تقليل ضوضاء الكيوبت

مصيدة صغيرة جدًا لشحنات مفردة، أي النقطة الكمومية، قادرة على احتجاز ثقب واحد. لكن بمجرد أن يهتزّ الشحن عند حدّ المادة، يبدأ الثقب داخل المصيدة بالارتجاف. وقد وجد المهندسون طريقة لتهدئة هذا الشحن المرتجف، وذلك باستبدال السلّم الحادّ بمنحدر لطيف. في الكعكة الطبقيّة من السيليكون والجرمانيوم تكون الحدود بين الطبقات عادةً حادّة.

مترجم في قاعة مزدحمة يحاول تمييز كلام شخص واحد، لكنه يسمع طنين مئات الأصوات. الجزيء الذي يخزن المعلومات الكمومية في الدوران المغزلي يجد نفسه في موقف مشابه: فالدوران المغزلي محاط بارتعاش حراري للذرات، وهذا الارتعاش هو الذي يمحو الذاكرة تدريجيًا. المهمة هي فهم أي الاهتزازات تحديدًا «تصرخ» فوق البقية.

في عام 1996، تساءل الفيزيائيون: ما مقدار الضوضاء التي يمكن أن تتحملها القناة الكمومية قبل أن تتوقف عن نقل المعلومات؟ تخيل مكالمة هاتفية حيث يتم استبدال كل كلمة ثالثة بضوضاء عشوائية — لا يزال من الممكن فهم المعنى.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل عازف هو كيوبت (qubit)، وهو النظير الكمومي للبت التقليدي، يعزف دوره الخاص لكنه كثيرًا ما يخطئ بسبب فك الترابط (decoherence) والاضطرابات الخارجية. ولكي لا تتحول الموسيقى إلى نشاز، نحتاج إلى قائد يسمع فورًا النغمات الخاطئة ويصححها.

الحاسوب الكمومي يمكن تخيله كأوركسترا، حيث كل عازف — كيوبت، بت كمومي للمعلومات — حساس للغاية للمؤثرات الخارجية. أدنى ضجيج، مثل التقلبات الحرارية أو التداخل الكهرومغناطيسي، يمكن أن يخرجه عن الإيقاع، محولًا لحن الحساب المتناغم إلى نشاز من الأخطاء.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا حيث يجب على كل عازف أن يعزف دوره دون أن يخطئ. في دور العازفين تظهر الكيوبتات — حاملات المعلومات الكمومية. لكي تعزف الأوركسترا بتناغم، نحتاج إلى كيوبتات موثوقة، قابلة للتحكم، وغير حساسة جدًا للضوضاء. من بين المنصات الواعدة، لفات الثقوب المحتجزة على ذرات الشوائب في أشباه الموصلات.

يشبه تعلم شبكة عصبية ضخمة على مئات العقد الحاسوبية إعداد الحساء بشكل جماعي: كل «طباخ» يتذوق الطبق ويخبر الآخرين بتعديلاته.

يقيس الحاسوب الكمومي طاقة الجزيء تقريبًا مثل شريط قياس قديم لا يحتوي إلا على تدرجات كل متر. إذا كان الطول الحقيقي للطاولة هو 2,37 متر، فسيظهر الشريط "مترين وشيئًا ما"، ولا يمكن أن يكون أدق من ذلك. يسمي الفيزيائيون هذا بالدقة: حجم الخطوة في الشبكة، التي لا يمكن القفز أصغر منها. يحول مؤلفو العمل الجديد هذا العيب إلى ميزة.

عقدة الذاكرة الكمومية هي ماسة صغيرة تحتوي على عيب قادر على تخزين وإصدار فوتونات مفردة. لكن ضوءها له طول موجة 637 نانومتر: أحمر مثل الياقوت، ويُمتص بالكامل تقريبًا بعد بضعة أمتار فقط من الألياف البصرية القياسية. للاتصال بعيد المدى، نحتاج إلى «مترجم» يعيد تلوين الفوتون إلى نطاق الاتصالات تحت الأحمر، حيث يكون الزجاج شبه شفاف. جمع العلماء محول تردد مدمجًا داخل الألياف البصرية نفسها.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره، لكن نغمة خاطئة واحدة قد تفسد السيمفونية كلها. لمنع ذلك، نحتاج إلى مستمع يلتقط النشاز فورًا دون أن يعيق العزف. هذا بالضبط ما صنعه الفيزيائيون: كاشف يجد الخلل في النظام الكمومي خلال 384 نانوثانية، دون أن يمسّ المعلومات نفسها تقريبًا. في قلب الجهاز عنصران فائقا التوصيل يخزنان البت الكمومي (qubit) مثل جناحَي طائر واحد.

