عملية كيوبت مفرد

في غرفة هادئة لا يوجد فيها أي مغناطيس، لا يزال إلكترونان في مصيدة سيليكونية يشعران بارتعاش خفيف. هذا الارتعاش تخلقه نوى ذرات السيليكون والجرمانيوم، التي تدور بشكل عشوائي مثل إبر البوصلات المكسورة. في الماضي، كان يُعتبر هذا الارتعاش عائقًا، لكنه الآن أصبح أداة قياس بحد ذاته. قام فيزيائيون من مختبرات HRL بتصنيع جهاز يحتوي على ست نقاط كمومية، لكنهم استخدموا نقطتين فقط، تُعرفان بـ P5 وP6.

الغرافين — بلورة كربون ثنائية الأبعاد بسماكة ذرة واحدة — قادر على تغيير خصائصه المغناطيسية مثلما يغير الماء حالته: تارةً يتدفق سائلاً، وتارةً يتجمد جليداً. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون لأول مرة الديناميكا الداخلية لهذه العملية باستخدام مستشعر بحجم رأس الإبرة.

ذرة إربيوم مفردة مثبتة على ركيزة فضية تخزن المعلومات الكمومية في دورانها – الزخم الزاوي الذاتي للإلكترون، والذي يمكن تصوره كدوران داخلي. حتى وقت قريب، كان قلب هذا الدوران يتطلب نبضة مغناطيسية – أداة خشنة تؤثر على الذرات المجاورة وتعمل ببطء. الآن، أظهر فيزيائيون من ألمانيا وكوريا أن جهدًا كهربائيًا واحدًا يكفي.

تخيل جسيمًا كموميًا يتحرك على مسار مغلق، مثل قطار على خط دائري في مترو الأنفاق. في كل محطة يحدث له شيء ما — على سبيل المثال، تتغير خصائصه الداخلية قليلًا. بعد إكمال الدورة الكاملة، يعود الجسيم إلى نقطة البداية، لكن حالته لم تعد تمامًا كما كانت في البداية. هذا ليس خطأً، بل ميزة أساسية: التحول النهائي، المسمى أحادية اللحظة (monodromy) (الإزاحة الكلية خلال الدورة)، يحتفظ بذاكرة المسار بأكمله.

وصلة جوزيفسون هي جسر من مادة فائقة التوصيل يفصل بين طرفيه طبقة عازلة رقيقة جدًا. يمر عبره تيار حتى في غياب الجهد الكهربائي. لكن عندما يصبح التيار كبيرًا جدًا، يبدأ الجسر في التذبذب، وتظهر على منحنى الجهد درجات منتظمة — درجات شابيرو. بين هذه الدرجات تختبئ فجوات غير مرئية حيث يتصرف النظام بشكل غريب. في السابق، كان يُنظر إليها على أنها مجرد فضول رياضي. مؤلفو الدراسة كشفوا في هذا الفضول ارتباطًا عميقًا.

راقصان على المسرح يجب أن يتحركا بتزامن لا تشوبه شائبة، لكن إذا تردد أحدهما لحظة، يفسد الأداء بأكمله. هكذا تقريبًا تعمل الحواسيب الكمومية على الذرات المتعادلة: يتم تشابك ذرتين بنقلهما إلى حالة ريدبيرغ (حالة ضخمة، مثل بالون مقارنة بذرة عادية)، ثم ننتظر حتى "ترقصا" رقصتهما. المشكلة أن هذه الرقصة تستغرق عادةً مئات النانوثواني. خلال هذا الوقت، قد تنفجر الذرة-البالون، لأن حالة ريدبيرغ غير مستقرة وتضمحل بسرعة.

غشاء طبلة الأذن عند حافة شلال. الصوت هنا يتصرف بغرابة: الصدى لا يتضاعف، بل يخفت. هكذا تبدو الموجات الثقالية عند أفق الثقب الأسود — الحد الذي يختفي خلفه حتى الضوء. أخذ علماء بقيادة جيرارت هوفت معادلات الزمكان المنحني و«مدّوها» بالقرب من أفق شفارتزشيلد.

