تأثير زينو الكمومي يُهدد إمكانية توسيع قدرات الحاسوب

تَعِدُ أجهزة الكمبيوتر الكمومية بحل المشكلات المعقدة بسرعة وبكفاءة أعلى في استخدام الطاقة مقارنة بالسوبر كمبيوتر اليوم — بدءاً من تحسين العمليات اللوجستية وصولاً إلى محاكاة الجزيئات. ومع زيادة عدد وحدات المعالجة بها، أي "الكيوبتات" يقترب تحقق هذا الهدف.

 ولكن بجانب التحديات التقنية المتعلقة بالتوسع، يبرز تهديد جديد لم يحظَ باهتمام كافٍ حتى الآن: أظهر باحثون من "مركز هيلمهولتز دريسدن-روسندورف" في صحيفة New Journal of Physics  أن ما يُعرف بـ تأثير زينو الكمومي (Quantum-Zeno-Effect) قد يؤدي، مع زيادة عدد الكيوبتات، إلى إيقاف العمليات الحسابية وتقريبها من حالة السكون التام في الحالات القصوى؛ وهي ظاهرة يمكن مقارنتها بـ "تجمّد"  أجهزة الكمبيوتر التقليدية.

يوضح د. جيرنوت شالر، رئيس قسم تكنولوجيا المعلومات الكمومية في معهد الفيزياء النظرية بمركز HZDR: "مع تأثير زينو الكمومي، تتربص بنا عقبة لم تكن ملحوظة من قبل في فئة معينة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية". هذه الأجهزة التي تُعرف بـ أجهزة الكمبيوتر الكمومية اللاأديباتية/المتغيرة ببطء تعمل وفق مبدأ خاص: تكون الكيوبتات فيها دائماً في حالتها الأساسية (أي حالة أدنى أدنى طاقة). ولحل مسألة حسابية، يتم تغيير نطاق الطاقة الخاص بالكيوبتات خطوة بخطوة وببطء شديد يتيح لها التكيف باستمرار والتأقلم مع الحالة الأساسية الجديدة. وبمجرد اكتمال هذا التغيير، تحتوي الحالة الأساسية النهائية على حل المسألة مباشرة.

يشرح مدير المعهد أ.د. رالف شوتسهولد ذلك قائلاً: "تُعتبر الخوارزميات اللاأديباتية قوية ومستقرة، ويمكن تنفيذها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكمومية بغض النظر عن المكونات الصلبة المستخدمة". فلا يهم ما إذا كانت الكيوبتات قد أُنتجت باستخدام الموصلات الفائقة أو باستخدام أيونات منفردة مُحتجزة في مصايد كهرومغناطيسية. حيث يُستخدم كلا الخيارين بالفعل لاختبار الخوارزميات اللاأديباتية، والتي تُعتبر برمجتها أنيقة وبسيطة نسبياً مقارنة بالأساليب الأخرى.

 عندما تتحول الاضطرابات إلى مشكلة

يؤكد شوتسهولد: "لكن الكمبيوتر الكمومي لا يمكنه إجراء الحسابات بنجاح إلا إذا لم تتعرض الكيوبتات الخاصة به لاضطرابات مفرطة". وللحماية من ذلك، تُستخدم دروع واقية من الإشعاع الكهرومغناطيسي ويتم التبريد إلى درجات حرارة قريبة جداً من الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية). بهذه الطريقة فقط يمكن للكيوبتات أن تتخذ جميع الحالات الممكنة بين الصفر والواحد — وهو ما يُعرف بـ التراكب الكمومي. كما أن اقترانها الفيزيائي الكمومي، أي التشابك الكمومي، يتأثر بشدة بالاضطرابات الخارجية. وإن هذا التفاعل بين التراكب والتشابك هو ما يتيح حل المسائل المعقدة بسرعة فائقة.

ويضيف شوتسهولد: "على الرغم من كل تدابير الحماية، لا يمكن استبعاد تأثير البيئة المحيطة على الكيوبتات تماماً". ووفقاً للنموذج النظري لفريق شوتسهولد، فإن أجهزة الكمبيوتر الكمومية اللاأديباتية تزداد حساسية لهذه الاضطرابات مع توسعها وزيادة عدد الكيوبتات بها. فكلما زاد عدد الكيوبتات المقترنة ببعضها، أصبحت التغييرات في نطاق الطاقة التي يتوجب عليها تتبعها أصغر فأصغر.

وهنا يبدأ تأثير زينو الكمومي بالظهور، كما يوضح شالر: فتصبح أضعف التأثيرات القادمة من البيئة المحيطة كافية للتأثير على الحالات الكمومية للكيوبتات. يقول شالر: "كل اضطراب من هذا النوع يعمل كعملية قياس غير مرغوب فيها ويعيق تطور النظام. وفي الحالات القصوى، قد تتجمد العملية الحسابية تماماً."

تساعد المقارنة بخَبز الكعك على توضيح المبدأ: لكي تنجح الكعكة، يجب أن ترتفع في الفرن دون أي إزعاج. ومن يفتح باب الفرن باستمرار للتحقق مما إذا كانت قد نضجت، فإنه يفسد عملية الخَبز فتبقى الكعكة مسطحة أو تهبط. وينطبق الأمر نفسه على تأثير زينو الكمومي: كل اضطراب يقطع التطور الطبيعي للحالة الكمومية. وإذا تكرر ذلك كثيراً، فلن تصل الحالة إلى النتيجة النهائية المطلوبة، وتقترب العملية الحسابية من التوقف التام.

 أساليب المواجهة والحلول

مع ذلك، ليس مطورو أجهزة الكمبيوتر الكمومية عاجزين أمام تأثير زينو الكمومي. فبالإضافة إلى تعزيز حجب الإشعاع الكهرومغناطيسي والحرارة بأقصى درجة ممكنة وهو ما يعادل وضع قفل على باب الفرن في مثال الكعك يقترح شوتسهولد اتخاذ تدابير حماية نشطة: "باستخدام ما يُعرف بـ طريقة صدى الغزل، يمكن تقليل اقتران الكيوبتات ببيئتها عن طريق نبضات متماسكة". وفي تشبيه الكعك، يعادل ذلك فرناً يعوض كل فتحة لبابه بالتسخين السريع والمؤقت.

ويختتم شوتسهولد قائلاً: "تُظهر دراستنا أنه لا يمكن تطوير أجهزة كمبيوتر كمومية عالية الأداء إلا إذا تم أخذ تأثير البيئة المحيطة بالحسبان منذ البداية".