توصل علماء معهد وايزمان للعلوم إلى أدلة جديدة على وجود نظام من الجسيمات "يتذكر" الحالات الكمومية التي كان عليها من قبل، مما يمثل خطوة أخرى نحو حاسوب كمومي مقاوم للأخطاء.
في المستقبل، يُفترض أن تتمكن الحواسيب الكمومية من حل مشاكل كانت تُعتبر مستعصية، والتنبؤ بكيفية تفاعل المواد الكيميائية مع بعضها البعض، بل وتقديم تنبؤات جوية موثوقة، لكنها في الوقت الراهن شديدة الحساسية للتأثيرات البيئية وفقدان المعلومات. وقد توصل بحث جديد من مختبر الدكتور إلى نتائج مماثلة. يوفال رونين في معهد وايزمان للعلوم، نشرت اليوم في المجلة العلمية الطبيعة، يكشف عن أدلة جديدة على وجود جسيمات غريبة "أنيونات غير أبيلية" - مرشحين واعدين لبناء حاسوب كمي مقاوم للأخطاء - داخل مادة الجرافين ثنائية الطبقة.
في ميكانيكا الكم، تتصرف الجسيمات أيضًا كموجات، وتُوصَف خصائصها بدالة موجية. يمكن للدالة الموجية أن تصف حالة جسيم منفرد أو نظام من الجسيمات. يصنف الفيزيائيون الجسيمات في الطبيعة إلى مجموعات وفقًا لكيفية تغير الدالة الموجية لجسيمين عند تبادلهما المواقع. حتى ثمانينيات القرن العشرين، كان الفيزيائيون يتعرفون على نوعين فقط من الجسيمات: جسيمات لا تتغير دالتها الموجية عند تبادل المواقع (البوزونات)، مثل جسيمات الضوء، وجسيمات تنعكس دالتها الموجية (الفرميونات)، مثل الإلكترونات. مع ذلك، في عام ١٩٨٢، اكتُشفت حالة جديدة للمادة يمكن أن يوجد فيها نوع آخر من الجسيمات، غير موجود في الطبيعة. عندما تتبادل هذه الجسيمات مواقعها، يمكن للدالة الموجية أن تدور بأي زاوية بين ٠ و١٨٠ درجة، ومن هنا جاء اسم "الأنيونات"، المشتق من كلمة "أي".
لا تظهر الأنيونات إلا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وتحت تأثير مجال مغناطيسي قوي، وعند وجود روابط قوية بين الجسيمات، وفي الأنظمة ثنائية الأبعاد فقط، أي في طبقات رقيقة من المادة حيث لا يمكن الحركة الرأسية. في هذه الحالات، تبين أن الإلكترونات في المادة تتوقف عن التصرف كجسيمات كاملة وتبدأ بالتصرف كشظايا إلكترونية - الأنيونات. ووفقًا للنظرية التي تطورت منذ ذلك الحين، يوجد نوعان من الأنيونات: "الأنيونات الأبيلية"، التي يؤدي تغيير موضعها إلى دوران دالة الموجة فقط، و"الأنيونات غير الأبيلية"، التي يؤدي تغيير موضعها إلى دوران دالة الموجة وتغيير شكلها. شظايا الإلكترونات ذات المقام الفردي - مثل الإلكترون الثالث - هي أنيونات أبيلية، ويُفترض أن شظايا الإلكترونات ذات المقام الزوجي - مثل الإلكترون الربع - هي أنيونات غير أبيلية.
"تقتصر الحواسيب الكمومية حاليًا على مجالات بحثية ضيقة، ولكي تكون أكثر فائدة يجب أن تكون موثوقة. ويأخذنا البحث الجديد خطوة أخرى إلى الأمام على هذا الطريق."
يوضح الدكتور رونين قائلاً: "يُحدث استبدال الأنيونات غير الأبيلية أثراً على شكل الدالة الموجية. فإذا أخذنا ثلاثة أنيونات غير أبيلية واستبدلنا الأول بالثاني، ثم الثاني بالثالث، نحصل على دالة موجية ذات شكل مختلف عما لو استبدلناها بترتيب مختلف. هذه طريقة لترميز المعلومات وتخزينها، وهي من الشروط الأساسية لتطوير الحاسوب."
يضيف الدكتور رونين: "في بعض النماذج الحالية، تُعدّ وحدات المعلومات الأساسية للحاسوب الكمومي (الكيوبتات) جسيماتٍ منفردة، وهي حساسة للاضطرابات البيئية. أما في الأنيونات غير الأبيلية، فلا تُحفظ معلومات ترتيب التبادلات محليًا، بل في الدالة الموجية للنظام بأكمله. وتُعرف الأنظمة التي تُحفظ خصائصها المهمة على مستوى النظام بأكمله بمقاومتها لأي خلل منفرد، وتُسمى بالأنظمة الطوبولوجية. وتُعدّ هذه الأنظمة من بين الحلول الواعدة لمشكلة موثوقية الحواسيب الكمومية." وعلى الرغم من نجاح العلماء مؤخرًا في قياس الأنيونات الأبيلية، إلا أنه لم يتم قياس الأنيونات غير الأبيلية بشكل مباشر حتى الآن.
