لتشغيل هذه العملية الكمومية "على الخط" (online)، أي في الوقت الفعلي، على أجهزة كمومية فعلية. يقدم عملهم بروتوكولاً جديداً يسمح للحاسوب الكمومي باستيعاب تدفق من البيانات، وتذكر الماضي، وحساب المستقبل دون توقف أبداً. ويكمن جوهر إنجازهم في طريقة ذكية للتعامل مع البتات الكمومية، أو "الكيوبتات" (qubits)، التي تشكل النظام. فقد أدركوا أنه من خلال قياس مجموعة محددة من الكيوبتات ثم إعادة ضبطها فوراً إلى حالة البداية، يمكنهم فعلياً مسح السجل استعداداً للمعلومة التالية. تعمل عملية إعادة الضبط هذه كآلية للتخلص من البيانات القديمة وضخ بيانات جديدة، مما يحاكي المتطلبات الرياضية للنظرية ولكن من خلال إجراءات مادية يمكن للآلة القيام بها فعلياً.

ولجعل هذا العمل ناجحاً دون كسر تدفق الوقت، توجب على الفريق حل مشكلة ثانية: كيفية قراءة النتائج دون إزعاج الذاكرة. ففي تجربة كمومية نموذجية، يؤدي قياس النظام إلى انهيار حالته الدقيقة، مما يدمر المعلومات التي يحاول الحاسوب معالجتها. وقد حل الباحثون ذلك باستخدام تقنية تسمى "القياس غير المباشر". فبدلاً من النظر مباشرة إلى كيوبتات الذاكرة، قاموا بربط كيوبتات "مساعدة" إضافية بها، وتركوا كيوبتات الذاكرة تتفاعل مع هذه المساعدات ثم قاموا بقياس المساعدات. سمح لهم ذلك بإلقاء نظرة على حالة الذاكرة دون لمسها مباشرة، مما حافظ على الديناميكيات الداخلية للخزان مع الاستمرار في جمع البيانات اللازمة لحل المهمة.

اختبر الفريق هذا التصميم الجديد على معالج كمومي حقيقي يحتوي على 156 كيوبت، باستخدام تخطيط محدد من تسعة كيوبتات لتمثيل النظام. قاموا ببرمجة الآلة لأداء تحديين قياسيين يختبران الذاكرة والتنبؤ. تضمن المهمة الأولى التنبؤ بسلسلة زمنية فوضوية، وهي تسلسل من الأرقام يبدو عشوائياً ولكنه يتبع قواعد خفية. أما المهمة الثانية، فكانت اختبار ذاكرة قصيرة المدى، حيث كان على الحاسوب استدعاء معلومة من الماضي بعد فترة تأخير. وفي كلتا الحالتين، نجح النظام الكمومي في معالجة تدفق البيانات. ووجد الباحثون أن الآلة يمكنها التنبؤ بالتسلسل الفوضوي بدقة عالية والاحتفاظ بالمعلومات للمدة المطلوبة، مما أثبت أن البروتوكول "على الخط" يعمل على أجهزة مادية.

أظهرت النتائج أن أداء النظام كان قريباً بشكل ملحوظ مما توقعته المحاكاة الحاسوبية المثالية، مع وجود اختلافات طفيفة ناتجة عن الضجيج والأخطاء الحتمية الموجودة في الأجهزة الكمومية الحالية. لاحظ الفريق أن النظام يتصرف بشكل مختلف اعتماداً على نوع المهمة؛ فبالنسبة لمهمة التنبؤ، كان النظام قوياً ومستقراً، أما بالنسبة لمهمة الذاكرة، فقد كان النظام أكثر حساسية للضجيج، ومع ذلك تمكن من الاحتفاظ بالمعلومات بفعالية. ساعد هذا التمييز الباحثين على فهم كيفية مساهمة الأجزاء المختلفة من النظام في النتيجة النهائية، مما أظهر أنه حتى مع وجود العيوب، يمكن للخزان الكمومي عزل تطوره الداخلي والعمل كمعالج مخصص للبيانات القائمة على الزمن.