الإلكترونات في المادة الصلبة عادةً إما تتحرك بحرية (معدن) أو تكون محبوسة في مكانها (عازل). لكن أحيانًا، التنافر المتبادل القوي يحبسها في حالة نصفية: الشحنات ثابتة، بينما السبينات — الأسهم المغناطيسية الصغيرة — تواصل حياتها الخاصة. يُسمى هذا عازل موت. مؤلفو العمل الجديد بنوا سلسلة ذرية أحادية البعد من نوعين — A و B.

الكيوبتات فائقة التوصيل هي القلب النابض لـ الحواسيب الكمومية، لكن إيقاعها يضطرب بفقدان التماسك: حيث تذوب الكمومية في الضوضاء. البنى التقليدية إما تفقد دقة التحكم، أو تعتمد على المجالات المغناطيسية — وهذه، كقادة أوركسترا غير مدعوين، تُدخل تداخلاً متبادلاً. أليكسي كيتايف ابتكر الحماية التماثلية — وسيلة لترميز الكيوبت بحيث لا تراه ضوضاء الشحنة.

تعاني الحوسبة الكمومية من 'نغمات نشاز' — أخطاء تنشأ عند أدنى عدم دقة. الآن يتم التخلص منها بدقة ضبط بيانو الحفلات الموسيقية. تعود الفكرة إلى أحلام الرواد — ديفيد دويتش وبيتر شور — بعمليات خالية من العيوب. تعمل الطريقة كضابط مثالي: تلتقط التنافرات وتصحح المعلمات فورًا. دوائر خاصة تضخم إشارة الخطأ، كأنها تسلط الضوء على وتر غير مضبوط.

يشبه الثقب الأسود خزنة تفرغ محتوياتها ببطء — الطاقة والمعلومات — عبر توهج خافت يُدعى إشعاع هوكينغ. لكن إذا فُتحت الخزنة بسرعة كبيرة، قد يشتعل على حدودها «جدار نار» — منطقة تتوقف فيها قوانين الفيزياء المألوفة عن العمل. في الدراسة الجديدة، عقد الفيزيائيون نموذج هذه الخزنة.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف — وهو الكيوبت — أن يعزف دوره بدقة وفي الوقت المناسب. عادةً ما يُجلَس العازفون في أماكن ثابتة وتُربط بينهم أسلاك تشبه منصات القيادة.

ينكمش النجم تحت ثقله — وفي لحظة ما يصير مصيره رهينًا لتوازن دقيق. الفيزياء الكلاسيكية ترسم صورة قاتمة: إذا كانت الكتلة وقوة الانضغاط مضبوطتين بدقة مروعة، يولد ليس ثقبًا أسود، بل «تفردًا عاريًا». إنها نقطة كثافة لا نهائية، مكشوفة لكل رياح الكون، دون حجاب منقذ. بالنسبة للعلماء، هذا السيناريو كابوس يقظة: في جوار التفرد العاري تفقد قوانين الطبيعة قوتها، ويستحيل التنبؤ بأي شيء.

بطارية الليثيوم تشبه مدينة صغيرة: أيونات الليثيوم هي السكان الذين ينتقلون بين أحياء الأقطاب الكهربائية، مولّدين التيار. لكن لفهم كمية الطاقة التي يمكن أن تقدمها المدينة، لا يكفي معرفة تخطيط الشوارع (بنية المادة) فحسب، بل أيضًا كيفية تفاعل السكان مع الجيران ووسائل النقل وحتى الطقس. في فيزياء البطاريات، يُطلق على هذا اسم التبادل مع الخزانات — الإلكترونية والأيونية والحرارية.

الجسيم الكمومي، عندما يجري عبر حلقة مغلقة، يترك على مساره «سجلين» مختلفين. الأول – كبصمة إصبع على مقبض الباب: يبقى دون تغيير مهما أدرت المقبض، ويخبر فقط عن الشكل والمادة. في الفيزياء، يُسمى هذا هولونوميا ويلسون (Wilson holonomy) – وهو مسؤول عن تداخل الموجات ونقل السبين الداخلي (الإبرة المغناطيسية الصغيرة للجسيم) دون النظر إلى الطاقة.

ثلاثة أوتار غيتار على آلة واحدة، لكن مفاتيح الشدّ لكل وتر تدور بقوة مختلفة: واحد يستجيب فورًا، وآخر تديره بصعوبة، والثالث عالق تمامًا. هكذا تقريبًا يبدو العمل مع النقاط الكمومية السيليكونية — جزر صغيرة من الكيوبتات، حيث يتطلب كل واحد «جهد شدّ» كهربائيًا خاصًا به ليصدر نغمة صحيحة. السبب هو شحنات عشوائية عالقة على الحدود بين السيليكون وأكسيده، مثل حبيبات الرمل في زيت آلية.

