Phase information beyond entanglement sudden death in coherence-to-entanglement conversion under post-gate noise

في العالم الكمومي، ليست أصغر وحدات المعلومات هي "البتات" (bits) كما في الحاسوب، بل هي "الكيوبتات" (qubits). يمكن لهذه الأنظمة المتناهية الصغر أن توجد في حالة دقيقة من التراكب، حيث تحمل احتمالات متعددة في آن واحد، ويمكن ربطها معاً في ظاهرة تسمى "التشابك". التشابك هو مورد قوي يسمح للجسيمات بمشاركة المعلومات بطرق تبدو مستحيلة للأجسام العادية. ومع ذلك، فإن هذا الاتصال هش للغاية؛ ففي اللحظة التي تتفاعل فيها هذه الجسيمات مع بيئتها، يمكن لضجيج العالم الخاري أن يكسر الرابط، وهي عملية يسميها العلماء "فقدان الترابط" (decoherence). وهناك نسخة محددة ومعروفة من هذا الأمر وهي "الموت المفاجئ للتشابك"، حيث يتلاشى الاتصال بين جسيمين تماماً وفورياً، حتى لو كانت الجسيمات نفسها لا تزال موجودة. لسنوات، ظل الباحثون قلقين من أنه عندما ينكسر هذا الرابط، فإن كل المعلومات المفيدة المخزنة داخل النظام تضيع للأبد.

لقد تحدى فريق من الباحثين في مركز قطر للحوسبة الكمومية هذا الافتراض. فقد استقصوا ما يحدث للمعلومات المخفية داخل نظام كمومي بعد موت التشابك. وبالتحديد، درسوا عملية يتم فيها نسخ "طور" (phase) جسيم واحد — وهو نوع معين من التوقيت أو الإيقاع الداخلي — على زوج من الجسيمات لخلق التشابك. لقد طرحوا سؤالاً بسيطاً ولكنه عميق: إذا كان ضجيج البيئة يدمر التشابك، فهل يدمر أيضاً معلومات الطور؟ كانت إجابتهم هي "لا" قاطعة. فقد وجدوا أن هناك منطقة متميزة لم تعد فيها الجسيمات متشابكة، ومع ذلك لا تزال تحمل معلومات الطور، وإن كانت بنسبة منقوصة. يشير هذا الاكتشاف إلى أن موت التشابك ليس هو موت المعلومات، ويوفر خريطة دقيقة للمكان الذي تنجو فيه هذه المعلومات المخفية.

لفهم تجربتهم، تخيل سيناريو يريد فيه باحث تخزين رسالة سرية. يبدأ بجسيم واحد يحمل الرسالة في طوره، ثم يستخدم عملية مثالية خالية من الضجيج لنسخ هذه الرسالة على زوج من الجسيمات، مما يخلق رابطاً قوياً بينهما. هذا هو الإعداد المثالي. ومع ذلك، في العالم الحقيقي، الضجيج أمر لا مفر منه. لقد صاغ الباحثون نموذجاً لما يحدث عندما يؤثر هذا الضجيج على زوج الجسيمات بعد نسخ الرسالة. لقد تتبعوا شيئين في وقت واحد: قوة التشابك بين الجسيمات والقدرة على قراءة رسالة الطور منهما.

كشفت النتائج عن انفصال مفاجئ بين هاتين الكميتين. وجد الباحثون أن التشابك يعمل كعتبة؛ فطالما كان الضجيج منخفضاً، تظل الجسيمات مرتبطة، ولكن بمجرد أن يتجاوز الضجيج خطاً معيناً، يهبط التشابك إلى الصفر فوراً. هذه هي نقطة الموت المفاجئ. ومع ذلك، فإن القدرة على قراءة رسالة الطور تسلك سلوكاً مختلفاً؛ فهي لا تهبط إلى الصفر في نفس الوقت، بل تتلاشى بسلاسة وتدريجياً. حتى بعد تلاشي التشابك تماماً، يظل الطور إيجابياً وقابلاً للقياس، وإن كان قد تمت إعادة معايرته بفعل الضجيج. الجسيمات الآن أصبحت "منفصلة"، مما يعني أنها لم تعد مرتبطة بالمعنى الكمومي، لكنها لا تزال تحمل إيقاع الرسالة الأصلية.

