GHZ-State Ramsey Interferometry on PKTron and IBM Quantum Hardware: Toward Quantum-Enhanced GPS-Denied Navigation Sensors

تعمل الحياة الحديثة وفق حركة تروس صامتة وغير مرئية. فمن توقيت تداول الأسهم إلى توجيه صاروخ، تعتمد القدرة على معرفة مكانك بالضبط والوقت الذي أنت فيه على إشارات تُبث من أقمار صناعية تدور حول الأرض. إن أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية هذه موثوقة للغاية لدرجة أننا نادراً ما نفكر فيها، ومع ذلك فهي هشة. ففي مناطق النزاع أو البيئات المتنازع عليها، يمكن حجب هذه الإشارات أو تشويشها أو خداعها بسهولة. وعندما تظلم السماء، يمكن للأنظمة التي توجه السفن والطائرات والجيوش أن تفشل. ولعقود من الزمن، كان البديل هو الملاحة بالقصور الذاتي، وهي طريقة تتبع الحركة عن طريق قياس التسارع والدوران دون الحاجة إلى إشارات خارجية. ومع ذلك، فإن هذه المستشعرات الميكانيكية أو الإلكترونية بها عيب: فالأخطاء الطفيفة في قياساتها تتراكم بمرور الوقت، مما يتسبب في انحراف السفينة أو الطائرة بعيداً عن مسارها كلما زادت مدة رحلتها دون تحديد موقع عبر الأقمار الصناعية.

لطالما اقترح العلماء طريقة لإصلاح هذا الانحراف باستخدام القواعد الغريبة للفيزياء الكمومية. فبدلاً من الاعتماد على مستشعر واحد، يقترحون استخدام مجموعات من الذرات المرتبطة معاً بطريقة خاصة، بحيث تعمل كوحدة واحدة عملاقة وفائقة الحساسية. هذا النهج، المعروف باسم الاستشعار الكمومي، يعد بقياس الحركة بدقة تتجاوز بكثير ما هو ممكن بالأدوات الكلاسيكية. الفكرة الجوهرية هي أنه من خلال تشابك هذه الذرات، تصبح المجموعة حساسة للغاية لأي دفعة أو دوران طفيف، مما يسمح للجهاز بمعرفة موقعه بدقة أكبر بكثير مما تسمح به التكنولوجيا الحالية. وقد أثار هذا الإمكان استمرار الاهتمام المكثف بتطوير أنظمة ملاحة معززة كمومياً يمكنها العمل بشكل مستقل عن الأقمار الصناعية، مما يحافظ على استمرارية العمليات الحرجة حتى عندما تُحجب السماء عنهم.

تعد الدراسة الأخيرة التي أجراها الدكتور زفير أحمد وزملاؤه خطوة أولى حاسمة نحو هذا المستقبل، رغم أنها تتوقف قبل بناء جهاز ملاحة كامل. فقد ركز الباحثون على اللبنة الأساسية لهذه المستشعرات الكمومية: وهي طريقة محددة لقياس التغيرات الطفيفة في الطور باستخدام مجموعة من الجسيمات المتشابكة. لم يقوموا ببناء مستشعر فيزيائي يحتوي على ذرات باردة أو جيروسكوبات، بل أنشأوا نموذجاً رقمياً للعملية واختبروه على حاسوب كمومي حقيقي ليروا ما إذا كانت الرياضيات الأساسية ستصمد في العالم الحقيقي الفوضوي والمليء بالضجيج. وتؤكد أعمالهم أن المخطط النظري لهذا القياس عالي الدقة يعمل كما هو متوقع في محاكاة مثالية، ويظل قوياً بشكل مفاجئ حتى عند تشغيله على أجهزة فعلية.

بدأ الفريق بتصميم دائرة رقمية تحاكي سلوك مستشعر كمومي. تقوم هذه الدائرة بإعداد مجموعة من "الكيوبتات" (qubits)، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات الكمومية، في حالة مرتبطة خاصة. في هذه الحالة، تكون الكيوبتات متصلة ببعضها البعض لدرجة أن أي تغيير يؤثر على أحدها يؤثر على جميعها في آن واحد. ثم قام الباحثون بمحاكاة كيفية استجابة هذه المجموعة لإشارة خارجية، مثل الدوران أو التسارع، من خلال تطبيق "التواء" رياضي على الدائرة. واختبروا هذه المحاكاة باستخدام مجموعات مكونة من كيوبت واحد، واثنين، وأربعة، وستة. في عالم مثالي خالٍ من الضجيج، تتنبأ النظرية بأن حساسية القياس يجب أن تنمو بشكل كبير مع زيادة حجم المجموعة؛ وتحديداً، يجب أن تتحسن الدقة بمربع عدد الجسيمات المستخدمة. وقد طابقت نتائج المحاكاة هذا التنبؤ تماماً؛ فعندما استخدموا أربعة كيوبتات، كانت الحساسية أفضل بـستة عشر مرة من كيوبت واحد، ومع ستة كيوبتات، كانت أفضل بـستة وثلاثين مرة. وقد أكد هذا أن التصميم الرقمي قد جسد بدقة قوانين ميكانيكا الكم التي تعد بهذا الأداء العالي.

