حاسوب كمومي طوبولوجي

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

العالم الكمومي ماكر: أحيانًا تبدأ الجسيمات المحبوسة في طبقة مسطحة والمخترقة بمجال مغناطيسي قوي في التصرف كسائل لا يتكوّن من إلكترونات كاملة، بل من أجزائها — شحنات كسرية. هذا هو تأثير هول الكمومي الكسري.

لطالما كان تحديد الأطوار الكمومية أشبه باستجواب شاهد: كان لا بد من الوصول إلى كل زاوية من النظام لانتزاع سره. في عصر ليف لانداو، كان الربط بين الترتيب وكسر التناظر والمعامل المحلي واضحًا وضوح الشمس. لكن اكتشاف الأطوار الطوبولوجية قلب المعادلة: تخفي هذه الحالات ترتيبها في أعماق الترابطات غير المحلية، مثل وصفة لا يمكن قراءتها حتى تتذوق الطبق بأكمله.

في الفيزياء الكمومية توجد نظريات يخضع فيها كل شيء لنسب واضحة — مثل إيقاع موسيقي يعود دائمًا إلى بداية المازورة. لكن توجد أيضًا نظريات «غير نسبية» ينكسر فيها الإيقاع ويصبح توقع الضربة التالية شبه مستحيل. إحداها نظرية البوزون المضغوط: يعيش الجسيم على دائرة، ويعتمد سلوكه على نصف قطر هذه الدائرة. إذا لم يُعبَّر عن نصف القطر بكسر بسيط، تصبح النظرية غير نسبية ويصبح حسابها صعبًا للغاية.

بندولان معلقان على عارضة واحدة. دفعة واحدة فيبدأان بالتأرجح، يتقاربان تدريجياً في الإيقاع ثم يتباعدان. في الكيوبت الطوبولوجي، تلعب جسيمات ماجورانا دور هذه البندولات — وهي إثارات خاصة قادرة على تخزين المعلومات الكمومية.

أنت تبحث عن غرفة هادئة لإجراء محادثة مهمة. تدخل المكان — وتسمع الصمت. لكن بمجرد أن تدقق النظر، تكتشف: في أحد الزوايا، التهوية معطلة ببساطة، وفي زاوية أخرى، هناك انخفاض في الأرضية يخمد الصوت. تقريبًا هكذا يطارد الفيزيائيون أنماط ماجورانا الصفرية — وهي إثارات خاصة في الموصلات الفائقة قد تصبح خلايا مثالية للحسابات الكمومية. فهي محصنة ضد الاضطرابات، مثل محادثة في غرفة معزولة تمامًا.

سحابة من ذرات الروبيديوم تقع في مصيدة ضوئية. تقوم الليزرات والمجالات المغناطيسية بترتيبها على غرار شبكة بلورية، لكن الخلايا هنا ليست بأجزاء من المليمتر، بل بأجزاء من الميكرومتر. الذرات نفسها مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق: يتوقف الاهتزاز الحراري، وتبدأ في التصرف ليس كمجموعة كرات، بل كسائل كمومي واحد.

القطة الكمومية هي حالة خاصة من الضوء، اقترح فكرتها إرفين شرودنغر في تجربته الفكرية الشهيرة. هنا، تتصرف الفوتونات مثل عملة تدور، يراها الراصد في الوقت نفسه على وجهها وظهرها — وهذا تشبيه واضح لـالتراكب الكمومي، حيث يكون النظام في حالتين متناقضتين في آن واحد.

تتعلم الشبكات العصبية التقليدية من آلاف الأمثلة، مستهلكةً ساعات وغيغاواطات من الطاقة. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقًا كموميًا مختصرًا. كان ماكس بلانك قد أظهر تكميم الطاقة، واليوم يسمح لنا ذلك بالتوليد دون تدريب. تبني الطريقة مشهدًا طاقيًا: كل نقطة فيه تمثل صورة أو عبارة محتملة، والصورة النهائية هي أدنى منخفض فيه.

يدير السائق عجلة القيادة لتنعطف السيارة. في العالم الكمومي أيضًا توجد «عجلات قيادة» — معاملات خارجية تُغيَّر ببطء لنقل الجسيمات من مكان إلى آخر. هكذا يعمل مضخة ثاوليس: بتغيير الظروف ببطء، يمكن نقل عدد محدد بدقة من الجسيمات، وهذا العدد محمي من الاضطرابات بهندسة العملية نفسها. ولكن ماذا لو أزلنا السائق وتركنا النظام يدير عجلته بنفسه؟ اقترح مؤلفو العمل الجديد هذا بالضبط.

