الحواسيب الكمومية تحاكي تخليق أول جسيمات الكون

محاكاة كمومية للكون

في فيزياء الجسيمات، نحن معتادون أن الجسيمات تُخلق عبر تصادمات عالية الطاقة، ولهذا أنشأ العلماء مسرعات الجسيمات مثل الموجود في سيرن، ولكن في المحاكاة التي أجراها الفريق البحثي يتم تخليق الجسيمات فقط بسبب تمدد الفضاء نفسه، مما يُظهر أن هندسة الزمكان وحدها قادرة على إنتاج المادة، وهو مفهوم غير بديهي، وذلك يستدعي فهمه في إطار ميكانيكا الكم.

تخيل الكون كأنه بالون يتمدد كلما نفخته أكثر. عندما يتمدد، يمكن أن تظهر جسيمات صغيرة جديدة كأنها فقاعات هواء تظهر فجأة داخل البالون من الفراغ حيث تُخلق الجسيمات. أراد الباحثون في هذه الدراسة فهم كيفية ظهور تلك الجسيمات، لكن لا يمكن تجربة هذا في الواقع، لذا استخدموا حواسيب خاصة تسمى “الحواسيب الكمومية” لصنع محاكاة لهذه الظاهرة.

اختار الباحثون نموذجا معينا لوصف تمدد الكون، وهذا النموذج يشبه خريطة تُظهر كيف يتمدد الكون بطريقة متساوية في كل الاتجاهات، مما يساعد على فهم عملية خلق الجسيمات تلك ولكن من دون الحاجة إلى توحيد الكم والنسبية. كذلك استخدموا نوعًا خاصًّا من الجسيمات التي لا تدور حول نفسها، مثل الكرات الصغيرة جدًّا، لمعرفة كيف تتشكل الجسيمات عند تمدد الكون.

لتنفيذ هذه الفكرة، استخدم العلماء حاسوبًا كموميًّا قويًّا من شركة “آي بي إم” يحتوي على 127 جزءًا صغيرًا يسمى “كيوبتات”، وهي وحدات البناء في الكمبيوتر الكمومي. هذه الكيوبتات ساعدت في تمثيل الجسيمات التي تظهر في الكون المتمدد والذي سيُعرف في التجربة باسم الحقل الكمومي، مما أعطى العلماء طريقة جديدة لرؤية ما يحدث داخل هذا العالم الغامض!

تحديات الضوضاء الكمومية… وكيف تم تجاوزها

رغم التقدّم الكبير في مجال الحوسبة الكمومية، إلا أنها لا تزال تعاني من بعض القيود التقنية، إذ تنتمي هذه التقنية حاليًا إلى ما يُعرف بـ”عصر الكم الوسيط الصاخب” (NISQ)، حيث تؤثر الضوضاء والتشويش والأخطاء التراكمية على دقة العمليات الكمومية.

وللتعامل مع هذه التحديات، أوضح ماركو دياز ماكيدا، الباحث الرئيسي في الدراسة، في تصريحات خاصة لـ نيوز عربي، أن الفريق استخدم فقط 4 كيوبتات – واحدة لكل حالة كمومية للحقل – ومع ذلك، فإن العدد الكبير من البوابات الكمومية المطلوبة لتنفيذ المحاكاة تسبب بتراكم الأخطاء. وأضاف: “اعتمدنا على تقنيات خاصة لتقليل الضوضاء الكمومية وتحسين دقة النتائج، وهو ما منحنا نتائج أكثر اتساقًا مع النماذج النظرية”.

كيف تعمل الكيوبتات؟

الكيوبت هو وحدة المعلومات الأساسية في الحوسبة الكمومية، لكنه يتميز عن “البت” التقليدي بقدرته على التواجد في أكثر من حالة في نفس الوقت (بفضل ظاهرة التراكب الكمي)، مما يتيح للحواسيب الكمومية أداء حسابات معقدة بسرعة هائلة مقارنة بالحواسيب التقليدية.

لزيادة دقة المحاكاة، أضاف الباحثون ضوضاء اصطناعية بطريقة مدروسة وقاموا بقياس تأثيرها، إلى أن نجحوا في استنتاج النتائج كما لو كانت في “بيئة خالية من الضوضاء”. وتم ترميز حالات الحقل الكمومي داخل الكيوبتات، مع تخصيص كل كيوبت لمستوى محدد من الإثارة.

ولتقريب الفكرة، تخيّل أن كل حالة كمومية تُشبه نغمة من نغمات البيانو – منخفضة، متوسطة، أو عالية – وكلما زادت طاقة الجسيم، زادت نغمة الإثارة الخاصة به. في هذه الدراسة، اعتمد الباحثون على 4 مستويات من الإثارة، وخصصوا لكل منها كيوبتًا محددًا داخل الحاسوب الكمومي.

تمثيل الكون المتمدد على الحاسوب الكمومي

باستخدام التقنيات المطورة من قبل البروفيسور كارلوس سابين، المشرف على الدراسة، نجح ماكيدا في تمثيل التطور الزمني للحقل الكمومي عبر عمليات مبرمجة بدقة على الكيوبتات. هذه العمليات تحاكي سلوك الجسيمات في الكون المتوسع، مما أتاح دراسة دقيقة لكيفية ظهور الجسيمات نتيجة تمدد الزمكان.

نتائج واعدة… وتأثيرات مستقبلية على علم الكونيات

نجحت المحاكاة الكمومية في تمثيل عملية تخليق الجسيمات بدقة عالية، حيث جاءت النتائج متوافقة بشكل كبير مع التوقعات النظرية، رغم الضوضاء التي شهدها النظام أثناء التشغيل. وتثبت هذه الدراسة أن الحوسبة الكمومية يمكن أن تكون أداة فعالة وواعدة لمحاكاة الظواهر الكونية المعقدة، خاصة في المراحل المبكرة من عمر الكون.

يعتقد الباحثون أن هذه التقنية قد تُحدث نقلة نوعية في علم الكونيات النظري، خاصة مع استمرار التطوير في دقة وأداء الحواسيب الكمومية. وفي هذا السياق، يضيف ماكيدا: “سبق أن استخدم فريق البروفيسور سابين الحوسبة الكمومية لمحاكاة ظواهر مثل التشابك الجاذبي، وتبخر الثقوب السوداء، وحتى البنية السببية للزمكان”.

تمثل هذه الدراسة إنجازًا مهمًا على طريق دمج ميكانيكا الكم في دراسة الكون، ما يفتح آفاقًا جديدة لفهم ظواهر لم يكن بالإمكان رصدها تجريبيًا من قبل.