Alan Guth

الكيوبت فائق التوصيل — حلقة صغيرة بلا مقاومة — ينجز المهام أسرع من طرفة عين. ولكن بمجرد قطع التيار، يختفي كل ما حسبه. إنه مثل طاهٍ يطبخ دون تدوين الوصفة: ما دام واقفًا أمام الموقد يتذكر كل خطوة، وبعد ساعة لا يذكر شيئًا. يقترح مؤلفو العمل تسجيل النتيجة في الألماس.

ألماسة صغيرة تحتوي عيوبًا — ذرات نيتروجين حلت محل الكربون — تخفي في طياتها خاصية غير عادية. حول كل عيب يدور إلكترون إضافي، مثل قمة دوارة يمكن إمالتها بنبضات راديوية. هذه القمة الدوارة في حد ذاتها هادئة جدًا بحيث لا يمكنها أن تصل بصوتها إلى الكوبيت فائق التوصيل — الذرة الاصطناعية التي تعمل في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي.

طيف الإلكترونات الكونية يشبه بصمات الأصابع في مسرح الجريمة. الجسيمات القادمة من أعماق المجرة تحمل في طاقاتها آثار من أنتجها. لفترة طويلة، كانت الصورة ضبابية: أجهزة ذات نطاقات طاقة واسعة، مثل صور غير واضحة، لم تسمح برؤية التفاصيل. لكن مؤخرًا، حصل العلماء على صورة واضحة — طيف عالي الدقة قاسه جهاز ATIC بدقة تبلغ حوالي 3%. وظهرت عليه خطوط غير متوقعة.

في عام 1982، اقترح الفيزيائي ريتشارد فاينمان فكرة بسيطة: لفهم نظام كمومي، علينا بناء نظام كمومي آخر يتصرف بالطريقة نفسها. وهكذا وُلد المحاكي الكمومي، وهو جهاز لا يحسب المعادلات، بل يعيد إنتاجها في سلوكه الخاص. كما تُدير القبة الفلكية الميكانيكية تروسها لتُظهر حركة الكواكب، يدير المحاكي ذراته ليُظهر ما يحدث داخل الموصل الفائق.

في غرفة مظلمة، يرسم شعاع الليزر نقطة مضيئة على الجدار. يبدو الضوء شيئًا دافئًا يصعب التحكم به، لكن الفيزيائيين يستخدمونه منذ ثلاثة عقود كعصا قائد أوركسترا، مما يجعل الذرات ترقص بتناغم. بدأ كل شيء بملاحظة بسيطة: إذا وجّهت ضوءًا معاكسًا لسحابة من الذرات، فإنه سيعمل على إبطائها، مثل تيار ماء يضرب وجه سباح.

يتوسع الكون بمعدل متسارع، والتفسير القياسي لذلك هو ثابت كوني موجب، أي فراغ دي سيتر. نظرية الأوتار، التي تطمح لأن تكون نظرية الجاذبية الكمية، يجب أن تكون قادرة على وصف مثل هذا الفراغ، لكن بعد عقود من الجهود لم يظهر أي بناء موثوق. يقترح هذا العمل خطوة أكثر جذرية: ليس مجرد صعوبة، بل حظرًا مبدئيًا على دي سيتر في الجاذبية الكمية.

يسقط حجر في الماء فتنتشر حوله دوائر. وفي العالم الكمومي، الشائبة المغناطيسية (تلك الحصاة) في المعدن تزعج الإلكترونات المحيطة بها، فتشكل حولها سحابة خاصة. تُعرف باسم سحابة كوندو. ومثل الدوائر على الماء في الظلام، ظلت بعيدة المنال لفترة طويلة. سحابة كوندو — منطقة يصل حجمها إلى عدة ميكرومترات، حيث تصطف الإلكترونات حول الشائبة لتحجب عزمها المغناطيسي.

يشبه الحاسوب الكمومي أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي على آلة غير مرئية. فبدلًا من الكمانات والأبواق، لدينا كيوبتات، وهي جسيمات هشة يسهل إخراجها عن الإيقاع بأدنى حرارة أو ضوضاء. ولكي تعزف أوركسترا من ملايين هؤلاء الموسيقيين بتناغم، يجب أن يقف قائد الأوركسترا ليس في قاعة دافئة، بل في البرد القارس، بجوارهم.

