Quantifying and Bounding Spatiotemporal Correlations in Quantum Noise

في السعي لبناء آلات يمكنها حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرات حواسيب اليوم، يسابق العلماء الزمن لإتقان عالم ميكانيكا الكم الهش. هذه الآلات، المعروفة باسم الحواسيب الكمومية، تعتمد على جسيمات متناهية الصغر من الضوء أو المادة لحفظ المعلومات في حالة من التوازن الدقيق. ومع ذلك، فإن هذا التوازن يسهل كسره؛ ففي اللحظة التي تتفاعل فيها هذه الجسيمات مع محيطها — سواء من خلال الحرارة الشاردة، أو الموجات الكهرومغناطيسية، أو إشارات التحكم غير المثالية — تبدأ في فقدان معلوماتها. هذا الفقد، المسمى بالضجيج، هو العقبة الأكبر التي تقف بيننا وبين التكنولوجيا الكمومية القوية. لسنوات، حاول المهندسون محاربة هذا الضجيج بافتراض أنه يتصرف بطريقة بسيطة ويمكن التنبؤ بها: أي أن الأخطاء تحدث بشكل عشوائي ومستقل، مثل قطرات المطر التي تسقط على سقف حيث لا يؤثر سقوط قطرة واحدة على بلاطة معينة على القطرة التالية. هذا الافتراض يجعل الرياضيات قابلة للإدارة، لكنه غالباً ما يكون خاطئاً. ففي الأجهزة الحقيقية، يمكن أن تكون الأخطاء مرتبطة عبر الزمان والمكان، حيث قد يكون خلل في جزء من الآلة اليوم مرتبطاً بخلل في جزء آخر غداً، مما يخلق شبكة معقدة من التداخل لا تستطيع النماذج البسيطة رؤيتها.

وقد طور فريق من الباحثين في جامعة ساو باولو الآن طريقة جديدة لقياس وفهم هذه الروابط الخفية. فبدلاً من التخمين حول كيفية سلوك الضجيج، أنشأوا إطاراً موحداً لتحديد كمية المعلومات التي يتم مشاركتها بدقة بين أجزاء مختلفة من النظام الكمومي عبر الزمن. إن عملهم يتجاوز الافتراض القديم بأن الضجيج مجرد سلسلة من الأخطاء المستقلة. ومن خلال معاملة التاريخ الكامل لعملية كمومية ككائن واحد مترابط، يمكنهم التمييز بين الضجيج العشوائي حقاً والضجيج الذي يحمل ذاكرة للماضي. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية لأن الأدوات المستخدمة لإصلاح الأخطاء في الحواسيب الكمومية مصممة للأخطاء المستقلة؛ فإذا كانت الأخطاء مرتبطة بالفعل، فقد تفشل تلك الأدوات، مما يترك الكمبيوتر غير قادر على إجراء حسابات معقدة. توفر طريقة الباحثين الجديدة وسيلة للكشف عن هذه الروابط، وقياس قوتها، وتحديد مقدار "الذاكرة" التي يمتلكها المحيط بدقة، وهو أمر ضروري لبناء آلات موثوقة في المستقبل.

يتضمن جوهر هذا النهج الجديد طريقة ذكية لاختبار نظام كمومي. تخيل أنك تحاول معرفة ما إذا كانت الآلة تتذكر أفعالها الماضية أم أنها تكتفي فقط بالاستجابة للحاضر. اقترح الباحثون طريقة تعتمد على إجراء سلسلة من التجارب المصممة بعناية، أو "المجسات"، على النظام. ثم تقوم بمقارنة نتائج هذه التجارب بما كنت تتوقعه لو كان الضجيج عشوائياً تماماً وغير مترابط. الفرق بين النتائج الفعلية والتوقع العشوائي يخبرك بمقدار الارتباط الموجود. وتكمن روعة إطار عملهم في أنه يعمل مع أي نوع من العمليات الكمومية، سواء كان الضجيج مرتبطاً عبر أجزاء مختلفة من الآلة في نفس الوقت، أو مرتبطاً عبر لحظات زمنية مختلفة، أو كليهما. لقد حددوا مقاييس محددة لهذه الأنواع الثلاثة من الروابط: الارتباطات الزمنية (الذاكرة عبر الزمن)، والارتباطات المكانية (الروابط بين الأجزاء المختلفة)، والارتباطات المكانية-الزمانية الإجمالية (مجموع الاثنين معاً).

