Experimental Observation of Error-Resilience Phase Transition on Superconducting Quantum Processor

في عالم الحوسبة الكمومية، تكون المعلومات هشة للغاية. فخلافاً للبتات في الحاسوب التقليدي، التي تظل ثابتة حتى يتم تغييرها، فإن البتات الكمومية (qubits) تتأثر بسهولة بأدنى همسة من الحرارة أو التداخل الكهرومغناطيسي من محيطها. هذا الاضطراب، المعروف باسم الضجيج، عادة ما يدمر الحالة الكمومية الدقيقة، مما يؤدي إلى فشل الحاسوب. لسنوات، سعى العلماء لإيجاد طرق لحماية هذه المعلومات، غالباً عن طريق نشرها عبر العديد من الجسيمات بحيث إذا تعرض جزء واحد للفساد، لا تضيع الرسالة بأكملها. هذه الفكرة هي أساس تصحيح الخطأ الكمومي. ومع ذلك، اقترح اكتشاف نظري مفاجئ أن العلاقة بين الضجيج والحماية ليست خطاً بسيطاً؛ بل اقترح وجود تحول مفاجئ، أو انتقال طوري، حيث يمكن للنظام أن ينتقل فجأة من القدرة على استعادة معلوماته إلى عدم القدرة على ذلك تماماً، اعتماداً على مدى قوة الضجيج.

لقد نقل فريق من الباحثين هذه الفكرة النظرية من حيز المعادلات إلى العالم الحقيقي. فمن خلال العمل مع معالج كمومي فائق التوصيل في شركة IBM، نجحوا في رصد هذا الانتقال لأول مرة. قاموا ببناء تجربة محددة حيث قاموا بتشفير المعلومات عبر مجموعة من البتات الكمومية، ثم أدخلوا قدراً متحكماً فيه من الضجيج، وحاولوا بعد ذلك فك التشفير لمعرفة ما إذا كانت الرسالة الأصلية قد نجت. ومن خلال اختبار أنظمة تتراوح من بضعة بتات كمومية وصولاً إلى ستة وعشرين بتّاً، راقبوا اللحظة الدقيقة التي يصبح فيها الضجيج قوياً جداً بحيث لا يستطيع النظام تحمله. وتؤكد نتائجهم أن مثل هذه النقطة الحرجة موجودة في الأجهزة المادية، لكنهم كشفوا أيضاً أن النسخة الواقعية من هذا الانتقال تحدث عند نقطة مختلفة قليلاً عما توقعته النظرية المثالية.

أُجريت التجربة على جهاز يسمى "ibm pittsburgh Heron r3"، والذي يحتوي على شبكة من البتات الكمومية فائقة التوصيل. وضع الباحثون عملية تحاكي بروتوكول الذاكرة؛ أولاً، قاموا بإعداد مجموعة من البتات الكمومية في حالة معروفة. بعد ذلك، طبقوا تسلسلاً معقداً من العمليات لتشفير هذه المعلومات، ونشرها بحيث لم تعد متركزة في أي بت كمومي واحد. هذا التشفير مصمم لجعل المعلومات قوية ضد الاضطرابات المحلية. بعد التشفير، أدخلوا طبقة من الضجيج المتطابق على كل بت كمومي. كان هذا الضجيج نوعاً معيناً من الخطأ المتماسك، مما يعني أنه دوران ثابت ومتوقع للحالة الكمومية بدلاً من كونه ضوضاء عشوائية. أخيراً، حاولوا عكس عملية التشفير لاستعادة المعلومات الأصلية.

ولتحديد ما إذا كانت المعلومات قد نجت، قاس الفريق ثلاث خصائص مختلفة للحالة النهائية. كانت الأولى مقياساً لمدى تطابق الحالة النهائية مع نقطة البداية الأصلية، وهو ما يسأل جوهرياً: "هل استعدنا رسالتنا؟". والخاصية الثانية قيست مدى تشابك البتات الكمومية، مما يشير إلى مدى دقة خلط المعلومات. أما الخاصية الثالثة فقد قيست شكلاً من أشكال التعقيد الكمومي يُعرف باسم "عدم الاستقرار" (non-stabilizerness)، والذي يعكس مدى صعوبة محاكاة الحالة على حاسوب كلاسيكي. ومن خلال تغيير قوة الضجيج، استطاعوا مراقبة تغير هذه الخصائص الثلاث مع انتقال النظام من حالة تكون فيها المعلومات آمنة إلى حالة تُفقد فيها.

أظهرت النتائج انتقالاً واضحاً. فمع زيادة زاوية الضجيج، انخفضت القدرة على استعادة المعلومات الأصلية بشكل حاد، بينما ارتفع التشابك والتعقيد في النظام. طابق هذا السلوك تنبؤات النماذج النظرية، التي وصفت التحول بين طور "حماية الخطأ" وطور "التعرض للخطأ". ومع ذلك، فإن النقطة الدقيقة التي حدث عندها هذا التحول لم تكن تماماً كما توقعت النظرية لنظام مثالي؛ إذ اقترح النموذج النظري أن الانتقال يجب أن يحدث عند زاوية ضجيج تقارب 1.14، بينما لوحظ الانتقال في التجربة عند زاوية تقارب 1.01.