داخل الألماس توجد أحياناً عيوب صغيرة جداً — مكان استُبدلت فيه ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبه فراغ. يسمي الفيزيائيون هذا مركز NV (عيب من النيتروجين و vacancy). يتصرف هذا العيب مثل إبرة مغناطيسية يمكنها تخزين المعلومات في دورانها.

في غابة سيبيريا، هناك مئة مصيدة ضوئية — كل واحدة بحجم طاولة صغيرة، لكنها معًا تغطي كيلومترًا مربعًا. في الليل، تنظر هذه المصائد إلى السماء وتلتقط ومضات ضوئية خافتة تنشأ عندما تصطدم الجسيمات الكونية بالغلاف الجوي. المنشأة تسمى TAIGA-HiSCORE، وعادةً ما تعمل كـ«عين» عملاقة لهذه الجسيمات. لكن لهذه العين خاصية نادرة: جميع المصائد متزامنة بدقة تصل إلى جزء من مليار من الثانية.

يشبه التشابك الكمومي نابضًا غير مرئي بين الجسيمات — اضغط على أحدها، وسيتحرك الآخر أينما كان. في العمل الجديد، بنى الفيزيائيون نموذجًا من أربع لفات مغناطيسية (أسهم مغناطيسية صغيرة) في سلسلة، حيث تُثبت اللفات الطرفية بمجال مغناطيسي محلي. يعمل هذا المجال كمشبك قابل للضبط: يمكنه إضعاف أو تقوية ارتباط الجسيمات الطرفية ببقية السلسلة.

في كل ثانية، تمر عبر كل واحد منا عشرات الجسيمات القادمة من الفضاء. معظمها بروتونات خفيفة، لكن توجد أيضًا نوى ذرات أثقل: الكربون والأكسجين والحديد. تولد هذه الجسيمات في انفجارات النجوم وتطير نحو الأرض لملايين السنين. طاقتها قد تكون هائلة: جسيم واحد قد يحمل طاقة تعادل طاقة كرة تنس عند الإرسال. لكن في تدفق هذه الجسيمات يوجد انحناء غريب.

في سلسلة من ثمانية سبينات يختبئ عيب — عزم مغناطيسي صغير. تأثير كوندو، المعروف منذ ثلاثينيات القرن العشرين، يجعل الإلكترونات حوله تصطف لتشكل درعاً جماعياً. ترتفع مقاومة المادة بشكل شاذ. لكن الإحساس بمثل هذه الشائبة المخبأة عميقاً في البنية يشبه العثور على حجر في قاع بركة مظلمة. وجد الفيزيائيون طريقة: من خلال تموجات على سطح الماء.

إناءان يحتويان ماءً بدرجتي حرارة مختلفتين يفصل بينهما حاجز رقيق. ما دام الحاجز سليمًا، يعيش كل إناء حياته الخاصة: في أحدهما الماء ساخن، وفي الآخر جليدي. لكن بمجرد إزالة الحاجز، تبدأ درجات الحرارة في التعادل، وفي النهاية يصل الإناءان إلى حالة واحدة. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف أفقا ثقب أسود عندما توجد بينهما حقول كمومية.

على ساحل أرض الملكة مود تقف نواتان جليديتان، كمقياسَي زلازل على شاطئ واحد. الأولى، FK17، حُفرت على قمة ارتفاع لوكيريوغين الجليدي، والثانية، TIR18، على قمة هاماريوغين. تفصل بينهما مئة كيلومتر، لكنهما تلتقطان هزّات مناخية مختلفة. إحداهما تسمع المحيط الهادئ، والأخرى تسمع الأطلسي والهندي.

في مختبر جيفرسون، تُسرَّع الإلكترونات إلى 12 GeV وتصطدم بالبروتونات لانتزاع أسرارها. لكن الكواشف الحالية تشبه كاميرات ذات مجال رؤية ضيق: إما أن ترى الكثير ولكن بشكل باهت، أو ترى بوضوح ولكن جزءًا صغيرًا جدًا. التشتت الإلكتروني هو الأداة الرئيسية، لكن الإحصائيات غير كافية للتأثيرات الدقيقة. المطياف الجديد SoLID (Solenoidal Large Intensity Device) يغير قواعد اللعبة.