الكيوبتات في الحاسوب الكمومي فائق التوصيل تشبه أوتارًا مشدودة بإحكام. عندما يمر جسيم من الفضاء أو من اضمحلال عنصر مشع، فإنه يضرب هذه الأوتار فتبدأ في الاهتزاز. هذا الاهتزاز يكسر الحالات الكمومية الهشة، وتضطرب الحسابات. كلما زاد عدد الكيوبتات في الجهاز، زادت احتمالية أن يصيب جسيم ما هدفه. تتبع العلماء كيفية تضاؤل الاهتزاز بعد الضربة بالضبط.

الكيوبت يشبه وترًا يجب أن يتجمد قبل بدء اللحن. إذا كان يهتز، تبدأ الموسيقى بنغمة خاطئة. في أجهزة الكمبيوتر الكمومية، تلعب الكيوبتات فائقة التوصيل دور هذا الوتر. قبل كل عملية حسابية، يجب تهدئتها إلى الحالة الأرضية، وإلا كانت الأخطاء حتمية. عادةً ما يتم تبريد الكيوبت بإشارات كهربائية أو بانتظار أن يفقد الحرارة بنفسه. لكن هذه الطرق تترك "اهتزازًا" متبقيًا: حوالي واحد من كل مئة كيوبت لا يهدأ تمامًا.

سطح النيوبيوم المصقول حديثًا يلمع كالمرآة. لكن بعد دقائق قليلة تظهر عليه طبقة أكسيد باهتة لا تُرى بالعين المجردة. بالنسبة للكيوبت فائق التوصيل، هذه الطبقة مثل الرمل في الساعة: إنها تجعل الحالة الكمومية تنهار قبل أوانها. كلما طالت مدة "تنفس" الكيوبت للهواء، زادت سرعة نسيانه لمعلوماته الكمومية.

داخل كل خلية توجد شبكة من الأنابيب الرفيعة — الأنابيب الدقيقة. تعمل هذه الأنابيب كسقالات بناء وقضبان في الوقت نفسه: فهي تحافظ على شكل الخلية وتنقل البضائع. تتكون هذه الأنابيب من بروتين التوبيولين (tubulin) وتتوهج بشكل طبيعي خافت تحت الأشعة فوق البنفسجية.

تخيل بندولين على طاولة صلبة، كل منهما يتأرجح بمفرده دون أن يلاحظ الآخر. لكن عند وضعهما على لوح مهتز مشترك، تنتقل الاهتزازات عبر الدعامة، فيبدأ البندان في التأرجح بشكل متزامن. مبدأ مشابه تم تحقيقه مؤخرًا في المجال الكمومي، على شريحة سيليكون مع فوتونات، وهي كمات الضوء. في التجربة، تم إنشاء مصدرين مستقلين يصدران أزواجًا من الفوتونات.

يعمل التلدين الكمومي مثل بحث ذكي عن المسار في متاهة: بدلاً من فحص جميع الطرق المسدودة، يستخدم التأثيرات الكمومية لإيجاد المخرج بشكل أسرع. لكن لهذه المتاهة خصوصية: الأرقام التي تصف الجدران والممرات يجب أن تكون متقاربة الحجم تقريباً. إذا كان أحد الأرقام ضخماً والآخر صغيراً جداً، فإن أجهزة الحاسوب الكمومي تبدأ في ارتكاب الأخطاء.

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشاكل لا تستطيع الحواسيب العادية حلها. لكن مكوناتها — البتات الكمومية — حساسة للغاية. أحد أنواع هذه البتات هو دارة تذبذبية يمكن أن تتواجد في حالتين، مثل بندول يتأرجح يسارًا أو يمينًا. وهاتان الحالتان تخزنان المعلومات. ومع ذلك، عندما تعمل عدة بتات بجانب بعضها البعض، فإنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض.