لفهم سبب اختلاف التجربة الواقعية عن النظرية المثالية، أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة باستخدام نفس تصميمات الدوائر التي بنوها على الأجهزة، ولكن بدون أي ضجيج مادي. وعند تحليل هذه المحاكاة الخالية من الضجيج، وجدوا نقطة انتقال عند حوالي 1.05. كانت هذه النتيجة حاسمة لأنها أظهرت أن الفرق بين التجربة والنظرية لم يكن ناتجاً عن الضجيج الفوضوي وغير المتوقع للأجهزة الفعلية، بل جاء من حقيقة أن الدوائر التي بنوها لم تكن عميقة بما يكفي لتكون عشوائية حقاً كما تفترض النظرية. تعتمد النظرية المثالية على دوائر معقدة للغاية وعشوائية تماماً، لكن الجهاز المادي اضطر لاستخدام دوائر أبسط وأقل عمقاً يمكن تشغيلها فعلياً. هذه الدوائر الأقل عمقاً قامت بتشفير المعلومات بشكل أقل فعالية، مما جعل النظام أكثر عرضة للضجيج وتسبب في حدوث الانتقال في وقت أبكر مما هو متوقع.

اعتمد جزء كبير من هذا النجاح على تقنيات متقدمة لتنقية البيانات. فالحواسيب الكمومية صاخبة بطبيعتها، وبدون تصحيح، كان من الممكن أن يدفن إشارة الانتقال الطوري تماماً. استخدم الفريق طريقتين لتصحيح ذلك؛ إحدى الطريقتين، وتسمى "استقراء الضجيج الصفري" (zero-noise extrapolation)، تضمنت تشغيل الدوائر عدة مرات مع زيادة الضجيج اصطناعياً، ثم العمل رياضياً إلى الوراء لتقدير ما كانت ستكون عليه النتيجة في حال عدم وجود ضجيج على الإطلاق. والطريقة الأخرى، المعروفة باسم "تخفيف خطأ القياس الخالي من المصفوفات" (matrix-free measurement error mitigation)، قامت بتصحيح الأخطاء التي تحدث عند قراءة الحاسوب للحالة النهائية. وعندما حاول الباحثون تحليل البيانات الخام دون هذه التصحيحات، لم يتمكن النموذج الإحصائي الذي استخدموه من إيجاد أي انتقال واضح؛ فقد كانت البيانات مشتتة للغاية، ولم يتمكن النموذج من تحديد نقطة حرجة. وقد أثبت هذا أن تقنيات تصحيح الخطأ هذه لم تكن مجرد إضافات مفيدة، بل كانت ضرورية لرؤية الظاهرة من الأساس.

سلطت الدراسة الضوء أيضاً على تحديات قياس هذه الخصائص المعقدة. لتحديد التشابك والتعقيد، اضطر الفريق لاستخدام تقنية تسمى "القياسات العشوائية". تضمن ذلك تشغيل نفس الدائرة عدة مرات مع إعدادات عشوائية مختلفة، ثم استخدام طرق إحصائية لتجميع الإجابة. ولأن عدد النتائج المحتملة ينمو بسرعة كبيرة مع عدد البتات الكمومية، كان عليهم توخي الحذر الشديد في كيفية جمع بياناتهم. ووجدوا أنه بالنسبة للأنظمة الأكبر، احتاجوا لتشغيل التجربة مرات أكثر بكثير للحصول على إشارة واضحة. وحتى مع هذه الجهود، كانت قياسات الخاصية الأكثر تعقيداً أكثر ضجيجاً من غيرها، لكن النمط العام ظل متسقاً عبر جميع القياسات الثلاثة.

خلص الباحثون إلى أنه على الرغم من أن إعدادهم التجريبي لم يتطابق تماماً مع النموذج الرياضي المثالي، إلا أنه نجح في التقاط جوهر الانتقال الطوري. إن حقيقة أن الانتقال ظهر عند زاوية مختلفة قليلاً عما توقعته النظرية ليست فشلاً، بل هي رؤية قيمة؛ فهي توضح أن عمق الدائرة وعشوائيتها هما عاملان حاسمان في كيفية حماية النظام الكمومي للمعلومات. ومع نمو الحواسيب الكمومية وزيادة تعقيدها، سيكون فهم هذه الحدود أمراً حيوياً. يثبت هذا العمل أنه حتى على الآلات الحالية غير الكاملة، يمكن للعلماء رصد التحولات الأساسية في سلوك المعلومات، بشرط امتلاك الأدوات الصحيحة لتصفية الضجيج. إن القدرة على رؤية هذا الانتقال في جهاز حقيقي تشير إلى أن مبادئ الحماية من الخطأ الكمومي قوية بما يكفي لتجاوز عيوب تكنولوجيا اليوم، مما يوفر مساراً واعداً لبناء حواسيب كمومية أكثر موثوقية في المستقبل.