يخلق هذا منطقة جديدة في مشهد الحالات الكمومية. فقد رسم الباحثون منطقة محددة حيث يكون الناتج منفصلاً ولكنه لا يزال حساساً للطور. في هذه المنطقة، يكون الضجيج قد كان قوياً بما يكفي لكسر الرابط الكمومي، ولكنه لم يكن قوياً بما يكفي لمحو الطور تماماً. أظهر الفريق أن هذا ليس مجرد صدفة ناتجة عن نوع معين من الضجيج، بل هو سمة جوهرية لكيفية عمل هذه الأنظمة. لقد حددوا أن معلومات الطور تعتمد على "التماسك" (coherence) المتبقي في النظام، وهو مقياس لمدى قدرة الجسيمات على الحفاظ على إيقاعها الداخلي. وطالما لم يتم محو هذا الإيقاع تماماً، يمكن استرجاع المعلومات، حتى لو لم تعد الجسيمات متشابكة.

كما استكشفت الدراسة كيف تؤثر أنواع مختلفة من الضجيج على هذه العملية. لقد نظروا في أربعة طرق شائعة لدخول الضجيج إلى النظام، مثل "إلغاء الاستقطاب العالمي" (global depolarization)، حيث يضطرب النظام عشوائياً، و"إلغاء الاستقطاب المحلي" (local depolarization)، حيث يضطرب كل جسيم بشكل مستقل. ووجدوا أنه بينما تدفع هذه الأنواع المختلفة من الضجيج النظام نحو نقطة موت التشابك بسرعات مختلفة، إلا أنها جميعاً تشترك في مصير واحد عند لحظة موت التشابك. في تلك اللحظة تحديداً، يتم تحديد القدرة المتبقية على قياس الطور بناءً فقط على الظروف المحددة لتلك اللحظة. وبالنسبة للأنواع الأكثر شيوعاً من الضجيج، حسب الباحثون أن كسرًا معيناً من الحساسية الأصلية ينجو حتى بعد زوال التشابك. هذه الحساسية الناجية هي قيمة ثابتة، وهي ثابت هيكلي للنظام، وليست تقلبات عشوائية.

قد يتساءل المرء لماذا يهم هذا إذا كان التشابك قد ذهب. لقد عالج الباحثون ذلك بمقارنة طريقتهم بأسلوب أبسط: وهو مجرد قياس الجسيم المنفرد مباشرة دون نسخه إلى زوج. ووجدوا أنه، في ظل ظروف متطابقة، يكون القياس المباشر للجسيم المنفرد في الواقع أكثر دقة من النظام المكون من جسيمين والمحول. إن عملية تحويل المعلومات إلى زوج متشابك لا توفر دفعة سحرية في الدقة، بل تكمن قيمة عملهم في فهم حدود الاحتفاظ بالمعلومات. إنه بمثابة معيار مرجعي، معيار واضح لمدى المعلومات التي يمكن الحفاظ عليها في بيئة صاخبة. إنه يثبت أن فقدان التشابك ليس إشارة للتوقف عن البحث عن المعلومات؛ فالبيانات لا تزال موجودة، وتنتظر القراءة.

كما فحص الباحثون ما يحدث عندما لا يكون الضجيج متماثلاً تماماً. في بعض الحالات، قد يؤثر الضجيج على جسيم واحد أكثر من الآخر. واكتشفوا أن هذا عدم التماثل يغير مقدار التشابك ولكنه يترك معلومات الطور دون تغيير تماماً. يساعد هذا الاكتشاف في تحديد حدود نظريتهم؛ فهو يوضح أن وصف المتغيرين البسيط الذي طوروه يعمل بشكل مثالي عندما يكون الضجيج متوازناً، ولكنه يتطلب متغيراً ثالثاً عندما يكون الضجيج غير متوازن. تتيح هذه الدقة للعلماء معرفة متى تنطبق نماذجهم المبسطة ومتى يحتاجون إلى البحث بشكل أعمق.

في النهاية، تقدم هذه الدراسة صورة واضحة للعلاقة بين الروابط الكمومية والمعلومات الكمومية. إنها تثبت أن هذين المفهومين، رغم ارتباطهما الوثيق، فهما متميزان. يمكن للتشابك أن يموت بينما تظل المعلومات التي كان يحملها حية. لقد حدد الباحثون الظروف الدقيقة التي يحدث فيها ذلك، وأظهروا أن المعلومات التي تنجو من موت التشابك ليست احتمالاً غامضاً، بل هي واقع قابل للقياس والتنبؤ. وبالنسبة لأي شخص يعمل في الأنظمة الكمومية، فإن هذا يعني أن اختفاء الرابط الكمومي لا يعني بالضرة نهاية القصة. فمعلومات الطور، وهي جوهر الرسالة، يمكن أن تستمر في حالة منفصلة، مما يقدم منظوراً جديداً حول كيفية الحفاظ على البيانات واسترجاعها في عالم كمومي صاخب.