Realization of decoherence-induced averaged symmetry-protected topological phases on quantum processors

في العالم الكمومي، يمكن للمادة أن تنظم نفسها في أشكال لا تحددها ترتيب الذرات، بل تحددها الروابط الخفية والمتشابكة بينها. تُسمى هذه الأطوار الطوبولوجية، وهي متينة بشكل لافت؛ إذ يمكنك مط المادة أو لويها أو هزها، وتظل طبيعتها الجوهرية دون تغيير. لعقود من الزمن، درس العلماء هذه الأشكال في أنظمة مثالية ومعزولة حيث تكون الحالة الكمومية نقية وخالية من الشوائب. في هذه الإعدادات المثالية، يعتمد استقرار الشكل على قاعدة صارمة: التناظر. فكر في هذا التناظر كقانون يجب أن يلتزم به النظام في كل لحظة، مما يضمن أن تتصرف حواف المادة بطريقة محددة ومحمية. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي نادراً ما يكون مثالياً؛ فالأنظمة الكمومية تتعرض باستمرار لقصف من بيئتها، مما يؤدي إلى فقدان المعلومات المعروف باسم "فقدان الترابط" (decoherence). هذا الضجيج يحول الحالة الكمومية النقية والحادة إلى مزيج فوضوي من الاحتمالات. ولفترة طويلة، اعتقد الفيزيائيون أن هذه الفوضى ستدمر الأشكال الطوبولوجية الدقيقة، وتغسل التناظرات التي كانت تمسك بها. كان الرأي السائد هو أنه بمجرد أن يصبح النظام مجموعة مختلطة وصاخبة، ستتلاشى خصائصه الطوبية الخاصة، ولن يتبقى سوى حالة تافهة وغير مثيرة للاهتمام.

لقد تحدى فريق من الباحثين هذا الافتراض الآن من خلال إثبات أن الضجيج، عندما يتم التحكم فيه بعناية، يمكن أن يخلق نوعاً جديداً من النظام الطوبولوجي. ومن خلال العمل على معالجات كمومية قابلة للبرمجة، أظهروا أنه حتى عندما يتعرض النظام لفقدان الترابط، يمكن لشكل من أشكال التناظر أن ينجو، ليس في كل حالة فردية، بل في المتوسط. بدأوا بسلسلة أحادية البعد من البتات الكمومية، مرتبة وفق نمط محدد يُعرف باسم "حالة العنقود" (cluster state)، وهي مشهورة بحوافها المحمية. ثم أدخلوا نوعاً معيناً من الضجيج: قلب عشوائي للحالة الكمومية في كل رابط آخر في السلسلة. في أي تشغيل منفرد للتجربة، كان هذا الضجيج يبعثر النظام، ويدمر التناظر الصارم الذي يحمي الشكل عادةً. ومع ذلك، عندما نظر الباحثون إلى نتائج آلاف هذه التشغيلات مجتمعة، ظهر نمط مفاجئ. لم يكن التناظر قد اختفى؛ بل تغيرت طبيعته ببساطة. فبدلاً من أن يكون قانوناً صلباً ينطبق على كل لحظة، أصبح قانوناً متوسطاً لا يتحقق إلا عند دمج النتائج الصاخبة المختلفة معاً. هذا الوضع الجديد، الذي أسماه الباحثون "طور الطوبولوجيا المحمي بالتناظر المتوسط"، أثبت أن البنية الطوبولوجية لا تزال موجودة، مشفرة في المزيج الإحصائي للنظام، رغم أنها كانت غير مرئية إذا نظرت إلى لقطة واحدة صاخبة.