يغلي قدر من الماء، وتبدأ الجزيئات في رقصة فوضوية. لا يمكن إيقاف هذه اللحظة أو تجميد الرقصة، لكن في العالم الكمومي يوجد طريق ملتوي: يمكن إنشاء "توأم" للنظام يحمل كل المعلومات عن حالته الحرارية. يُطلق على هذا التوأم اسم الحالة الحرارية الميدانية — حيث يتشابك نسختان من النظام بحيث يكشف القياس في إحداهما فورًا عن الأخرى.

قطرة حبر تسقط في كوب ماء — وبعد دقيقة لا يمكنك أن تقول أين سقطت بالضبط. في العالم الكمومي، الأمر أكثر دراماتيكية: المعلومات حول حدث محلي تنتشر عبر النظام بأكمله بسرعة بحيث يتوقف أي مستشعر نقطي عن الإحساس بأي شيء قريبًا. يُسمى هذا بلاموضعية (delocalization) — وبالنسبة لأجهزة الاستشعار الكمومية، يبدو هذا وكأنه حكم بالإعدام. لكن الفيزيائيين وجدوا ثغرة.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

في مصيدة كهرومغناطيسية، شكل الباحثون بلورة أيونية — بنية منتظمة من 150 أيونًا مبردًا إلى درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. كل أيون يتصرف كمغناطيس أولي، لفه المغزلي هو متجه يمكن توجيهه في الفضاء بحرية.

الكيوبت الفائق التوصيل العادي يشبه أرجوحة تهزها أي نسمة هواء. أدنى تغيير في الشحنة الكهربائية المجاورة يفسد الحالة الكمومية. في العمل الجديد، صنع الفيزيائيون أرجوحة بقاعدة ثقيلة: الشحنة على جزيرة الكيوبت لا يمكن أن تتغير إلا في أزواج، كما لو كان يتم إلقاء العملات المعدنية في حصالة اثنتين اثنتين فقط. هذه هي الحماية من ضجيج الشحنة.

حبل مضفور من مئة خيط قصير قد يكون ملتويًا إلى اليمين أو إلى اليسار. كل خيط على حدة لا يعرف اتجاه التواء الحبل كله، لكن حاول فك ضفره وستظهر الفروق فورًا. هذه هي طبيعة الحالات التي يسميها الفيزيائيون "المحمية بالتناظر" (symmetry-protected): فهي غير قابلة للتمييز محليًا، لكنها مختلفة عالميًا.

داخل كل خلية تجري تفاعلات كيميائية باستمرار، وكأنها مطبخ صغير حيث تعمل البروتينات كطهاة تحضّر المواد الضرورية. لكن رؤية كيف يطبخ الطاهي بالضبط تعوقها حشود الجزيئات الأخرى حوله.

يشبه الحاسوب الكمومي إبريق شاي ساخنًا جدًا: الجسيمات بداخله تتحرك بعشوائية، ويحتاج المرء إلى تهدئتها للحصول على إجابة مفيدة. في العمل الجديد، ابتكر الفيزيائيون طريقة لتبريد سلسلة من 19 لفة كمومية (مغناطيسات صغيرة) مباشرة على جهاز حقيقي. استخدموا أسلوبًا يشبه التلاشي البطيء لحركة البندول: يُضاف إلى النظام «احتكاك» يخمد الحركات الزائدة.

كل المادة، من النجوم إلى الإنسان، مبنية من جسيمات تنقسم في النموذج القياسي — النظرية الأكثر اكتمالًا للجسيمات الأولية وتفاعلاتها إلى عائلتين: الفرميونات (لبنات المادة) والبوزونات (حاملات القوى). لكن هناك نوع ثالث نادر — الأليونات، جسيمات عند تبادلها لا تتبادل فقط، بل تتعقد في عقدة، متذكرة حقيقة التشابك وليس المسار.

في العالم الكمومي، عادة ما تدمر الضوضاء السلوك المنظم، كما تطفئ الدفع العشوائية البندول. لكن على معالجات IBM الكمومية، اكتشف الفيزيائيون العكس: فالضوضاء المهيكلة قادرة على إطالة وحتى إنشاء تذبذبات إيقاعية. يشبه ذلك بندولاً يتأرجح بقوة أكبر بفعل دفعات غير منتظمة ولكنها متسقة داخليًا.