لأكثر من أربعين عامًا، اعتمدت أبحاث الفوضى في الأنظمة الكمومية المعزولة على بصمات عامة مثل تنافر مستويات الطاقة (level repulsion) والترمج (thermalization) للحالات الذاتية. أما الأنظمة المفتوحة التي تتفاعل مع البيئة، فظلت مجالًا نظريًا لفترة طويلة: التوقعات حول الفوضى الكمومية التبددية كانت بانتظار التحقق التجريبي. بجانب هذا العمل، توجد في الأرشيف أبحاث حول الفوضى الكمومية في الأنظمة المغلقة، وبلورات الزمن، وتأثير الاضطراب على القياسات، لكن لم يتجاوز أي منها إطار الديناميكا الوحدوية (unitary dynamics).
على سلسلة من خمسة كيوبتات في معالج فائق التوصيل، نُفذت دائرتان: واحدة قابلة للتكامل (ذات فرميونات حرة) وأخرى فوضوية. عملت أربعة كيوبتات كنظام، وكيوبت واحد كبيئة مساعدة، والتي تم استبعادها بعد التطور بأخذ الأثر الجزئي (partial trace). لإعادة بناء الخريطة الكمومية، استُخدم التصوير المقطعي التدرجي مع مراعاة أخطاء التحضير والقياس. تم قطرنة القيم الذاتية للخريطة، وحُسبت النسب المركبة للمسافات إلى أقرب الجيران. لقمع الأخطاء المتماسكة، طُبقت تقنية باولي-توييرلينج (Pauli twirling).
بالنسبة للدائرة الفوضوية، يكون توزيع النسب المركبة للمسافات على شكل "كعكة مقضومة": الكثافة مكبوتة بالقرب من المركز وعلى طول المحور الحقيقي الموجب، مما يشير إلى تنافر المستويات. بالنسبة للدائرة القابلة للتكامل، تُلاحظ قمة حادة عند الصفر، مما يعني غياب الارتباطات. عند زيادة عمق الدائرة القابلة للتكامل من 5 إلى 50 طبقة، يتحول التوزيع تدريجيًا من القمة إلى شكل "الكعكة"، مما يُظهر تحولًا من القابلية للتكامل إلى الفوضى. كميًا، تنتقل القيم المتوسطة ⟨r⟩ و ⟨−cos θ⟩ من إحصاءات الفرميونات الحرة إلى مصفوفة عشوائية من الفئة AI.
هذا العمل يجعل الفوضى الكمومية التبددية قابلة للملاحظة تجريبيًا لأول مرة. على عكس الأبحاث المجاورة التي تركز على الأنظمة المغلقة، هنا لا تُعتبر الضوضاء عائقًا بل أداة: فهي تولد الديناميكا الفوضوية وتسمح بالتحكم فيها. هذا يفتح الطريق لاستخدام المعالجات الكمومية كمنصات اختبار للظواهر متعددة الجسيمات في الأنظمة المفتوحة.
يمكن توسيع الطريقة لدراسة التوطين متعدد الجسيمات التبددي (dissipative many-body localization)، والتحولات الطورية في الأنظمة المفتوحة، وفئات التناظر المختلفة للقنوات الكمومية. من الممكن أيضًا إنشاء مقياس تشغيلي لقياس أداء المنصات الكمومية بناءً على قابليتها للفوضى التبددية.
ستؤثر النتائج على تطوير طرق تصحيح الأخطاء واستراتيجيات المحاكاة الكمومية، حيث تؤثر الفوضى حتمًا على النتائج الحسابية.
اختبار عمومية التوزيعات المرصودة على عدد أكبر من الكيوبتات وعلى بنى أخرى. دراسة دور التناظرات وأنواع التبدد في الانتقال إلى الفوضى.
الصلة بالمشكلات غير المحلولة في الفيزياء الكمومية: كيف تنشأ الارتباطات الطيفية العامة في الأنظمة متعددة الجسيمات المفتوحة، وكيف تغير الضوضاء فئة العمومية. يقدم العمل أساسًا تجريبيًا لاختبار توقعات المصفوفات العشوائية في الحالة غير الهرمسية (non-Hermitian).
هذا القسم موجَّه إلى مؤلف العمل وزملائه. الأعمال المجاورة عثر عليها بحثٌ دلالي في أرشيفنا، لا بتطابق الكلمات. نحن لا نقيّم العمل: نعرض الحقل من حوله.
ماذا يفعل هذا العمل
في عملٍ على معالج فائق التوصيل بخمسة كيوبتات، تم لأول مرة رصد الفوضى الكمية التبددية (dissipative quantum chaos) تجريبيًا. باستخدام التصوير المقطعي التدرجي (gradient tomography)، أُعيد بناء الخريطة الكمية للنظام المفتوح، وحُسبت النسب المركبة للمسافات لقيمها الذاتية. بالنسبة للدوائر الفوضوية، حصلنا على توزيع على شكل "كعكة دائرية مجوفة" (bagel)، بينما للدوائر القابلة للتكامل كان هناك ذروة عند الصفر، ومع زيادة عمق الدائرة القابلة للتكامل، لوحظ تحول تدريجي نحو الفوضى بسبب الضوضاء الداخلية.
أين تكمن قوته
يجعل هذا العمل الفوضى الكمية التبددية قابلة للملاحظة تجريبيًا، ويستخدم الضوضاء كأداة لتوليد الديناميكا الفوضوية والتحكم فيها، مما يفتح الطريق لاستخدام المعالجات الكمية كمنصات اختبار للظواهر متعددة الأجسام المفتوحة.
إلى أين يمكن المضي
يستحق التجربة
لماذا قد يكون هذا مهمًا
يمكن للمنصة التجريبية للفوضى الكمية التبددية أن تصبح أساسًا لاختبار التنبؤات النظرية في الأنظمة متعددة الأجسام المفتوحة، بما في ذلك العلاقة بين الفوضى وفقدان الترابط (decoherence) والوصول إلى التوازن الحراري (thermalization).
أعمال قريبة في أرشيفنا
الأرشيف خالٍ حول هذا العمل: أقرب تحليل عند 0.56 فقط، مقابل 0.64 المعتادة. يبدو أن الحفر بجواره كان نادرًا.
الضوضاء الداخلية للمعالج، التي تُعتبر عادة عدوًا للدقة، لعبت هنا دور مصدر الفوضى: كلما كانت الدائرة أعمق، زادت الضوضاء في تدمير القابلية للتكامل وأدت إلى إحصاءات فوضوية.