ولإثبات ذلك، اضطر الفريق إلى ابتكار طريقة جديدة للنظر في البيانات. فالمقايسات القياسية، التي تنظر إلى النظام مرة واحدة وتسجل النتيجة، فشلت لأن الضجيج تسبب في إلغاء الإشارات لبعضها البعض. كان الأمر يشبه محاولة سماع لحن عبر الاستماع إلى ألف شخص مختلف يغنون نفس اللحن بأوقات ونغمات مختلفة قليلاً؛ سيتحول الصوت إلى مجرد همهمة مربكة. وللقطع عبر هذه الحيرة، استخدم الباحثون تقنية تتضمن إعداد نسختين متطابقتين من النظام الصاخب في نفس الوقت. ومن خلال مقارنة هاتين النسختين بطريقة معينة، استطاعوا تصفية الضوضاء العشوائية والكشف عن البنية الكامنة التي كانت مخفية في المتوسط. لقد قاسوا خاصية تسمى "ارتباط الخيط" (string correlation)، والتي تعمل مثل خيط طويل المدى يربط نهايات السلسلة. في نسخة واحدة، بدا هذا الخيط وكأنه ينقطع ويتلاشى مع زيادة الضجيج. ولكن عندما استخدموا طريقة النسختين، ظل الخيط قوياً ومتماسكاً، مما أثبت أن النظام الطوبولوجي قد نجا من الضجيج. كان هذا ملاحظة مباشرة لنوع جديد من المادة الكمومية التي لا توجد إلا في مجال الحالات المختلطة، حيث يتم تعريف النظام من خلال السلوك الجماعي للعديد من الاحتمالات بدلاً من واقع واحد مثالي.

كما فحص الباحثون بنية الطاقة الداخلية للنظام لمعرفة كيف أعاد الضجيج تشكيل المشهد الكمومي. ووجدوا أنه بينما غيّر الضجيج توزيع مستويات الطاقة، إلا أنه لم يدمر الاقتران المميز للحالات الذي يشير إلى وجود حواف محمية. في النظام المثالي، تأتي هذه الحالات الحافية في أزواج، وهي علامة على الحماية الطوبولوجية. وعند إدخال الضجيج، لم يفقد النظام هذا الاقتران؛ بل قام الضجيج ببساطة بنقل وزن النظام إلى قطاعات مختلفة، مما خلق نمطاً أكثر تعقيداً حيث ظل الهيكل المزدوج مرئياً داخل كل قسم. أكد هذا أن الحماية الطوبولوجية كانت متينة بما يكفي لتحمل فقدان الترابط المصمم هندسياً. أُجريت التجربة على أجهزة كمومية تحتوي على سلاسل تصل إلى أربعين بتًا كمومياً، وطابقت النتائج التوقعات النظرية بدقة عالية. أظهر الفريق أنه من خلال هندسة الضجيج بعناية، يمكنهم تحويل نظام من امتلاك تناظر قوي وصارم إلى امتلاك تناظر متوسط وأضعف، دون فقدان النظام الطوبولوجي الذي يجعل النظام مميزاً.

يفتح هذا العمل باباً جديداً لفهم كيفية سلوك المادة الكمومية في العالم الحقيقي الصاخب. وهو يشير إلى أننا لسنا بحاجة إلى القضاء على كل الضجيج للحفاظ على الخصائص الكمومية؛ بل قد نتمكن من تسخير الضجيج كمورد. ومن خلال تصميم أنظمة تكون فيها البنية الطوبولوجية محمية بتناظرات متوسطة، يمكننا إنشاء مواد كمومية أكثر مرونة لا تتطلب الظروف المستحيلة للعزل التام. توفر الدراسة مساراً واضحاً لاستخدام المعالجات الكمومية الحالية لاستكشاف هذه الأطوار ذات الحالات المختلطة، مما يظهر أن الطبيعة الفوضوية والمضطربة للعالم الحقيقي لا تعني بالضرورة نهاية النظام الكمومي. بدلاً من ذلك، هي تكشف عن مشهد أغنى حيث يمكن للنظام أن ينبثق من متوسط العديد من المسارات الفوضوية، مما يقدم منظوراً جديداً حول كيفية بناء وحماية التقنيات الكمومية في المستقبل.