إن هذا العمل مهم لأنه ينقل الحوسبة الخزانية الكمومية من مفهوم نظري إلى واقع عملي. فمن خلال إظهار أن "ترميز السعة" (amplitude encoding) -وهي الطريقة المستخدمة لتغذية النظام بالبيانات- يمكن تحقيقه من خلال القياسات وإعادة الضبط في منتصف الدورة، قدم الباحثون مخططاً لبناء معالجات كمومية قابلة للتوسع. يتجنب أسلوبهم الحاجة إلى تخزين أو حفظ تسلسل المدخلات بالكامل قبل المعالجة، وهو مطلب في الأساليب الأخرى يجعلها بطيئة وغير فعالة. بدلاً من ذلك، يعالج نظامهم البيانات فور وصولها، مما يجعل الوقت المطلوب لحل مشكلة ما يتناسب طردياً مع طول تدفق البيانات. وهذه الكفاءة أمر بالغ الأهمية للتطبيقات في العالم الحقيقي حيث تتدفق البيانات باستمرار.

كما أظهرت التجربة أنه من الممكن مراقبة التطور الداخلي المعقد لنظام كمومي دون مقاطعة عمله. فباستخدام تقنية القياس غير المباشر، استطاع الباحثون مراقبة سلوك كيوبتات الذاكرة مع الحفاظ على استمرارية عمل النظام. وهذا يفتح الباب لدراسة كيفية تطور الأنظمة الكمومية عبر الزمن بطريقة محكومة، وهو أمر ضروري لفهم إمكاناتها كموارد حوسبية. وتسمح القدرة على ضبط قوة هذه القياسات للعلماء باستكشاف أنظمة مختلفة من الديناميكيات الكمومية، من الملاحظات الحادة والدقيقة إلى الملاحظات اللطيفة والضعيفة، ورؤية كيف يؤثر كل منها على قدرة الحاسوب على التعلم والتذكر.

وعلى الرغم من أن التجربة الحالية كانت محدودة بالأجهزة المتاحة، إلا أن المبادئ التي أظهرتها ليست كذلك. فقد أشار الباحثون إلى إمكانية تكييف تصميمهم مع أنواع أخرى من الحواسيب الكمومية، مثل تلك القائمة على الأيونات المحاصرة أو الذرات المتعادلة، والتي قد توفر أداءً أفضل في المستقبل. والجوهر هو أن الجمع بين القياس، وإعادة الضبط، والتفاعل المتحكم به يمكن هندسته في ديناميكيات معالج كمومي لإنشاء آلة مهيأة طبيعياً لمعالجة المعلومات الزمنية. لا يتطلب هذا النهج أن يكون النظام مثالياً؛ فهو يعمل مع الضجيج والتقلبات الطبيعية في العالم الكمومي، محولاً إياها إلى ميزة بدلاً من كونها خللاً.

يوحي نجاح هذا البروتوكول بمسار جديد للمضي قدماً في الحوسبة الكمومية. فبدلاً من محاولة إجبار الأنظمة الكمومية على التصرف مثل الحواسيب الكلاسيكية، يستغل هذا الأسلوب خصائصها الفريدة لحل المشكلات التي يصعب على الآلات التقليدية حلها. إن القدرة على معالجة تدفق من البيانات "على الخط"، مع قدرات الذاكرة والتنبؤ المدمجة في الأجهزة نفسها، قد تؤدي إلى طرق أكثر كفاءة لتحليل الإشارات المعقدة، من الأسواق المالية إلى الإيقاعات البيولوجية. ومع استمرار تحسن الأجهزة الكمومية، يمكن لهذه التقنية أن تصبح أداة قياسية لتسخير قوة ميكانيكا الكم للمهام التي تتطلب فهماً عميقاً للزمن والتغيير.

وخلص الباحثون إلى أن عملهم يوفر مساراً عملياً نحو تنفيذات قابلة للتوسع لهذه التكنولوجيا. فمن خلال إثبات أن الإطار النظري يمكن تحقيقه على أجهزة حقيقية، فقد أزالوا حاجزاً رئيسياً أمام الدخول إلى هذا المجال. أظهرت التجربة أنه يمكن مراقبة ديناميكيات الخزان من خلال القياسات المباشرة وغير المباشرة، مما يسمح برؤية كاملة للنظام مع الحفاظ على عزل العمليات الداخلية. وتعتبر هذه القدرة المزدوجة أداة قوية للتجارب المستقبلية، حيث تمكن العلماء من دراسة الخزانات الكمومية المعقدة بشكل منهجي وتحسينها لمهام محددة. لقد فُتح الباب الآن أمام جيل جديد من التجارب التي ستستكشف حدود ما يمكن لهذه الأنظمة الكمومية المراقبة تحقيقه.