لطالما أثارت الكواكب الثلاثة في نظام Kepler-51 فضول الفلكيين: فهي تشبه زحل في الحجم، لكن كثافتها أقل من كثافة الماء. هذه العوالم «فائقة الانتفاخ»، التي لا تتجاوز كتلتها عشرة أضعاف كتلة الأرض، أشبه ببذور الهندباء الكونية - ضخمة لكنها تكاد تكون عديمة الوزن. مداراتها منتظمة كعازفين في أوركسترا، كل منهم يؤدي دوره، ويقرع الإيقاع بالعبورات.

إلى الشمال من الميكروكويزار SS 433، في نطاق الأشعة السينية اللينة، ظهر قوس. خافت، ضبابي، لكنه يعيد بإصرار رسم ملامح كانت معروفة بالفعل من رصد الموجات الراديوية. درس علماء الفلك طيفه، فرأوا غازًا مسخنًا إلى أحد عشر مليون كلفن. غاز لا يمكن أن تصل حرارته إلى هذا المستوى لا بالنفاثات ولا برياح قرص التراكم. هذا الغاز هو موجة صدمة متجمدة.

في عام 2023، أطلقت مجموعة من الباحثين في مختبر أوك ريدج الوطني على الحاسوب العملاق ثيتا محاكاة لدائرة كمومية من 61 كيوبت. لتخزين متجه حالتها، كانت ستلزم ذاكرة بحجم 32 إكسابايت، أي أكثر من السعة الإجمالية لجميع الأقراص الصلبة على كوكب الأرض. لكن بفضل ضغط البيانات، تمكنوا من الاكتفاء بـ 768 تيرابايت.

البطارية الكمومية ليست صندوقاً فيه إلكتروليت، بل حفنة من الذرات أو الدوائر فائقة التوصيل، تُخزن الطاقة في حالات مثارة. يمكن شحنها في أجزاء من الثانية باستخدام التأثيرات الكمومية الجماعية. لكن بمجرد أن تجد البطارية نفسها في العالم الحقيقي، تبدأ الطاقة بالتسرب على شكل حرارة: الإنتروبيا القصوى (ergotropy)، أي أقصى شغل يمكن استخراجه من حالة كمومية، تتبدد بشكل غير قابل للعكس.

ضبط الوتر: التوافقيات العليا تساعد في الحفاظ على النغمة دون إغراق النغمة الأساسية. في التجويف الضوئي الدقيق — رنان صغير من مرآتين — يتنقل الضوء بين السطحين العاكسين، وأي اهتزاز في المسافة يخل بالرنين. مهندسون من جامعة لوند حولوا هذه المشكلة إلى ميزة: بدلاً من محاربة الأنماط المكانية العليا، جعلوها تعمل كمثبتات.

المعالج الكمومي الواحد يشبه عازفًا منفردًا. يمكنه عزف لحن بسيط، لكنه يحتاج إلى أوركسترا كاملة لأداء سيمفونية. لحل المشكلات التي تتطلب حسابات هائلة، يجب ربط المعالجات في شبكة. ولكن كيف نجعلها تتبادل المعلومات الكمومية دون فقدان؟ في هذا العمل الجديد، اقترح المهندسون بنيةً تعتمد على مفاتيح ضوئية (أجهزة تغيّر مسار شعاع الضوء) لربط عدد كبير من المعالجات.

يُكمل النظام الشمسي دورة كاملة حول مركز درب التبانة كل 210 ملايين سنة. آخر مرة كنا فيها على هذا الجانب من المجرة كانت عندما كانت الديناصورات المبكرة تجوب الأرض. هذا الرقم، 243.72 كم/ث، أمكن تحسينه بفضل نجوم نادرة تندفع عبر المجرة مثل قذائف المدفع. النجوم عالية السرعة هي مسابر تستكشف الحقل الثقالي للمجرة.

