Quantum sensors that compute: quantum computational magnetic-field sensing using a superconducting qubit

تخيل عالماً تكون فيه الأدوات التي نستخدمها لقياس الكون الفيزيائي هي أيضاً الأدوات التي نستخدمها للتفكير فيما تقيسه. لعقود من الزمن، بنى العلماء أجهزة حساسة للغاية قادرة على اكتشاف أخفت الهمسات للمجالات المغناطيسية، أو تغيرات درجات الحرارة، أو سحبات الجاذبية. تعمل هذه المستشعرات الكمومية وفق القواعد الغريبة لعالم الجسيمات دون الذرية، حيث يمكن للجسيمات أن توجد في حالات متعددة في آن واحد، مما يسمح لها باكتشاف التغيرات التي ستكون غير مرئية لأي أداة كلاسيكية. ومع ذلك، كان هناك دائماً قيد أساسي: فقياس واحد لمثل هذا المستشعر لا يكشف إلا عن شريحة ضئيلة جداً من المعلومات، وغالباً ما تكون مجرد إجابة بسيطة بـ "نعم" أو "لا". لفهم إشارة معقدة، كان على الباحثين تقليدياً تكرار القياس آلاف المرات، ومتوسط النتائج لبناء صورة دقيقة للإشارة، ثم استخدام حاسوب منفصل لتحليل تلك الصورة وتحديد معناها. هذه العملية المكونة من خطوتين — القياس أولاً، ثم الحوسبة لاحقاً — تعمل بشكل جيد، لكنها بطيئة وتُهدر الإمكانات الفريدة للنظام الكمومي.

يتحدى نهج جديد، يُعرف باسم الاستشعار الحوسبي الكمومي، طريقة التفكير القديمة هذه. فبدلاً من معاملة المستشعر كسجل سلبي والحاسوب كمحلل منفصل، يسأل هذا النهج المستشعر أن يقوم بعملية التفكير بنفسه. ومن خلال دمج عملية الاستشعار مع تسلسل من العمليات الكمومية، يمكن للجهاز معالجة المعلومات وهي لا تزال في حالتها الكمومية الهشة. والهدف ليس قياس الإشارة الخام بدقة مثالية، بل استخراج القطعة المحددة بالضبط من المعلومات المطلوبة لمهمة ما، مثل تحديد الفئة التي تنتمي إليها الإشارة. وهذا يسمح للنظام بتجاوز الخطوة الوسيطة المتمثلة في بناء صورة كاملة للإشارة، مما قد يوفر الإجابات بسرعة أكبر ودقة أعلى بكثير من الطرق التقليدية.

في تجربة حديثة، أثبت باحثون من جامعة كورنيل ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن هذا المفهوم يعمل في الممارسة العملية باستخدام بت كمومي واحد (qubit) صغير جداً. لقد بنوا مستشعراً من دائرة فائقة التوصيل تعمل كحلقة سلكية مجهرية، قادرة على اكتشاف المجالات المغناطيسية الناتجة عن التيارات الكهربائية. هذا الجهاز هو نوع من أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل (SQUID)، وهي تقنية معروفة بالفعل بحساسيتها الشديدة. وضع الفريق هدفهم لاختبار ما إذا كان بإمكان هذا الـ "كيوبت" الواحد ليس فقط استشعار مجال مغناطيسي، بل وأيضاً حساب قرار بشأنه، وكل ذلك قبل إجراء القياس النهائي. ركزوا على مهام التصنيف الثنائي، وهي المشكلات التي يكون الهدف منها فرز إشارة ما إلى مجموعتين، مثل التمييز بين مجال مغسي طفيف ومجال قوي، أو التمييز بين إشارة تتذبذب عند تردد واحد مقابل تردد آخر.

قارن الباحثون منهجهم الجديد بالنهج التقليدي، الذي يتضمن قياس المجال المغناطيسي بشكل متكرر لتقدير قوته أو تردده، ثم استخدام خوارزمية حاسوبية قياسية لتحديد الفئة التي تندرج تحتها الإشارة. في المجموعة الأولى من الاختبارات، استخدموا مجالات مغناطيسية ثابتة لا تتغير بمرور الوقت. قاموا ببرمجة الـ "كيوبت" ليخضع لتسلسل محدد من الدورات والتوقفات، المتداخلة مع استشعار المجال المغناطيسي. صُمم هذا التسلسل ليعمل مثل مرشح (فلتر)، حيث يضخم المعلومات ذات الصلة بمهمة التصنيف بينما يقلل من أهمية كل شيء آخر. وعندما قاموا بقياس الـ "كيوبت" في النهاية، أشارت النتيجة مباشرة إلى فئة المجال المغناطيسي. كانت النتائج مذهلة: بالنسبة لمهام المجال الثابت، كانت الطريقة الحوسبية الكمومية أكثر دقة بنسبة تصل إلى 15 نقطة مئوية من الطريقة التقليدية عندما مُنحت كلتاهما نفس القدر من الوقت للعمل.