ومن الأهمية بمكان أن الباحثين أثبتوا أن قياساتهم قوية ومتينة. فقد أظهروا أنه بغض النظر عن كيفية التلاعب بالنظام باستخدام عمليات فيزيائية مسموح بها، فإن مقدار الارتباط المقاس لا يمكن أن يزداد بشكل اصطناعي. وهذا يضمن أن الأرقام التي يحصلون عليها هي خصائص فيزيائية حقيقية للضجيج، وليست نتاجاً لكيفية إعداد التجربة. كما وضعوا حدوداً رياضية صارمة لقوة هذه الارتباطات، بناءً على حجم النظام وحجم البيئة التي تحمل الذاكرة. على سبيل المثال، وجدوا أنه إذا كانت البيئة صغيرة، مثل جسيم واحد ضئيل، فإنها لا تستطيع حمل سوى قدر محدود من الذاكرة، مما يضع حداً لكيفية قوة الارتباطات. وإذا كانت البيئة أكبر، فإن إمكانية وجود ارتباطات أقوى وأكثر تعقيداً تزدัง. تعمل هذه الحدود كمسطرة: فإذا قمت بقياس ارتباط أقوى مما يمكن لبيئة صغيرة أن تنتجه، ستعرف بالتأكيد أن البيئة يجب أن تكون أكبر أو أكثر تعقيداً مما ظننت.

ولاختبار أفكارهم، طبق الفريق إطار عملهم على نماذج من الكيوبتات فائقة التوصيل، وهي نوع الأجهزة المستخدم حالياً في العديد من الشركات الرائدة في مجال الكم. لقد قاموا بمحاكاة سيناريوهات تتفاعل فيها كيوبتات فائقة التوصيل مع بيئة مشتركة، باستخدام نوعين مختلفين من التفاعلات الشائعة في الأجهزة الحقيقية. في أحد السيناريوهات، عملت البيئة كمفتاح كلاسيكي، حيث تتنقل بين الحالات وتخلق نوعاً معيناً من الذاكرة. وفي سيناريو آخر، عملت كجسيم كمومي، يحافظ على المعلومات الكمومية الدقيقة. كانت النتائج مذهلة؛ ففي الحالة الكلاسيكية، وصلت الارتباطات المقاسة إلى سقف محدد تنبأ به حجم البيئة، مما أكد أن الذاكرة كانت بالفعل كلاسيكية. أما في الحالة الكمومية، فقد نمت الارتباطات بشكل أقوى، متجاوزة الحد الكلاسيكي ومقتربة من القيمة القصوى المسموح بها لحجم النظام. وقد أثبت هذا أن طريقتهم لا يمكنها فقط الكشف عن وجود الذاكرة، بل يمكنها أيضاً التمييز بين الذاكرة الكلاسيكية والكمومية، وحتى تحديد الحد الأدنى لحجم البيئة المطلوب لإنتاج التأثيرات المرصودة.

إن تداعيات هذا العمل عميقة بالنسبة لمستقبل الحوسبة الكمومية. فمن خلال توفير طريقة للمصادقة على الحد الأدنى لحجم الذاكرة المسببة للضجيج، يقدم الباحثون أداة تشخيصية جديدة للمهندسين. فإذا أظهر الجهاز ارتباطات تتجاوز حدود البيئة الصغيرة والبسيطة، فهذا يشير إلى أن الضجيج أكثر تعقيداً مما كان يُفترض سابقاً، مما يتطلب استراتيجيات أكثر تطوراً لتصحيح الأخطاء. وعلى العكس من ذلك، إذا كانت الارتباطات ضمن حدود بيئة صغيرة، فهذا يعني أن الضجيج قد يكون قابلاً للإدارة بالتقنيات الحالية. كما يعمل هذا الإطار كاختبار واقعي للنماذج النظرية؛ فإذا تنبأ نموذج بسلوك معين ولكن الارتباطات المقاسة انتهكت الحدود العالمية المحددة بحجم النظام، فهذا يشير إلى أن النموذج نفسه معيب أو أن النظام يتصرف بطريقة غير متوقعة، مثل تسرب المعلومات إلى أجزاء مخفية من الأجهزة.

في نهاية المطاف، يغير هذا البحث الطريقة التي ننظر بها إلى الضجيج في الأجهزة الكمومية. فبدلاً من معاملة الضجيج كخلفية غامضة وغير قابلة للإدارة، حوله الباحثون إلى كمية قابلة للقياس ذات حدود واضحة. لقد أظهروا أنه من خلال فهم بنية هذه الارتباطات، يمكننا التعرف على البيئة الخفية التي تتفاعل مع حواسيبنا الكمومية. وهذه المعرفة هي الخطوة الأولى نحو ترويض الضجيج، مما يسمح للعلماء بتصميم أكواد أفضل لتصحيح الأخطاء وبناء آلات يمكنها العمل بموثوقية لفترات أطول. ومع انتقال التكنولوجيا الكمومية من المختبر إلى العالم الحقيقي، ستكون القدرة على قياس وتحديد هذه الارتباطات المكانية-الزمانية أمراً ضرورياً لتحويل وعد الحوسبة الكمومية إلى واقع عملي. إن هذا العمل لا يحل مشكلة الضجيج تماماً، ولكنه يوفر الأدوات اللازمة لرؤية المشكلة بوضوح، وقياس حجمها، وفهم الحدود الفيزيائية التي يجب أن نعمل ضمنها.