من البصريات الكلاسيكية إلى الحاسوب الكمومي
استخدمت الدراسة الجديدة، التي قادها الدكتور جيهون كيم وهيمانشو دوف من مختبر الدكتور رونين في قسم فيزياء المادة المكثفة بالمعهد، مادة طُوّرت في السنوات الأخيرة تُسمى الجرافين ثنائي الطبقات. وهي عبارة عن "شطيرة" تتكون من طبقتين رقيقتين من ذرات الكربون، كل منهما مرتبة على شكل خلية نحل. في هذه المادة، تكون الحالة التي يُفترض أن تظهر فيها الأنيونات غير الأبيلية مستقرة، ويمكن للعلماء التحكم بدقة في مسارات الأنيونات.
تعتمد التجربة التي أجراها علماء المعهد على تجربة بصرية شهيرة من القرن التاسع عشر. في هذه التجربة الكلاسيكية، يُحصر شعاع ضوئي بين مرآتين. في كل مرة يصطدم فيها الشعاع بإحدى المرآتين وينعكس، تدور دالته الموجية بزاوية معينة (طور). طالما أن الشعاع المنعكس غير متزامن مع الشعاع الأصلي، فإنهما يلغيان بعضهما، فنحصل على ضوء خافت. بعد عدة انعكاسات، تُكمل الدالة الموجية دورة كاملة وتعود إلى طورها الأصلي، فتتزامن الأشعة وينتج ضوء قوي. تُنتج التجربة نمطًا من الخطوط المضيئة والمظلمة يُسمى نمط التداخل، ومن خلال هذا النمط الدقيق، يستنتج الفيزيائيون خصائص الموجة الأصلية المحصورة بين المرآتين.
في التجربة الكمومية الموازية، قام العلماء أولًا بتحريك الإلكترونات في المادة إلى حالة يُفترض أن تتواجد فيها أنيونات غير أبيلية. ثم أنشأوا مسارًا حلقيًا تدور فيه موجة من أنيون واحد حول جزيرة تحتوي على أنيونات أخرى ومجال مغناطيسي، ثم تلتقي بالموجة الأصلية مرة أخرى. في الجزء الأول من التجربة، درس العلماء فقط كيف يُغير المجال المغناطيسي طور الأنيون الذي يدور حول الجزيرة. مع كل دورة، يتغير طور الموجة العائدة تحت تأثير المجال المغناطيسي، وعندما تلتقي بالموجة الأصلية، إما أن تلغي إحداهما الأخرى أو تتحد. ومثل التجربة البصرية، تُنتج هذه التجربة أيضًا نمط تداخل، ولكن ليس من نطاقات مضيئة ومظلمة، بل من نطاقات ذات مقاومة كهربائية عالية ومنخفضة، والتي يمكننا من خلالها معرفة خصائص الأنيون الدوار.
يصف الدكتور رونين قائلاً: "تمكّنا في التجربة من قياس نسبة إلكترونية ذات مقام زوجي. ولكن على عكس الافتراض السائد بأن الأنيونات غير الأبيلية تحتوي على ربع إلكترون، فوجئنا برؤية موجة من نصف إلكترون تدور حول الجزيرة. وبعد إجراء تجارب إضافية، نُقدّر أن السبب في ذلك هو دوران أيونين غير أبيليين حول الجزيرة معًا، ولم نتمكن بعد من فصلهما. ومع ذلك، تُعدّ هذه خطوة مهمة نحو قياس وتحديد الأنيونات غير الأبيلية بشكل مباشر، ونسعى حاليًا إلى فصلها."
في تجربة أخرى، أراد العلماء دراسة خصائص جسيمات المادة داخل الجزيرة. تتفاعل هذه الجسيمات مع الجسيم الدوار، لذا افترض العلماء إمكانية استخدامها لدراسة خصائصها. قاموا بتغيير كثافة الجسيمات في الجزيرة، ودرسوا مدى تأثير ذلك على الدالة الموجية للجسيم الدوار، وبالتالي على نمط التداخل. يشير تغير ميل أهداب نمط التداخل إلى شحنة الجسيمات في الجزيرة، واستنتج العلماء من ذلك أنها تحمل شحنة ربع إلكترون، كما هو متوقع من الأنيونات غير الأبيلية، وكما تم قياسه سابقًا في مختبر البروفيسور موتي هايبلوم، في معهد وايزمان أيضًا، في تجارب النفق الكمومي.
يقول الدكتور رونين: "لقد أثبتنا وجود جسيمات في طبقة الجرافين الثنائية، يُرجّح أنها أيونات غير تبديلية. وتتمثل الخطوة التالية في القدرة على رصد "ذاكرة" نظام من الأيونات غير التبديلية بشكل مباشر، أي قياس كيفية إنتاج كل رتبة من تبادلات الجسيمات بصمة فريدة في الدالة الموجية. تقتصر الحواسيب الكمومية حاليًا على مجالات بحثية ضيقة، ولكي تكون أكثر فائدة، يجب أن تكون موثوقة. ويأخذنا هذا البحث الجديد خطوة أخرى إلى الأمام على طريق تطوير حاسوب كمومي مقاوم للأخطاء."
كما شارك في الدراسة كل من أميت شير، والدكتور رافي كومار، والدكتور أليكسي إيلين، والدكتور أندريه هوغ، وشيلي إسكوس، والبروفيسور ديفيد ميروس، والبروفيسور آدي ستيرن من قسم فيزياء المادة المكثفة بالمعهد؛ والبروفيسور كينجي واتانابي والبروفيسور تاكاشي تانيغوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد، تسوكوبا، اليابان.
كتب العلوم
لوصف الحالة الكمومية لـ 300 كيوبت فقط، أي لتخزين جميع المعلومات المخزنة فيها، سيحتاج جهاز كمبيوتر كلاسيكي إلى تذكر أكثر من 34 كوينتيليون عدد مركب.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