انتقل الفريق بعد ذلك إلى تحديات أكثر صعوبة تتعلق بالمجالات المغناطيسية المتذبذبة، والتي تتماوج ذهاباً وإياباً مثل الموجة. هذه الإشارات أصعب في التصنيف لأن طورها (phase)، أو التوقيت الدقيق لموجتها، يمكن أن يكون عشوائياً وغير متوقع. في النهج التقليدي، غالباً ما يستخدم العلماء تقنية تسمى "إلغاء الاقتران الديناميكي" (dynamical decoupling)، والتي تتضمن تطبيق سلسلة من النبضات على المستشعر لإلغاء الضوضاء وعزل تردد أو سعة الإشارة. اختبر الباحثون بروتوكولهم الحوسبي الكمومي مقابل هذه النبضات التقليدية المحسنة. وفي مهمة تحديد السعة (amplitude)، أو ارتفاع المجال المتذبذب، حسنت طريقتهم الدقة بنسبة تصل إلى 20 نقطة مئوية. وعندما انتقلت المهمة إلى تحديد التردد (frequency)، أو سرعة تماوج المجال، ظلت الطريقة الجديدة تحتفظ بتفوق كبير، حيث حسنت الدقة بنسبة تصل إلى 15 نقطة مئوية.

ما يجعل هذه النتائج جديرة بالملاحظة بشكل خاص هو أن العملية بأكملها تمت بواسطة بت كمومي واحد فقط. عادة ما يُتوقع من الحواسيب الكمومية أن تحتاج إلى العديد من الـ "كيوبتات" لأداء حسابات معقدة، لكن هذه التجربة أظهرت أنه حتى النظام ذو الحجم الأدنى، والخاضع للقيود العملية للضوضاء والخطأ، يمكنه التفوق على التقنيات القياسية. كان المفتاح هو أن الباحثين لم يحاولوا قياس المجال المغناطيسي بشكل مثالي ثم حساب الإجابة؛ بل قاموا بتدريب تسلسل العمليات الكمومية لربط الإشارة الخام مباشرة بنتيجة القياس النهائية. ومن خلال القيام بذلك، ركزوا المعلومات ذات الصلة في البت الوحيد من البيانات الذي تكشف عنه عملية القياس، متجاوزين فعلياً الحاجة إلى إعادة بناء الإشارة بأكملها أولاً.

كما سلطت الدراسة الضوء على كيفية تأثير تعقيد المهمة على النتائج. فكلما أصبحت قواعد التصنيف أكثر تعقيداً، عبر تقسيم مساحة الإشارة إلى مناطق أصغر وأكثر عدداً، زادت ميزة النهج الحوسبي الكمومي. وفي السيناريوهات الأكثر تعقيداً، عانت الطرق التقليدية لمواكبة الأمر، بينما حافظ البروتوكول الكمومي على دقة عالية. يشير هذا إلى أنه كلما أصبحت المشكلات التي نطلب من المستشعرات حلها أكثر تطوراً، أصبحت القدرة على الحوسبة مباشرة داخل المستشعر ذات قيمة متزايدة. وأشار الباحثون إلى أن نجاحهم اعتمد على تقنية تسمى "معالجة الإشارة الكمومية"، والتي تسمح بالتشكيل الدقيق لكيفية تطور الحالة الكمومية استجابةً للإشارة. لقد قاموا بتحسين هذه التسلسلات باستخدام محاكاة حاسوبية نمذجة أجهزتهم الخاصة، مما ضمن أن يكون البروتوكول قوياً ضد الضوضاء المتأصلة في الأجهزة الواقعية.

بينما أُجريت التجارب في بيئة مختبرية محكومة، فإن الآثار المترتبة على ذلك تمتد إلى ما هو أبعد من هذا الجهاز المحدد. يقترح الباحثون أنه يمكن تكييف هذا النهج مع أنواع أخرى من المستشعرات الكمومية، مثل تلك المستخدمة في التصوير الطبي أو الملاحة. الفكرة الجوهرية هي أنه من خلال دمج الحوسبة في عملية الاستشعار، يمكننا جعل هذه الأجهزة أكثر كفاءة وقوة دون الحاجة بالضرورة إلى بناء آلات أكبر أو أكثر تعقيداً. يوضح هذا العمل أن الحدود بين الاستشعار والحوسبة ليست صلبة كما كان يُعتقد سابقاً، وأن نظاماً كمومياً واحداً يمكن أن يكون العين التي ترى الإشارة والدماغ الذي يفسرها في آن واحد. وهذا يفتح مساراً نحو جيل جديد من المستشعرات التي ليست مجرد مراقبين سلبيين للعالم المادي، بل مشاركين نشطين في فهمه.