الحساس الحديث في المستشفى يشبه ميكروفونًا حساسًا في قاعة صاخبة. يلتقط إشارة ضعيفة من القلب أو الدماغ، لكن معها يلتقط أزيز الأجهزة، وخطوات الأقدام، وأنفاس الجيران. فصل الصوت المطلوب عن التشويش علمٌ قائم بذاته. تعد الحساسات الكمومية بسماع ما لا تقوى عليه الحساسات العادية، لكنها هي أيضًا تغرق في الضجيج حتى الآن. يصنّف مؤلفو المقال هذه الحساسات على درجات.

يمكن إطلاق صوت في بلورة بتردد عالٍ لدرجة أن الأذن البشرية لا تسمعه، وجعل هذا الصوت يدور في حلقة مثل قطار على طريق دائري. أخذ المهندسون طبقة رقيقة من نيتريد السيليكون، ووضعوها على ركيزة من نوبات الليثيوم، وقطعوا فيها مسارات للموجات الصوتية. النتيجة رقاقة صوتية بحجم الظفر، تتحرك فيها موجات بتردد حوالي مليار اهتزازة في الثانية دون خسائر تذكر.

في البطاريات الكمومية، يمكن تسريع الشحن إذا أُعيد ترتيب خطواته في الزمن مثل قطع الأحجية. فبدلاً من النمو المنتظم للطاقة، تحدث انفجارات حادة في الكفاءة، مثل مستعرات عظمى مجهرية داخل الذرات. وتتكرر هذه الدفقات بدقة النجوم النابضة الكونية، لكن بمعدل أسرع بمليارات المرات.

الكيوبت (البت الكمومي) يشبه همسًا خافتًا وسط ضجيج الأصوات. المضخم العادي يجعل الهمس أعلى، لكنه يضخم الضجيج أيضًا، مما يصعّب تمييز الجوهر. ابتكر الفيزيائيون جهازًا بارعًا يولّد إشارتين متماثلتين - الهمس الأصلي وصداه - على ترددين مختلفين.

عادةً ما يستغرق الشاي الساخن وقتًا أطول ليبرد مقارنةً بالشاي الفاتر، لكن الماء يكسر هذه القاعدة أحيانًا: ففي ستينيات القرن الماضي، لاحظ التلميذ إراستو مبيمبا أن المثلجات الساخنة تتجمد أسرع من الباردة. انتقلت هذه المفارقة إلى العالم الكمومي: إذ يمكن لمجموعة من الجسيمات أن تهدأ بسرعة أكبر إذا كانت في البداية أكثر إثارة.

الكمبيوتر الكمومي مثل أوركسترا، حيث يجب على كل عازف أن يدخل في الوقت المحدد تمامًا. أدنى حفيف في القاعة يشتت انتباه عازف الكمان، ويتفكك اللحن. في رقائق السيليكون، يلعب الضجيج الكهربائي دور هذه الحفيفات: تقلبات عشوائية في الشحنة داخل المادة. إنها تجعل البتات الكمومية ترتكب أخطاءً. قرر المهندسون معرفة كيف يرتبط تصميم الرقاقة نفسه بهذا الضجيج.

البت الكمومي يشبه قمة دوارة يجب أن تدور لفترة طويلة دون أن تتمايل. في الجرمانيوم، تعلمنا كيفية إطلاق مثل هذه القمم، لكن الأرضية من حولها تهتز دائمًا: التداخلات الكهربائية تعطل الدوران. لجعل الأرضية أكثر استواءً، عادةً ما تُوضع طبقة سميكة من السيليكون-الجرمانيوم في الأعلى، وهي مثل سجادة تخفف الخطوات.

داخل البروتون، تتشابك الكواركات مع بعضها عبر الغلوونات (gluons) كما لو كانت مرتبطة بنوابض. إذا حرّرت كواركًا واحدًا، يتمدد النابض وينقطع، مولّدًا كواركًا جديدًا. هكذا يعمل التفاعل القوي، ويكاد يكون من المستحيل حسابه في الزمن الحقيقي على حاسوب تقليدي: فالاحتمالات كثيرة جدًا ومتشابكة. على المسرح يظهر الحاسوب الكمومي.