التحويل البريدي لا يصل فورًا، بل بعد فترة زمنية محددة — ويكون المبلغ في حساب المستلم أكبر مما أودعه المرسل نقدًا. تقريبًا هكذا يعمل البروتوكول الجديد المسمى النقل الآني الكمي للطاقة عبر الزمن (TQET). في النقل الآني الكمي للطاقة التقليدي، يتشارك طرفان، أليس وبوب، في حالة كمومية مشتركة.

الحاسوب الكمومي كأوركسترا، حيث يجب على كل كيوبت أن يدخل في وقته المحدد بدقة. لكن بدلًا من قائد الأوركسترا بعصاه، لدينا مولّد أشكال نبضات تعسفية (AWG) يرسل إشارات ميكروويف تدوم لعشرات النانو ثوانٍ. أي خطأ في شكل النبضة يجعل الكيوبت «يعزف خارج اللحن»، فينحرف إلى حالة كمومية خاطئة.

الكوازار W2246–0526 هو منارة أُضيئت عندما كان عمر الكون 1.3 مليار سنة فقط. يصل ضوؤه إلينا بعد رحلة استغرقت 12.8 مليار سنة، لكن حتى من هذه المسافة الهائلة، تمكن علماء الفلك من رصد ما ظل عصيًا على المراقبة لعقود: ظل الجاذبية لثقب أسود.

في الليل، يوجّه عالم فلك تلسكوبه نحو أطراف الكون المرئي، فلا يرى نجومًا بل تموّجات — بصمة اللحظات الأولى. يعلم أن هذه التموجات يجب أن تخضع للإحصاء، مثل أطوال الناس في حشد. لكن لديه حشد واحد فقط، ولا شيء يقارن به. هذا هو التشتت الكوني. تتنبأ النظرية كيف يبدو الكون "المتوسط"، لكننا نعيش في تحقيق واحد محدد.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي على آلة تتعطل من أدنى حرارة. القائد هو المعالج الكمومي، والموسيقيون هم الكيوبتات، الحاملات الهشة للمعلومات الكمومية. لكي يعزفوا بتناغم، نحتاج إلى طاقم كامل من الموالفين، يجلسون في الغرفة المجاورة ويرسلون الأوامر عبر جدار عازل للصوت.

الحاسوب الكمومي يشبه الأوركسترا حيث تعزف الآلات الوترية والهوائية بلغات مختلفة. المعالجات فائقة التوصيل تتعامل مع فوتونات الميكروويف في دوائر سنتيمترية، بينما الكيوبتات اللفية المغزلية — مثل مراكز النيتروجين-الشاغرة — تخزن المعلومات على مقياس ذرات مفردة. التواصل المباشر بينها مستحيل كما هو الحوار بين الحوت والنملة.

على قمة تل الفيزياء الكلاسيكية، يتجمد الجسيم في توازن غير مستقر. أدنى دفعة – وينزلق بسرعة متزايدة. في الكون الكمومي، لا حاجة للدفع: مبدأ عدم اليقين نفسه يعمل كريح شاملة تدفع الجسيم بعيدًا عن القمة. التذبذبات الصفرية لا تتحمل السكون، مما يحكم على الحالة بالتحلل. لفترة طويلة، ظل هذا السقوط لغزًا رياضيًا. الآن لم يحله الفيزيائيون فحسب، بل سمعوا في الحل تناغمًا – طاقة تدوي بترددات تخيلية.

من بين التناظرات الأساسية في الطبيعة، يحتل التكافؤ المرآتي مكانة خاصة. النموذج القياسي يعرف بالفعل إحدى حالات انتهاكه - في التفاعل الضعيف، لكن قوى بعيدة المدى افتراضية لا تحافظ على التمييز بين اليمين واليسار يمكن أن تخبرنا الكثير عن المادة المظلمة .

المعالج الكمومي فائق التوصيل يشبه مدينة صغيرة مجهرية محبوسة في ثلاجة تبريدية: شوارع من خطوط فائقة التوصيل، وأحياء من الكيوبتات. كل ساكن يحتاج إلى الهدوء والبرودة، لكن توسيع المدينة داخل كريوستات واحد يشبه بناء ناطحات سحاب في فناء ضيق — الأسلاك تسخن الوسط، وتزداد الضوضاء، ويهدد التماسك بالانهيار.