حتى في حالة السكون التام، تصدر الذرات ضوضاء خافتة — وهي ارتجافة كمومية حتمية، تنبأ بها الجدل الشهير بين أينشتاين وبور. هذه الضوضاء، التي تشبه همسًا لا ينقطع، تعمل على تشويش أهداب التداخل الناشئة عند مرور الذرات عبر شق، وكان يُعتقد لفترة طويلة أن تجاوز هذا الحد الأساسي أمر مستحيل.

يمكن تشبيه مصدر الفوتونات الاعتيادي بمدخل مبنى يحرسه بواب واحد. يحاول أن يسمح بمرور الزوار فرداً فرداً، لكن أحياناً تتسلل ثنائيات. يسمي الفيزيائيون هذه معضلة النقاء: يجب أن تأتي الفوتونات منفردة بدقة، وإلا تتعطل الحسابات الكمومية. كانت الطرق القديمة تمنع الأزواج بشدة، لكن السطوع ينخفض آنذاك - كما لو أن البواب يدقق طويلاً على كل شخص فتتكدس طوابير. يضيف الأسلوب الجديد بوابين اثنين يعملان بتناغم.

الجاذبية هي شبكة كونية: الأجسام الضخمة تمددها، والأجسام الخفيفة تتدحرج على انحنائاتها — هذه هي الصورة الكلاسيكية التي تجسدها النظرية النسبية العامة لأينشتاين. ولكن عندما ننزل إلى عالم الذرات، تفشل هذه الاستعارة: على المقاييس الكمومية، يبدأ الزمكان في الاهتزاز بشكل فوضوي، وتنتج معادلات الجاذبية قيمًا لا نهائية.

الذرة مثل قائد الأوركسترا، والضوء داخل الرنان هو الأوركسترا. تبادل الطاقة بينهما، المعروف باسم تفاعل جينز-كمينغز (جزء من النموذج القياسي)، يسمح للذرة بتغيير إيقاع ونغمة التذبذبات بحركات "العصا". لكن حتى الآن، كان بإمكان القائد أداء عدد قليل فقط من المقطوعات المُعدّة مسبقًا — مجموعة الحالات المتاحة للمجال الضوئي كانت محدودة.

إذا حملتَ فنجان قهوة بهدوء وثبات عبر الغرفة ثم عدت إلى نفس المكان، فلن يحدث شيء للمشروب. لكن في العالم الكمومي، الأمر مختلف: جسيم يقطع دائرة مماثلة لا يعود كما كان تمامًا. يكتسب "زيادة" خفية — طورًا هندسيًا يسميه الفيزيائيون طور بيري. هذه الإضافة تعتمد فقط على شكل المسار، وليس على زمن الرحلة.

البندول العادي يتأرجح بنفس التردد الذي يُدفع به. لكن في العالم الكمي يمكن إنشاء نظام يستجيب للدفعة ببطء مضاعف أو ثلاثي أو أكثر — وكأن له إيقاعه الخاص. تُسمى هذه الأنظمة بالبلورات الزمنية المنفصلة (discrete time crystals). حتى الآن، اقتصرت几乎所有 التجارب على مضاعفة الفترة على أبسط العناصر — الكيوبتات (qubits) (المكافئ الكمي للبت بحالتين).

أجهزة الكمبيوتر الكمومية في السحابة تشبه مكتب البريد: ترسل رسالة، ويقرأ شخص آخر العنوان والمحتوى. في الحوسبة التقليدية، يرى الخادم بياناتك وخوارزميتك. أما الحوسبة الكمومية العمياء فهي مغلف لا يمكن فتحه: الخادم يؤدي العمل لكنه لا يعرف ما يفعله بالضبط. بنى المؤلفون نظامًا من شريحتين فائقتين للتوصيل متصلتين وجهًا لوجه.

تؤكد أجهزة الكشف الحديثة عن الموجات الثقالية أن الثقوب السوداء ليست تجريدًا رياضيًا، بل أجسامًا حقيقية. يمكن تشبيه الزمكان بنطاط عملاق: النجوم الضخمة تضغطه فتنحني نسيج الواقع.