الكون يتمدد، ويريد العلماء معرفة سرعة هذا التمدد ومما يتكون. ولتحقيق ذلك، يقارنون البيانات القادمة من انفجارات النجوم البعيدة، والموجات الصوتية في الكون المبكر، والتوهج الخافت المتبقي من الانفجار العظيم. كل مجموعة بيانات هي كقطعة من فسيفساء، ويجب تجميعها لتكوين صورة كاملة. الخوارزمية الكمومية الجديدة المسماة AEQGA تعمل كمربٍّ في مشتل.

وصفة خبز مكتوبة بحبر متلاشٍ: بينما تقرأها، يذوب الأصل. هكذا تتصرف الكيوبتات — أي قياس يغيرها بلا رجعة. حظر نسخها تنص عليه مبرهنة عام 1982 (Вуттерс، Зурек): يحتوي الكيوبت على энтропия — معلومات مجهولة لا يمكن ببساطة مضاعفتها. لكن يمكن إنشاء نسختين مشفرتين بمفتاح واحد.

قطعة النقد المقلوبة هي أبسط مولّد للعشوائية. لكن إذا عُدّلت القطعة، فإنها تبدأ بالغش. في العالم الكمومي، يلعب الضوء دور القطعة: فخصائصه غير قابلة للتنبؤ من حيث المبدأ. المشكلة أن الجهاز الذي «يقلب» القطعة الكمومية قد يكون معطوبًا أو حتى مستبدلًا من قبل مخرب. بَنى مؤلفو الدراسة مولّدًا لا يتطلب ثقة كاملة في مكوناته. يكفي فقط تقييد طاقة الحالات الضوئية المنبعثة — كما لو كنا نراقب ألا تكون القطعة ثقيلة جدًا.

تنقل الألياف البصرية الضوء، لكنه يهتز ويخفت على طول الطريق. ولكي يحصل الطرفان على نفس المجموعة العشوائية من الأرقام للتشفير، يعمل في جهاز الاستقبال مصحح رقمي — مثل مانع الضوضاء في سماعات الرأس الذي يطرح ضجيج الشارع، لكنه أحيانًا يبتلع معه النغمات الهادئة من الموسيقى. في توزيع المفاتيح الكمومية، هذا المصحح هو خوارزمية ديناميكية: فهو يتكيف باستمرار مع الظروف المتغيرة للقناة.

تعد الحواسيب الكمومية بوصف دقيق للجزيئات، لكن مشكلتها الرئيسية هي الضوضاء. فكل كيوبت إضافي وكل عملية إضافية تضيف أخطاءً. ابتكر الكيميائيون والفيزيائيون طريقة لحساب الجزيئات بنصف عدد الكيوبتات: طريقة HSQD. فهي تأخذ عينة كمومية — مثل عينة تربة من بئر — وترسلها إلى حاسوب تقليدي لمعالجتها بدقة.

الحاسوب الكمومي آلة تعمل فيها الكيوبتات بدل البتات التقليدية. يمكن للكيوبت أن يكون صفرًا أو واحدًا، أو الاثنين معًا في آنٍ واحد. إحدى طرق صنع كيوبت هي أخذ إلكترون وجعله يحوم فوق سطح الهيليوم السائل. يُبرَّد الهيليوم إلى درجة حرارة أقل من درجتين فوق الصفر المطلق.

في مستقبل تلسكوب موجّه نحو أقدم توهج في الكون، توجد صفيحة صغيرة تعمل كمقياس حرارة. إنها حساسة للغاية لدرجة أن حرارة فوتون واحد يمكن أن تُسخّنها بشكل ملحوظ. ولكن لسماع هذا الهمس الحراري، نحتاج إلى وسيط — مضخم لا يضيف ضجيجًا خاصًا به. أصبح هذا الوسيط عبارة عن سلسلة من مرحلتين من الحلقات فائقة التوصيل — أجهزة SQUID.

