Dual Validation of Discord Features: Simulation and Hardware Evidence on IBM Quantum

في عالم الفيزياء الكمومية الغريب والمنافي للبداهة، يمكن للجسيمات أن ترتبط بطرق تتحدى تجربتنا اليومية. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن نوعًا محددًا من الاتصال يسمى "التشابك" (entanglement) هو المورد الوحيد القوي بما يكفي لدفع أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية. ومع ذلك، اكتشف الباحثون أنه حتى عندما تكون الجسيمات صاخبة أو فوضوية للغاية بحيث لا يمكن تشابكها، فإنها لا تزال قادرة على مشاركة نوع آخر من العلاقات الأكثر دقة. هذا الاتصال، المعروف باسم "الفرق الكمومي" (quantum discord)، يعمل كطبقة خفية من المعلومات التي تستمر حتى بعد انهيار الروابط الأقوى. إن فهم ما إذا كان هذا الرابط الدقيق يمكن استخدامه بالفعل لمعالجة البيانات هو سؤال بالغ الأهمية للجيل الحالي من الآلات الكمومية، والتي تتميز بالقوة ولكنها لا تزال عرضة للأخطاء والتداخل من البيئة المحيطة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من جامعة صنعاء خطوة كبيرة نحو الإجابة على هذا السؤال من خلال اختبار ما إذا كانت هذه الاتصالات القائمة على "الفرق الكمومي" يمكن أن تعمل كأدوات موثوقة لتعلم الآلة. لقد ركزوا على طريقة جديدة لقياس هذه الظاهرة، والتي يسمونها "عتبة التماسك المستحث بالقياس للفرق الكمومي" (measurement-induced coherence-threshold discord). بعبارات بسيطة، يطرح هذا المفهوم سؤالًا محددًا: ما مقدار النظام الداخلي، أو التماسك، الذي يجب أن يمتلكه الجسيم قبل أن يتمكن قياس بسيط من إيقاظ اتصال كمومي خفي؟ أراد الباحثون معرفة ما إذا كان يمكن استخدام هذه العتبة المحددة كميزة لتدريب كمبيوتر على التعرف على الأنماط، تمامًا كما قد يتعلم الإنسان التمييز بين أنواع مختلفة من السحب من خلال النظر إلى أشكالها.

ولمعرفة ذلك، بنى الفريق إطار اختبار شاملاً يجمع بين نهجين متميزين. أولاً، أجروا آلاف عمليات المحاكاة على كمبيوتر كلاسيكي قوي لنمذجة كيفية سلوك هذه الحالات الكمومية في ظل ظروف مثالية وتحت أنواع مختلفة من الضجيج. ثم انتقلوا إلى العالم الحقيقي، حيث أجروا تجاربهم على معالج كمومي فيزيائي موجود في شركة IBM. هذه الآلة، المعروفة باسم "ibm fez"، تحتوي على 156 كيوبت (qubit)، وهي الوحدات الأساسية للمعلومات في الكمبيوتر الكمومي. ومن خلال تشغيل نفس الاختبارات على كل من المحاكاة والأجهزة الفعلية، استطاع الباحثون مقارنة توقعاتهم النظرية مع الواقع الفوضوي لجهاز كمومي عامل.

كانت النتائج مشجعة. وجد الفريق أن الميزات المستمدة من الفرق الكمومي كانت فعالة للغاية في مساعدة الكمبيوتر على التعلم. لقد اختبروا نوعين مختلفين من نماذج التعلم الكمومي، أحدهما يعد إعداداته الخاصة للعثور على الأنماط، والآخر يستخدم نهجًا رياضيًا لرسم حدود بين مجموعات البيانات. أدى كلا النموذجين أداءً جيدًا، لكن النموذج القابل للتعديل، المعروف باسم "المصنف الكمومي المتغير" (variational quantum classifier)، أظهر قوة خاصة. فقد تمكن من تحديد الأشكال الهندسية المعقدة التي تشكلها البيانات الكمومية بدقة عالية، غالبًا ما تجاوزت 90 بالمائة في عمليات المحاكاة. والأهم من ذلك، أن النموذج تعلم التعرف على الزوايا والحدود المحددة التي يتفعل عندها الاتصال الكمومي، مما أثبت أن الآلة لم تكن تخمن فحسب، بل كانت تفهم بالفعل البنية الأساسية للبيانات.

ولعل الاكتشاف الأكثر أهمية هو مدى قدرة هذه الأنظمة على الصمود أمام الضجيج. فالأجهزة الكمومية هشة للغاية؛ إذ يمكن حتى للاضطرابات الطفيفة الناتمة عن الحرارة أو المجالات الكهرومغناطيسية أن تفسد عملية حسابية. تعمد الباحثون إلى إدخال أنواع مختلفة من الضجيج في عمليات المحاكاة الخاصة بهم لمعرفة مدى قدرة النماذج على التحمل قبل الفشل. ووجدوا أن ميزات الفرق الكمومي ظلت مفيدة حتى عندما كانت مستويات الضجيج مرتفعة للغاية. لم تنهار النماذج فورًا؛ بل تدهورت تدريجيًا وبشكل سلس، محافظِةً على قدرتها على تصنيف البيانات بشكل صحيح حتى عندما كانت البيئة بعيدة عن المثالية. وهذا يشير إلى أن "الفرق الكمومي" مورد قوي يمكنه البقاء في الظروف غير المثالية.

وعندما نقل الفريق تجاربهم إلى أجهزة IBM الفعلية، أكدت النتائج ما توقعته عمليات المحاكاة. فالآلة الفيزيائية، رغم قيودها في العالم الحقيقي والضجيج المتأصل في مكوناتها فائقة التوصيل، أنتجت نتائج تطابق البيانات المحاكات بشكل وثيق. في اختبار محدد يتعلق بحالة مكونة من اثنين من الكيوبت، حققت الأجهزة دقة بلغت 93.5 بالمائة. هذا التوافق الوثيق بين النموذج الافتراضي والآلة الفيزيائية هو مؤشر قوي على أن الإطار النظري يجسد بدقة كيفية سلوك المعالجات الكمومية الحقيقية. إنه يثبت أن الاتصالات الدقيقة التي يقيسها "الفرق الكمومي" ليست مجرد تجريدات رياضية، بل هي موارد ملموسة وقابلة للقياس يمكن تسخيرها في أجهزة اليوم.

تخلص الدراسة إلى أن "الفرق الكمومي" هو أكثر من مجرد فضول نظري؛ إنه أداة عملية للعصر الحالي من الحوسبة الكمومية. ومن خلال إظهار أن هذه الميزات يمكن للآلات تعلمها وأنها تظل فعالة تحت ظروف الضجيج الواقعية، فقد قدم الباحثون مسارًا جديدًا للمستقبل في تعلم الآلة الكمومية. فبدلاً من انتظار أجهزة كمبيوتر كمومية مثالية وخالية من الأخطاء، يمكن للعلماء الآن استخدام هذه الأساليب القائمة على "الفرق الكمومي" لبناء تطبيقات مفيدة على الأجهزة "المزعجة" المتاحة اليوم. هذا العمل يسد الفجوة بين النظرية المجردة والواقع التجريبي، ويقدم طريقة موثوقة لتشخيص واستغلال القدرات الفريدة للأنظمة الكمومية بينما تستمر في التطور.