كان الكون المبكر يشبه بالونًا يُنفخ بسرعة كبيرة — كان يتوسع بسرعة لدرجة أن الضوء لم يكن قادرًا على اللحاق بحوافه. ثم تحول هذا التسارع العنيف إلى توسع هادئ. توقف نفخ البالون وبدأ ينكمش ببطء. في لحظة تغيير الأنماط، لم يبقَ الفراغ فارغًا: فمنه، كما لو كان من مرجل محموم، تدفقت أزواج من الجسيمات. أعاد مؤلفو العمل الجديد إنتاج هذه العملية على حاسوب كمومي.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، بينما يحاول قائد الأوركسترا التقاط اللحن العام. هكذا تقريبًا ينظر الفيزيائيون إلى الإلكترونات في الكوبرات (cuprates) — مواد سيراميكية توصل التيار دون مقاومة عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة النيتروجين السائل. الأبطال الرئيسيون هم ذرات النحاس والأكسجين. تقفز الإلكترونات بينها، وتتفاعل، وتُحدث تأثيرًا مذهلًا.

أربعة موسيقيين يعزفون بتناغم فقط إذا أمسكوا بأيدي بعضهم. في العالم الكمومي، تشكّل هذه السلسلة أربعة إلكترونات في أربع نقاط كمومية متجاورة — مصائد صغيرة للشحنة. هذا هو أساس كيوبت SAGE (من الإنجليزية «تبادل بلا فجوة دائم التشغيل على سينغليتات»).

الفراغ الكمومي في النموذج القياسي ليس فراغًا مطلقًا، بل وفقًا لـالنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، هو وسط فيزيائي يشبه وترًا مشدودًا بإحكام، تولد فيه وتفنى باستمرار جسيمات افتراضية.

مصفوفة الهوائيات التقليدية تشبه جوقة: أصوات كثيرة تغني بتناغم، فيتعزز الصوت في اتجاه واحد فقط. وللحصول على إشارة من جهة أخرى، يجب إعادة ضبط الجوقة بأكملها. تخيل الآن أن صوتًا واحدًا يمكنه تغيير نبرته بحيث يتجمع الصوت نفسه في الاتجاه المطلوب. هذا بالضبط ما فعله الفيزيائيون مع مستقبل يعتمد على بخار الروبيديوم. داخل الخلية الزجاجية يوجد غاز ساخن من ذرات الروبيديوم.

من أكبر المسائل غير المحلولة في الفيزياء الحديثة توحيد النسبية العامة، التي تصف انحناء الزمكان تحت تأثير الأجسام الضخمة، مع ميكانيكا الكم، التي تحكم سلوك الجسيمات في العالم المتناهي الصغر. على مقاييس طول بلانك — وهي مسافات أصغر بمليارات المرات من حجم الذرة — تتوقف القوانين المألوفة عن العمل.

ثماني عشرة خلية صغيرة اصطفت في صفين على قطعة من الجرمانيوم. كل خلية هي نقطة كمومية، مصيدة لإلكترون واحد، يعمل لفه المغزلي ككيوبت. سابقًا، كان من الممكن تجميع مثل هذه الأنظمة بضع قطع فقط، أما هنا فلدينا شبكة كاملة تعمل كمجموعة واحدة. التحكم بثمانية عشر جسيمًا في وقت واحد يشبه قيادة أوركسترا حيث يعزف كل موسيقي مقطوعته الخاصة لكنه يسمع القائد فقط.

بدلاً من ملايين الجسيمات المثبتة بإحكام، نستخدم 10,000 ذرة تعمل مثل خرزات على معداد كمومي. كل خرزة قادرة على أن تكون صفرًا وواحدًا في نفس الوقت. لكن الأهم هو أنه إذا تسلل خطأ أثناء الحساب، يمكن تحريك الذرات فيزيائيًا: تمامًا مثل إعادة ترتيب المعْدَاد أثناء العمل، لكي لا يفسد العطل النتيجة. هذه الحيلة تتم باستخدام ملاقط ليزرية، يتم التحكم بها بواسطة التحليل الطيفي — فن تحليل الضوء.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره، لكن بمجرد أن يلوّح قائد الأوركسترا بعصاه بقوة زائدة، تختل آلات دقيقة بسبب الحرارة الزائدة. التحكم في الكيوبتات عند درجة حرارة 10 مكلفن (أبرد 300 مرة من الفريزر) — أشبه بقيادة أوركسترا في قاعة جليدية، حيث حتى النفس قد يفسد كل شيء.