أهدتنا ميكانيكا الكم صورة ساحرة: حالة النظام ليست نقطة جامدة، بل موجة من الاحتمالات ترقص في فضاء تجريدي. بفضل أعمال شرودنجر وديراك نصورها بمتجهات في فضاء هيلبرت. لكن عندما يحين القياس، تتوقف الرقصة فجأة – تنطوي الموجة إلى حقيقة حادة.

يشبه كشف باعث كمومي فردي ضبطَ آلة موسيقية في ورشة تعجّ بالآلات الصاخبة: النغمة النقية تختنق في الضجيج. لكنّ الضابط لا يحاول أن يصرخ أعلى من الضوضاء – بل يأخذ شوكة رنانة ويصغي إلى النبضات. وهكذا يصبح الصدى الخافت جليًّا. تعمل هذه الحيلة أيضًا مع الفوتونات: الشعاع المرجعي المترابط، بتداخله مع إشارة الباعث، يحوّل الخفّة الكمومية إلى استجابة قياسية موثوقة.

اضرب جرسًا — وسيذوب الصوت طبقات: يبقى الدمدمة المنخفضة أطول، تختفي النغمات العليا أولاً، تاركة وراءها صمتًا. هكذا الكيوبت، وهو يعيش حياته الكمومية، لا يترك صدى واحدًا، بل ثلاثة أصداء من ماضيه. أسماؤها — اللاماكروواقعية، التحكم الزمني، وعدم القابلية للفصل الزمني — تبدو معقدة، لكن جوهرها بسيط: إنها ثلاثة أوجه لكيفية تذكر النظام الكمومي لحالته قبل لحظة.

السير الكمومي ليس خطوات عشوائية، بل مقطوعة موسيقية حيث يرن بيانو الفضاء تحت عصا قائد الحالة الداخلية. تضبط العملة النغمة. حتى الآن، كان يُعتقد أن المفاتيح الناشزة (اضطراب الطور) تخمد أي لحن، مؤدية إلى توضع أندرسون — صمت رنان. لكن المحاكاة التقطت البوميرانج الكمومي: الحزمة الموجية، تمامًا كلحن الفوغا، تذهب في تنافرات، ثم يعيدها الصدى منقولة — إلى الطرف الآخر.

مقياس حاسوب كمومي يشبه نسج شبكة من الضوء: كل خيط يرتجف من أنفاس الحرارة، مهددًا بتمزيق النمط الذي بالكاد يتشكل. لقد تنبأ ريتشارد فاينمان وديفيد دويتش بأن الفوتونات هي كيوبتات مثالية، لكنها بحاجة إلى مسرح: دارة قابلة للبرمجة تتلاعب بعشرات الأنماط.

تخيل مغنياً منفرداً يحاول دمج صوته مع جوقة. إذا غنّى أفراد الجوقة في انسجام تام، يظل صوت المنفرد بارزاً لفترة طويلة؛ أما إذا تفرقت الجوقة على نطاق واسع — من أصوات الجهير العميقة إلى السوبرانو الرنّانة — يذوب صوت المنفرد على الفور تقريباً. في الفيزياء الكمومية، يؤدي دور هذه الجوقة ما يُعرف بالحمام الحراري — البيئة المحيطة الواسعة.

في عام 2008، أنفقت مجموعة من الفيزيائيين شهورًا من وقت الحاسوب الفائق لحساب كمية واحدة فقط في نظرية الجاذبية الكمية. يتعلق الأمر بمطال القمة لرغوة السبين، وهو رقم يحدد احتمال انتقال كمي محلي للزمكان. هذه الحسابات ثقيلة جدًا لدرجة أنها ما زالت تشكل عنق زجاجة للاتجاه بأكمله.

في كاشف سيليكوني، يترك الجسيم أثرًا، إشارة كهربائية صغيرة يجب التقاطها وتحديد موضعها بدقة. ولكن عندما تصغر البكسلات ويزداد عددها، تبدأ الإشارة بالانتشار، مثل الماء المسكوب على طاولة، تنساب إلى الخلايا المجاورة. اقترح مهندسون من تعاون RD50 حلاً، متاهة بحواجز تمنع الإشارة من الضياع.