علماء الكمبيوتر يثبتون أن الحرارة تدمر التشابك الكمي – مجلة كوانتا

قبل ما يقرب من قرن من الزمان، لفت الفيزيائي إروين شرودنجر الانتباه إلى غرابة في عالم الكم، والتي أذهلت الباحثين وأزعجتهم منذ ذلك الحين. فعندما تتفاعل الجسيمات الكمومية مثل الذرات، فإنها تتخلى عن هويتها الفردية لصالح حالة جماعية أعظم وأغرب من مجموع أجزائها. وتسمى هذه الظاهرة التشابك.

يتمتع الباحثون بفهم راسخ لكيفية عمل التشابك في الأنظمة المثالية التي تحتوي على عدد قليل من الجسيمات. لكن العالم الحقيقي أكثر تعقيدًا. في مجموعات كبيرة من الذرات، مثل تلك التي تشكل الأشياء التي نراها ونلمسها، تتنافس قوانين الفيزياء الكمومية مع قوانين الديناميكا الحرارية، وتصبح الأمور فوضوية.

عند درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكن للتشابك أن ينتشر على مسافات طويلة، فيغلف العديد من الذرات ويؤدي إلى ظواهر غريبة مثل الموصلية الفائقة. ولكن إذا ارتفعت درجة الحرارة، فإن الذرات ترتعش، مما يؤدي إلى تفكك الروابط الهشة التي تربط الجسيمات المتشابكة.

لقد كافح علماء الفيزياء لفترة طويلة لتحديد تفاصيل هذه العملية. والآن، تمكن فريق من أربعة باحثين من التوصل إلى هذه النتيجة. ثبت إن التشابك لا يضعف فقط مع ارتفاع درجة الحرارة. بل في النماذج الرياضية للأنظمة الكمومية مثل صفوف الذرات في المواد الفيزيائية، هناك دائمًا درجة حرارة محددة يختفي فوقها التشابك تمامًا. “ليس الأمر مجرد أنه صغير بشكل كبير”، كما يقول انكور مويترا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أحد مؤلفي النتيجة الجديدة. “إنها صفر”.

كان الباحثون قد لاحظوا في السابق تلميحات لهذا السلوك وأطلقوا عليه اسم “الموت المفاجئ“إن التشابك الكمومي ليس مجرد ذريعة. ولكن الأدلة التي توصلوا إليها كانت دائماً غير مباشرة. أما الاكتشاف الجديد، على النقيض من ذلك، فيتمتع بقوة الإثبات الرياضي. فهو يثبت غياب التشابك الكمومي بطريقة أكثر شمولاً ودقة.

ومن الغريب أن الباحثين الأربعة الذين توصلوا إلى النتيجة الجديدة ليسوا حتى من علماء الفيزياء، ولم يكن هدفهم إثبات أي شيء عن التشابك. بل إنهم علماء كمبيوتر عثروا على الدليل بالصدفة أثناء تطوير خوارزمية جديدة.

وبغض النظر عن نواياهم، فقد أثارت النتائج حماس الباحثين في هذا المجال. وقال أحد الباحثين: “إنها عبارة قوية للغاية”. سونون تشوي“، وهو فيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “لقد أعجبني ذلك كثيرًا.”

إيجاد التوازن

توصل الفريق إلى اكتشافه أثناء استكشاف القدرات النظرية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية – وهي الآلات التي ستستغل السلوك الكمومي، بما في ذلك التشابك والتراكب، لإجراء حسابات معينة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي نعرفها اليوم.

أحد أكثر التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية هو دراسة الفيزياء الكمومية ذاتها. لنفترض أنك تريد فهم سلوك نظام كمي. يحتاج الباحثون أولاً إلى تطوير إجراءات أو خوارزميات محددة يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدامها للإجابة على أسئلتك.

ولكن ليس من السهل الإجابة على كل الأسئلة المتعلقة بالأنظمة الكمومية باستخدام الخوارزميات الكمومية. فبعض هذه الأسئلة سهل بنفس القدر بالنسبة للخوارزميات الكلاسيكية، التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر العادية، في حين أن بعضها الآخر صعب بالنسبة للخوارزميات الكلاسيكية والكمية على حد سواء.