وللانتقال إلى ما وراء أمان محاكاة الحاسوب، أخذ الباحثون نفس تصميم الدائرة وشغلوه على معالج كمومي حقيقي موجود في شركة "آي بي إم" (IBM). تستخدم هذه الآلة دوائر فائقة التوصيل عرضة للأخطاء والضجيج، على عكس البيئة المثالية للمحاكاة. وقد اختاروا اختبار نسخة الدائرة المكونة من أربعة كيوبتات، وهي صغيرة بما يكفي لتشغيلها على الأجهزة الحالية ولكنها كبيرة بما يكفي لإظداء الميزة الكمومية. وقد أجروا الاختبار في إعدادين محددين: أولاً، تحققوا من الأداء الأساسي للآلة دون تطبيق أي إشارة، وهو ما يعمل كنقطة معايرة؛ حيث أعادت الآلة النتيجة الصحيحة بنسبة 98.1%، مما يظهر أن الأجهزة يمكنها إعداد وقراءة الحالة المرتبطة بدقة عالية. ثانأ، طبقوا الإعداد الذي يجب أن يكون فيه المستشعر أكثر حساسية للإشارة؛ وكان التنبؤ النظري عند هذه النقطة هو احتمال محدد قدره 50%، بينما أعطت الآلة الحقيقية نتيجة قدرها 47.7%. ويُعزى هذا الفرق الصغير، الذي يبلغ حوالي 2.3 نقطة مئوية، إلى العيوب الحتمية في الأجهزة، مثل أخطاء البوابات وضجيج القراءة، ولكنه يثبت أن الآلية الجوهرية تعمل حتى في بيئة مليئة بالضوضاء.

يحرص المؤلف على توضيح ما لا تثبته هذه الدراسة؛ فقد ذكر صراحة أن هذا ليس عرضاً لنظام ملاحة يعمل. فهم لم يبنوا جهازاً يمكنه توجيه غواصة أو طائرة، ولم يظهروا أن سفينة يمكنها الملاحة لأيام دون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). إن المستشعرات الواقعية التي ستستخدم هذه التكنولوجيا تعتمد على سحب من الذرات الباردة وأنظمة فراغ معقدة، وهي تختلف تماماً عن الكيوبتات الموجودة على شريحة فائقة التوصيل. إن الدائرة المختبرة هنا هي نظير رقمي مبسط للعملية الفيزيائية، صُممت للتحقق من المنطق الأساسي قبل محاولة الهندسة الأكثر صعوبة لمستشعر كامل. وتؤكد الدراسة أن القطعة الأساسية من اللغز تعمل بشكل صحيح، مما يوفر مرجعاً موثوقاً للباحثين الآخرين الذين يبنون الأجهزة الفعلية.

يعمل هذا العمل كفحص تأسيسي لمجال يهدف إلى حل مشكلة حرجة في الملاحة. ومن خلال عزل الآلية الكمومية المحددة وإثبات عملها في كل من المحاكاة والأجهزة الحقيقية، قدم الباحثون مخططاً تم التحقق منه للنموذج الأولي للاستشعار الذي يمكن أن يشغل يوماً ما ملاحةً مستقلة عن نظام تحديد المواحل العالمي. وتظهر النتائج أن الوعد النظري بالدقة المعززة كمومياً ليس مجرد فكرة رياضية، بل هو واقع فيزيائي يمكن تكراره على الأجهزة الحالية، وإن كان مع وجود بعض الضجيج. وبينما لا يزال الطريق نحو مستشعر قصور ذاتي جاهز للاستخدام الميدوي طويلاً ويتطلب تقدماً كبيراً في الأجهزة الفيزيائية وتصحيح الأخطاء، فإن هذه الدراسة تثبت أن اللبنة الأساسية سليمة. إنها تقدم نقطة انطلاق قابلة للتكرار للمجتمع العلمي، مما يضمن أن التطوير المستقبلي لأدوات الملاحة هذه يستند إلى أساس مؤكد وعامل.