أظهرت دراسة علمية جديدة قادها باحثون من أستراليا ومؤسسات دولية أن الأخطاء داخل الحواسيب الكمّية ليست مجرد تشويش عابر، بل يمكنها الاستمرار والتطوّر والارتباط عبر الزمن، مُشكّلةً ما يشبه ذاكرة خفية تقوّض افتراضات أساسية تعتمد عليها النماذج الكمّية الحالية.
ويمثل هذا الإنجاز أول مرة يتمكّن فيها العلماء من إعادة بناء صورة كاملة ومفصّلة زمنيًا لكيفية تطوّر الأخطاء داخل حاسوب كمّي يعمل فعليا.
أخطاء لا تنسى
قاد البحث الدكتورة كريستينا جيارماتزي من جامعة ماكواري الأسترالية، وركّز على تفسير السبب الذي يجعل الحواسيب الكمّية شديدة الهشاشة رغم التطور السريع في العتاد.
تقول جيارماتزي:
"يمكننا التفكير في الأمر على أن الحواسيب الكمّية تحتفظ بذاكرة للأخطاء، وقد تكون هذه الذاكرة كلاسيكية أو كمّية، اعتمادا على كيفية ترابط هذه الأخطاء مع بعضها."
وتكمن المفاجأة الكبرى في أن كثيرا من البروتوكولات الكمّية تفترض أن الأنظمة الكمّية عديمة الذاكرة، أي أن الأخطاء السابقة لا تؤثر على الأخطاء اللاحقة، وهو ما يُعرف علميا بـ السلوك الماركوفـي (Markovian).
لكن الواقع، بحسب الدراسة، مختلف تماما.
ضوضاء غير ماركوفية تعرقل التوسّع
توضح جيارماتزي:
"العديد من البروتوكولات الكمّية تفترض أن الحواسيب الكمّية لا تمتلك هذه الذاكرة، لكن هذا الافتراض غير صحيح."
وجد الفريق أن الأخطاء تبقى مترابطة عبر لحظات زمنية متعددة، في ظاهرة تُعرف باسم الضوضاء غير الماركوفية (Non-Markovian Noise).
ويُعد هذا النوع من السلوك أحد أكبر العوائق أمام توسيع الحواسيب الكمّية لتصبح صالحة للاستخدام العملي واسع النطاق.
إعادة بناء الزمن داخل الحاسوب الكمّي
قالت جيارماتزي:
"تمكّنا من إعادة بناء التطوّر الكامل لعملية كمّية عبر نقاط زمنية متعددة، وهو أمر لم يحدث من قبل. هذا يسمح لنا برؤية ليس فقط متى تحدث الضوضاء، بل كيف تنتقل عبر الزمن."
أُجريت التجارب باستخدام معالجات كمّية فائقة التوصيل، سواء في مختبرات جامعة كوينزلاند أو عبر حواسيب كمّية تابعة لشركة IBM متاحة عبر السحابة.
إرجاع القياس الكمّي إلى الوراء
حتى وقت قريب، واجه العلماء مشكلة أساسية:
قياس نظام كمّي أثناء التجربة يؤدي عادةً إلى انهيار حالته الكمّية، مما يجعل من المستحيل متابعة التجربة بشكل نظيف.
حلّ الفريق هذه المشكلة عبر افتراض أن نتيجة القياس تكون:
0 في نصف الحالات
1 في النصف الآخر
ثم استخدموا البرمجيات لإعادة بناء الحالة السابقة للنظام.
يقول الباحث المشارك فابيو كوستا من معهد نوردِيتا في ستوكهولم:
"الأجهزة كانت قادرة على ذلك، لكن ما اكتشفناه هو كيفية تحضير النظام فعليا بعد القياس داخل الدائرة الكمّية."
ضوضاء ناتجة عن تفاعل الكيوبِتات
كشفت هذه المنهجية عن أنماط دقيقة لكنها بالغة الأهمية من الضوضاء المرتبطة بالزمن، بما في ذلك ضوضاء كمّية ناتجة عن تفاعل الكيوبِتات المتجاورة على نفس الشريحة.
ويساعد فهم هذه الأنماط العلماء على تطوير أدوات تصحيح أخطاء أكثر فعالية، وهي خطوة حاسمة للوصول إلى حوسبة كمّية مقاومة للأعطال.
من النظرية إلى العتاد الحقيقي
قال الباحث تايلر جونز، الذي شارك في العمل خلال دراسته للدكتوراه:
"من المُرضي أن نرى النماذج النظرية تُطبّق بنجاح على عتاد حقيقي. إن التوصيف الدقيق للترابطات الزمنية في الأنظمة الكمّية ضروري لبناء حواسيب كمّية قوية."
بيانات مفتوحة للمجتمع العلمي
أعلن الفريق أن البيانات والبرمجيات المستخدمة في الدراسة متاحة بشكل مفتوح، ما يمنح مجتمع الباحثين العالمي أدوات جديدة لمواجهة أحد أصعب تحديات الحوسبة الكمّية.
وقد نُشرت الدراسة كاملة في مجلة Quantum العلمية.