ولفهم أين قد تقدم الخوارزميات الكمومية وأجهزة الكمبيوتر التي يمكنها تشغيلها ميزة، غالبًا ما يحلل الباحثون نماذج رياضية تسمى أنظمة الدوران، والتي تلتقط السلوك الأساسي لمصفوفات الذرات المتفاعلة. ثم قد يسألون: ماذا سيفعل نظام الدوران عندما تتركه بمفرده عند درجة حرارة معينة؟ تحدد الحالة التي يستقر فيها، والتي تسمى حالة التوازن الحراري، العديد من خصائصه الأخرى، لذلك سعى الباحثون منذ فترة طويلة إلى تطوير خوارزميات للعثور على حالات التوازن.

إن ما إذا كانت هذه الخوارزميات تستفيد حقاً من كونها كمية في طبيعتها يعتمد على درجة حرارة نظام الدوران المعني. ففي درجات حرارة عالية جداً، تستطيع الخوارزميات الكلاسيكية المعروفة أن تؤدي المهمة بسهولة. وتزداد المشكلة صعوبة مع انخفاض درجة الحرارة ونمو قوة الظواهر الكمية؛ ففي بعض الأنظمة يصبح من الصعب للغاية حتى على أجهزة الكمبيوتر الكمية حلها في أي فترة زمنية معقولة. ولكن تفاصيل كل هذا تظل غامضة.

“متى تذهب إلى الفضاء حيث تحتاج إلى الكم، ومتى تذهب إلى الفضاء حيث لا يساعدك الكم حتى؟” قال إيوين تانغ“لا نعرف الكثير عن هذا الأمر”، هذا ما قاله باحث في جامعة كاليفورنيا في بيركلي وأحد مؤلفي النتيجة الجديدة.

في فبراير، بدأ تانغ ومويترا التفكير في مشكلة التوازن الحراري مع اثنين آخرين من علماء الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: باحث ما بعد الدكتوراه يدعى أينيش باكشي وطالب الدراسات العليا في مويترا ألين ليوفي عام 2023، تعاونوا جميعًا على خوارزمية كمية رائدة لمهمة مختلفة تتضمن أنظمة الدوران، وكانوا يبحثون عن تحدٍ جديد.

قال باكشي: “عندما نعمل معًا، تسير الأمور بسلاسة. لقد كان الأمر رائعًا”.

قبل ذلك الاختراق الذي سيتحقق في عام 2023، لم يكن الباحثون الثلاثة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قد عملوا قط على خوارزميات الكم. وكانت خلفيتهم في نظرية التعلم، وهو مجال فرعي من علوم الكمبيوتر يركز على الخوارزميات المستخدمة في التحليل الإحصائي. ولكن مثلهم كمثل الشركات الناشئة الطموحة في كل مكان، فقد نظروا إلى سذاجتهم النسبية باعتبارها ميزة، ووسيلة لرؤية المشكلة بعيون جديدة. يقول مويترا: “إن إحدى نقاط قوتنا هي أننا لا نعرف الكثير عن الكم. الكم الوحيد الذي نعرفه هو الكم الذي علمنا إياه إوين”.

قرر الفريق التركيز على درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا، حيث اشتبه الباحثون في وجود خوارزميات كمية سريعة، على الرغم من عدم تمكن أحد من إثبات ذلك. وسرعان ما وجدوا طريقة لتكييف تقنية قديمة من نظرية التعلم إلى خوارزمية سريعة جديدة. ولكن أثناء كتابة بحثهم، خرج فريق آخر بفكرة مفادها أن هذه الخوارزميات يمكن أن تكون مفيدة في حل هذه المشكلة. نتيجة مماثلة: دليل على أن خوارزمية واعدة كانت المنتجات التي تم تطويرها في العام السابق ستعمل بشكل جيد في درجات الحرارة المرتفعة. لقد تم جرفها.

الموت المفاجئ يولد من جديد

شعرت تانغ وزملاؤها بخيبة أمل قليلاً لأنهم جاءوا في المركز الثاني، وبدأت المراسلة مع ألفارو الحمراءكان الهامبرا، وهو فيزيائي في معهد الفيزياء النظرية في مدريد وأحد مؤلفي الورقة البحثية المنافسة، يريدان معرفة الاختلافات بين النتائج التي توصلا إليها بشكل مستقل. ولكن عندما قرأ الهامبرا مسودة أولية لإثبات الباحثين الأربعة، فوجئ باكتشاف أنهم أثبتوا شيئًا آخر في خطوة وسيطة: في أي نظام دوران في حالة توازن حراري، يختفي التشابك تمامًا فوق درجة حرارة معينة. قال الهامبرا: “أخبرتهم،” أوه، هذا مهم جدًا جدًا “.