نجح علماء الفيزياء في إثبات نظرية التشابك الكمي (Quantum entanglement theory) التي تعود إلى 20 عاماً، مما يفتح الباب أمام طريقة مستقلة تماماً لمزامنة وحدات البت الكمومية (Qubits) المتباعدة دون الحاجة إلى تدخل يدوي مستمر. ومن خلال استخدام "حمام كمي" من موجات الميكروويف منخفضة الطاقة، تمكن باحثون من معهد ISTA وجامعة ميونخ التقنية من حل إحدى أكبر عقبات الاستقرار في مجال الحوسبة الكمومية.
يُعد هذا التحديث بالغ الأهمية لمهندسي الأجهزة الكمومية وعلماء الفيزياء الذين يعملون على تطوير شبكات كمومية قابلة للتطوير. فهو يوفر مورداً مستقراً ودائماً لعمليات المعالجة الكمومية، مما يمهد الطريق لتقدم هائل في مجالات التعلم الآلي (Machine Learning)، وتصميم الأدوية، وتحسين العمليات اللوجستية المعقدة.
كان العالم ألبرت أينشتاين قد وصف هذه الظاهرة سابقاً بأنها "التأثير الشبحي عن بُعد"، في إشارة إلى الارتباط الغريب بين الجسيمات والذي لا يمكن للفيزياء الكلاسيكية تفسيره. وتعتمد الأساليب التقليدية لتحقيق هذه المزامنة عادةً على إرسال فوتون واحد يتم التحكم فيه نشطاً بين وحدتي كيوبت، أو استخدام بروتوكول حائز على جائزة نوبل يُطلق فيه كل كيوبت فوتوناً مطابقاً، لكن هذه الطرق تتطلب تعديلاً مستمراً وتكون عرضة للفشل.
طريقة الحمام الكمي المستقلة
تقدم طريقة الحمام الكمي الجديدة بديلاً مستقلاً بالكامل. فمن خلال تعريض وحدات الكيوبت المعزولة لموجات ميكروويف منخفضة الطاقة، ينتج النظام نسخة ثابتة وقابلة للتطبيق من التشابك بدلاً من النسخ التي تتقلب خصائصها بشدة. وفي تجربتهم، نجح الباحثون في تطبيق هذا المخطط عبر كابل بطول 50 سنتيمتراً (20 بوصة) يفصل بين وحدات الكيوبت والفوتونات المحفزة للتشابك.
وأوضح أليخاندرو أندريس-خوانيس، عالم الفيزياء في معهد ISTA والمؤلف الرئيسي للدراسة، قائلاً: "من خلال تثبيت الحالات المتشابكة عن بُعد، يُعد نهجنا مستقلاً تماماً ولا يتطلب أي تحكم أو قياس نشط". وأشار إلى أنه يمكن التلاعب بمصدر فوتون واحد مرتبط لتوليد العديد من الأزواج المتشابكة.
بهذه الطريقة، يتم استقرار حالة الكيوبت المتشابكة، حتى بعد انقضاء 'عمر' الكيوبت نفسه، وتبقى متاحة دائماً كمورد لعمليات المعالجة الكمومية اللاحقة.
- يوهانس فينك، عالم فيزياء، معهد ISTA
وللتحقق من أن وحدات الكيوبت كانت متزامنة بالفعل، استخدم الفريق نبضات ميكروويف قصيرة جداً تدوم لأجزاء من المليار من الثانية لقياس حالاتها. يُعد هذا القياس السريع أمراً حاسماً لأن وحدات الكيوبت توجد في حالة تراكب (Superposition)، والتي تنهار إلى حالة 0 أو 1 بسيطة عند قياسها، وهي مشكلة تُعرف باسم فك الترابط التي تفقد أجهزة الكمبيوتر الكمومية مزاياها الحسابية.
تحديات الكفاءة وقابلية التوسع
رغم أن الباحثين طوروا نموذجاً أولياً ناجحاً لإثبات المفهوم، والذي نُشر في مجلة Physical Review X، إلا أنهم يقرون بأن الأساليب السابقة التي تستخدم التحكم النشط لا تزال أكثر كفاءة في الوقت الحالي. وأوضح أندريس-خوانيس أن طريقتهم الحالية تنقل حوالي بنسبة 10% من التشابك المتاح في الحمام الكمي.
وعلى الرغم من انخفاض الكفاءة الأولية، فإن هذا الإطار قابل للتطوير بشكل كبير. كما يحمل البحث وعوداً كبيرة للأنظمة الكمومية الهجينة، حيث يمكن للفوتونات ذات الترددات المختلفة، مثل الضوء البصري وموجات الميكروويف، أن تثبت التشابك بين وحدات الكيوبت التي تعمل بمستويات طاقة مختلفة تماماً.
التحول من الشبكات الكمومية اليدوية إلى المستقلة
إن الأهمية الحقيقية لنسبة الكفاءة البالغة 10% لا تكمن في قصورها الحالي، بل في ما تمثله: الانتقال من المزامنة الكمومية "اليدوية" إلى "المستقلة". وكما كان الحال في الأيام الأولى لناقل الحركة الأوتوماتيكي في السيارات، والذي كان في البداية أقل كفاءة من الناقل اليدوي ولكنه سمح في النهاية بانتشار أوسع، فإن طريقة الحمام الكمي المستقلة تضحي بالكفاءة الخام مقابل الاستقرار التشغيلي.
من خلال إزالة الحاجة إلى التعديل النشط والمستمر، يقلل نهج معهد ISTA بشكل فعال من العوائق التي تحول دون توسيع نطاق الشبكات الكمومية. وإذا تمكن المهندسون من تحسين معدل نقل التشابك المتاح في الحمام، فقد تكون هذه المزامنة الثابتة هي الحلقة المفقودة لربط الأنظمة الكمومية الهجينة عبر مراكز بيانات مختلفة، مما يخرج الحوسبة الكمومية من عزلتها في المختبرات شديدة البرودة إلى شبكات عملية وموزعة.