في الحياة اليومية، يمضي الزمن من تلقاء نفسه، مثل نهر يجري بين ضفافه. لكن في نظرية الجاذبية الكمية، الأمر مختلف تمامًا: الزمن لا يتدفق، بل ينشأ من العلاقات بين الأجسام، مثل نقش على سجادة لا يظهر إلا عند النظر إليه من مكان معين. ظل الفيزيائيون يبحثون طويلًا عن طريقة صادقة لوصف كيفية تغير الأنظمة الكمية عندما تكون الساعة — ليست جهازًا خارجيًا، بل جزءًا من النظام نفسه.

أرجوحة مثلثة لن تهدأ أبدًا: دائمًا ما تكون إحدى الذرات الثلاث في حالة تعليق. هذا هو المغناطيس المحبط — رقصة أبدية بلا سكون. لدراسته، بنى الفيزيائيون محاكيًا كموميًا من 256 ذرة، يحاكي بدقة بلورة TmMgGaO₄.

الحاسوب الكمومي القائم على الأيونات يشبه ثريا بعشرات المعلقات: إذا شددت واحدة، تمايلت جميعها. كل أيون هو كيوبت، لكن عندما تكون كثيرة، تفيض اهتزازاتها المشتركة على المسرح. أي تأثير على زوج واحد يمس الجيران، فيفسد الحساب. وجد المؤلفون طريقة لدفع الأيونات من الجانب وليس من الأمام. القوة المطبقة بشكل عرضي تغير طور الموجة لكنها لا تهز الأيونات المجاورة.

الحاسوب الكمومي القائم على دوران الإلكترونات يشبه صفًّا من القمم الصغيرة الدوّارة. كل قمة تدور إما مع عقارب الساعة أو عكسها — وهذا هو الكيوبت. لمعرفة نتيجة الحساب، عادةً ما تُوقف القمة ويُنظر إلى أين سقطت. لكن إذا كان هناك قمم كثيرة، فكل واحدة تحتاج إلى «عين» منفصلة — كيوبتًا مساعدًا إضافيًا. هذا مثل إبقاء أمين صندوق ثانٍ فقط ليخبرك أن الأول قد أتم العد.

الحاسوب الكمومي في المختبر يشبه الأوركسترا: الليزرات تلعب دور الأقواس، والأيونات هي الأوتار. لعزف اللحن المطلوب، تُرسل إشارات راديوية قوية إلى الليزرات، فهي تحدد الإيقاع والنغمة. لكن جزءاً من هذه «الموسيقى» يتجاوز حدود المسرح. لاحظ الباحثون أن الإشارات الراديوية التي تتحكم في الليزرات لتبريد الأيونات وتنفيذ العمليات وقراءة النتائج تتسرب قليلاً من الهيكل.

باب عادي يمكن فتحه في كلا الاتجاهين، لكن الفيزيائيين صنعوا للذرات باباً يُسمح بالدخول منه ولا يُسمح بالخروج. تم تبريد الذرات إلى ما يقرب من الصفر المطلق - في هذا البرد القارس تندمج في سحابة واحدة. وُضعت هذه السحابة في شبكة منتظمة من أشعة الليزر، مع إضافة نتوء صغير، مثل عتبة عند المدخل. بسبب التدافع المتبادل، تبدأ الذرات بالتدفق تلقائياً في اتجاه واحد فقط.

شخصان يقرآن الكتاب نفسه، لكن أحدهما يقلب الصفحة أولاً ثم ينظر إلى النص، بينما يفعل الآخر العكس. يبدو أن النتيجة واحدة. لكن في العالم الكمومي، ترتيب العمليات يغيّر كل شيء. تتناول الدراسة نماذج تُخرج تسلسلات من الرموز، مثل آلة تُصدر تذاكر. داخل هذه الآلة توجد حالة خفية يتم تحديثها، ومنها يُستخرج رمز مرئي. عادةً، يتم تحديث الحالة أولاً ثم إخراج الرمز. قام المؤلفون بقلب الترتيب: الإخراج أولاً ثم التحديث.