Demonstration of subspace-search variational quantum eigensolver using photonic orbital angular momentum qudits

لفهم العالم المادي، يحتاج العلماء غالباً ليس فقط إلى معرفة كيف تستقر الذرات في حالة سكون، بل كيف تتصرف عندما تُثار. فعندما تمتص الجزيئات الطاقة، تقفز إلكتروناتها إلى مستويات أعلى، مما يخلق ما يسمى بالحالات المثارة. هذه اللحظات العابرة هي المسؤولة عن توهج اليراعة، ولون الغروب، والتفاعلات الكيميائية التي تدفع عجلة الحياة. وبينما أصبحت الحواسيب بارعة جداً في حساب طاقة الذرات في حالتها الهادئة والمستقرة، ظل تحديد طاقة هذه الحالات المثارة مشكلة مستعصية. فالحواسيب التقليدية تعاني أمام تعقيد مستويات الطاقة الأعلى هذه، وغالباً ما تعطي نتائج غير موثوقة. وقد دفع هذا القصور الباحثين للبحث نحو الحواسيب الكمومية، وهي آلات تستخدم القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية لحل مشكلات تستعصي على الحواسيب الفائقة التقليدية. ومع ذلك، لا تزال الحواسيب الكمومية المتاحة اليوم صغيرة وعرضة للأخطاء، مما يجعل من الصعب إجراء الحسابات المعقدة اللازمة لإيجاد هذه الحالات المثارة.

لقد أظهر فريق من الباحثين الآن طريقة جديدة لمعالجة هذه المشكلة باستخدام الضوء. فقد نجحوا في استخدام تقنية تسمى "المحلل الذاتي الكمومي للقيم الذاتية للبحث في الفضاء الجزئي" (subspace-search variational quantum eigensolver) لإيجاد مستويات الطاقة للحالات المثارة في فضاء عالي الأبعاد. وبدلاً من الاعتماد على الطرق الهشة والمعرضة للخطأ والتي تتطلب عادةً جسيمات مساعدة إضافية لمقارنة الحالات، استخدموا دائرة مشتركة لمعالجة حالات متعددة في وقت واحد. ومن خلال ترميز المعلومات في الحركة الدوامية لجسيمات الضوء، تمكنوا من تقدير طاقات جزيء بسيط وسلسلة من الذرات المغناطيسية. ويظهر هذا العمل أن استخدام الفوتونات لحمل المعلومات الكمومية يوفر مساراً عملياً وفعالاً لمحاكاة العمليات الكيميائية المعقدة التي كانت بعيدة المنال في السابق.

يكمن التحدي الجوهري في هذا المجال في أن إيجاد أدنى حالة طاقة لنظام ما هو أمر مباشر نسبياً بالنسبة للخوارزميات الكمومية، لكن إيجاد المستويات الطاقية التالية هو أمر أصعب بكثير. فالمناهج التقليدية تتطلب من الحاسوب إجراء سلسلة من المقارنات الدقيقة بين حالات مختلفة، وهي عملية تصبح صعبة للغاية مع زيادة حجم النظام. ولتجاوز ذلك، لجأ الباحثون إلى منهج يُعرف باسم "المحلل الذاتي الكمومي للقيم الذاتية للبحث في الفضاء الجزئي". يسمح هذا النهج للحاسوب بالبحث عن عدة مستويات طاقة في وقت واحد عن طريق إعداد مجموعة من نقاط البداية المتميزة وغير المتداخلة وتمريرها عبر نفس عملية التحسين. وكان المفتاح لإنجاح ذلك على آلاتنا غير المثالية اليوم هو إيجاد طريقة لإعداد نقاط البداية المتميزة هذه دون الحاجة إلى تسلسلات عمليات عميقة ومعقدة قد تؤدي إلى الكثير من الأخطاء.

اختار الفريق استخدام الفوتونات، أو جسيمات الضوء، كبتات كمومية (qubits). وتحديداً، استفادوا من خاصية للضوء تسمى "الزخم الزاوي المداري"، والتي يمكن تصورها كالتواء الضوء حول محوره مثل حركة لولبية. ومن خلال تشكيل الضوء بأنماط هولوغرافية خاصة، استطاعوا إنشاء "التواءات" مختلفة تعمل كحالات متميزة ومتعامدة. وفي هذا السياق، تعني كلمة "متعامدة" أن الحالات مستقلة تماماً عن بعضها البعض، مثل قنوات الراديو المختلفة التي لا تتداخل مع بعضها البعض. سمحت هذه الطريقة لهم بإعداد حالات مدخلة متعددة بشكل مباشر وفعال، متجنبين بذلك تسلسلات البوابات العميقة والخطيرة التي تعيب منصات الحوسبة الكمومية الأخرى.

في تجربتهم، أعد الباحثون نظاماً حيث يقوم الليزر بتوليد أزواج من الفوتونات المفردة. يعمل أحد الفوتونات كإشارة لتأكيد جاهزية الآخر، بينما يُرسل الفوتون الثاني إلى المعالج الكمومي. وداخل المعالج، عرض الفريق أنماطاً هولوغرافية محددة على "معدل ضوء مكاني" (spatial light modulator)، وهو جهاز يمكنه تغيير شكل شعاع الضوء. قامت هذه الأنماط بإعداد الفوتون في واحدة من عدة حالات ملتوية محددة. ثم مر الفوتون عبر معدل ثانٍ قام بالقياسات اللازمة لتحديد خصائصه الطاقية. وراقب حاسوب تقليدي النتائج، وعدل إعدادات الهولوغرام، وكرر الدورة حتى توقفت قيم الطاقة عن التغير، مما يشير إلى أنه تم العثور على الإجابات الصحيحة.

اختبر الفريق هذا النهج على نظامين مختلفين. أولاً، قاموا بنمذجة جزيء بسيط مكون من ذرة هيليوم وذرة هيدروجين، يُعرف باسم (+HeH). ونجحوا في تقدير طاقات أربعة مستويات مختلفة لهذا الجزيء، بما في ذلك حالته الأرضية وثلاث حالات مثارة، وحسبوا انحرافات الطاقة بين تقديراتهم التجريبية والقيم النظرية. ثم طبقوا المنهج على نظام أكثر تعقيداً: سلسلة من ثماني ذرات مغناطيسية تتفاعل مع بعضها البعض، حيث قدروا طاقات الحالة المثارة لسلسلة "هايزنبرغ" ثمانية الأبعاد هذه. وفي كلتا الحالتين، قدمت النتائج التجريبية تقديرات لمستويات الطاقة المستهدفة، مما أثبت أن المنهج يعمل حتى مع زيادة حجم النظام.

إن هذا العرض التجريبي مهم لأنه يوضح إمكانية استكشاف الأنظمة الكمومية عالية الأبعاد دون الحاجة إلى عبء إضافي من الأجهزة أو خطوات معقدة لتصحيح الأخطاء. فمن خلال استخدام الخصائص الطبيعية للضوء لترميز المعلومات، أنشأ الباحثون بنية قابلة للتوسع تتناسب جيداً مع الجيل الحالي من الأجهزة الكمومية. إن القدرة على التنبؤ بدقة بطاقات الحالات المثارة تفتح الباب لفهم أفضل للتفاعلات الكيميائية وخصائص المواد، مما قد يؤدي إلى اكتشاف أدوية جديدة أو خلايا شمسية أكثر كفاءة. ويؤكد هذا العمل أن الأنظمة الفوتونية، التي تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء لمعالجة المعلومات، هي مسار قابل للتطبيق وفعال في استهلاك الموارد نحو حل بعض أصعب المشكلات في الكيمياء والفيزياء.