الحاسوب الكمومي كأوركسترا، كل عازف فيها يعزف دوره الخاص، لكنه أحيانًا يخطئ. ولكي لا تتحول الموسيقى إلى نشاز، نحتاج إلى قائد يصحح الأخطاء في الوقت المناسب. في الحوسبة الكمومية، تقوم رموز تصحيح الأخطاء بدور قائد الأوركسترا. فهي تفحص باستمرار حالة الكيوبتات (البتات الكمومية) وتُخبرنا أين حدث الخلل. لكن قائد الأوركسترا نفسه قد يُخطئ.

العدد 551 يبدو غير مؤذٍ، لكن إيجاد عددين أوليين حاصل ضربهما يساويه ليس بالمهمة السهلة. الحاسوب التقليدي يجرب الاحتمالات واحدًا تلو الآخر، كشخص يبحث عن مفتاح في سلسلة مفاتيح. أما المعالج الكمومي فيعمل بشكل مختلف: إنه يجرب كل الاحتمالات في آن واحد، لكننا نحتاج إلى طريقة لتوجيهه نحو الإجابة الصحيحة. عادةً، تُستخدم دوائر معقدة أو حسابات طويلة على حاسوب تقليدي لضبط الجهاز الكمومي.

تخيل أنك تحضّر الفشار. الميكروويف يوجّه الطاقة مباشرة إلى الحبوب، دون أن يهدرها تقريبًا في تسخين الطبق أو الهواء. أما الموقد الغازي فيسخّن الشعلة والهواء المحيط، فيذهب جزء كبير من الطاقة «هباءً». هذا التشبيه المنزلي يعكس جيدًا الفرق بين شريحة كمومية فوتونية وحاسوب فائق تقليدي عند حل مسألة خاصة اقترحها سكوت آرونسون.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف، وإشارات التحكم هي قائد الأوركسترا. إذا كان قائد الأوركسترا يحرك عصاه بدقة غير كافية، يضطرب العازفون. في الجهاز الحقيقي، تمر الإشارات عبر مضخمات القدرة — مثل مكبرات الصوت التي تضيف ضوضاء وتشويهًا. ولهذا، تنفذ الكيوبتات العمليات مع أخطاء.

المستشعر الكمومي يشبه خط تلغراف ينقل رسالة فائقة الحساسية. أي تشويش بسيط يشوه الإشارة. كان يُعتقد سابقاً أن القياس الدقيق يتطلب "مشغّل تلغراف" لا يخطئ - أي نظاماً مثالياً لتصحيح الأخطاء. لكن عملياً، جميع العناصر تتعرض للضوضاء. النهج الجديد يسمح بالأخطاء في كل خطوة: عند الإرسال، وأثناء التدقيق، وعند الاستقبال.

إن اكتشاف إشارة ضعيفة على خلفية من ضوضاء يشبه محاولة سماع جرس بعيد في عاصفة. التضخيم المعتاد يجعل الضجيج أكثر صممًا فحسب. تصحيح الأخطاء الكمومي يحل المشكلة بطريقة غير متوقعة. هذه الحيلة، التي ابتُكرت أصلًا لحماية الحواسيب الكمومية من الأخطاء، تعمل كمرشّح ذكي: فهي لا تقطع الضوضاء فحسب، بل تشوّه الإشارة نفسها عن عمد.

المادة المظلمة هي مادة غير مرئية، كتلتها أكبر بنحو خمس مرات من كتلة المادة العادية (الباريونية). جسيماتها الافتراضية تتفاعل بشكل ضعيف للغاية مع الذرات: فهي تخترق المادة دون أن تترك أثرًا تقريبًا، لكنها قد تتناثر أحيانًا على إلكترون — تمامًا كما تلامس نسمة ريح وترًا مشدودًا فتُحدث اهتزازًا بالكاد يُلحظ.

يبدأ بناء أجهزة استشعار فائقة الحساسية لتطبيقات الفوتومترية — قياس خصائص الضوء والتحليل الطيفي — تحليل التركيب الطيفي للإشعاع برنانات مجهرية — غرف بصرية ينعكس فيها الضوء مراراً وتكراراً، مثل الصدى في بئر عميقة.