تتمتع أجهزة الكمبيوتر الكمومية أيضًا بالسرعة القصوى

يقدم العلماء في التخنيون وجامعة بون العوامل التي تحدد السرعة القصوى للحسابات الكمومية. وذلك من خلال تجربة تستخدم "موجات المادة" الكمومية.

أجرى باحثون من التخنيون وجامعة بون تجربة تجيب على السؤال التالي: ما الذي يحد من سرعة الحساب في أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟ ونشرت نتائج الدراسة في المجلة علم السلف.

تعد أجهزة الكمبيوتر الكمومية أجهزة متطورة للغاية يعتمد تشغيلها على ميكانيكا الكم، مما يسمح لها بمعالجة المشكلات التي لا يستطيع الكمبيوتر الكلاسيكي التعامل معها على الإطلاق؛ ولكن حتى الحوسبة الكمومية محدودة في كمية المعلومات التي يمكنها معالجتها في وقت معين. يمكن تشبيه المعلومات المخزنة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بتسلسل طويل من 0 و1، وهي أجزاء المعلومات الكلاسيكية التي تشكل عناصر الحساب الأساسية.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بشكل مختلف: يتم تخزين المعلومات في البتات الكمومية، أو الكيوبتات، والتي تشبه الموجة أكثر من كونها قيمًا منفصلة. الكيوبت ليس 0 أو 1، بل مزيج منهما - تراكب. عندما يتحدث الفيزيائيون عن المعلومات المخزنة في الكيوبتات فإنهم يتحدثون عن الدوال الموجية. يسمح نمط التشغيل هذا للحاسوب الكمي بإجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت، مما يؤدي بالطبع إلى تسريع أداء النظام. ومع ذلك، فحتى معالجة المعلومات في الكمبيوتر الكمومي لها حد للسرعة - حد السرعة الكمومية (QSL). ما هو هذا الحد؟ وهذا ما تناوله البحث الذي أجري في التخنيون وجامعة بون.

بالفعل في منتصف القرن الماضي، استنتج الفيزيائيان السوفييت ليونيد مندلشتام وإيجور تام، بناءً على الحسابات النظرية، الحد الأقصى لسرعة الحساب في نظام كمي معقد؛ تؤكد الدراسة الحالية تنبؤاتهم النظرية ولكنها تضيف أيضًا نتائج جديدة. ووفقا للدكتور أندريا ألبيرتي، الذي قاد البحث في معهد الفيزياء التطبيقية بجامعة بون، "لقد سمحنا لذرات السيزيوم الفردية بالتحرك بطريقة خاضعة للرقابة مثل الكرات الرخامية في وعاء من الضوء وتابعنا سلوكها".

من وجهة النظر الكمومية، توصف الذرات بأنها موجات من المادة. وفي رحلتها إلى قاع وعاء الضوء، تخضع موجة المادة لتغير يؤثر على المعلومات الكمومية التي تحملها. أرادت المجموعة البحثية معرفة ما هي المرحلة المبكرة التي يحدث فيها تغيير مميز، أي تغيير يمكن تحديده، حيث أن هذه النقطة الزمنية يمكن أن تكون بمثابة رؤية تجريبية لحدود مندلشتام-تام. إذا كانت هذه كرات عادية تتدحرج على جانب وعاء حقيقي، فسيكون كل شيء بسيطًا - وفقًا لموضع الكرة في فترات زمنية معينة، سيكون من الممكن إعادة بناء اللحظة التي انطلقت فيها؛ ومع ذلك، في عالم الكم، الأمور تعمل بشكل مختلف، لأنه مع كل قياس لموضع الذرة سنحصل على نتيجة مختلفة قليلاً، وهذا ليس خطأ في القياس ولكنه نتيجة لخصائص ميكانيكا الكم. "لهذا السبب"، يوضح الدكتور ألبيرتي، "بدلاً من محاولة تحديد موقع وشكل موجة المادة، قمنا بتطوير طريقة جديدة تحدد بشكل مباشر التغيير الذي نبحث عنه - انحراف الجسيم الكمي عن حالته الأولية ".

"من أجل ذلك،" يشرح جال نيس، المؤلف الرئيسي للمقال وطالب الدكتوراه تحت إشراف البروفيسور يوآف ساغي في كلية الفيزياء في التخنيون، "لقد أنشأنا نسخة من الموجة المادية للذرة حتى نتمكن فعليًا من كان لديه نسختين من نفس الحالة. وباستخدام ومضات ضوئية سريعة، حققنا لأول مرة تراكبًا كميًا للنسختين." عندما تنزلق إحدى نسختي موجات المادة إلى أسفل وعاء الضوء، فإن موجة المادة الأخرى تكون بالفعل في أسفل وعاء الضوء الخاص بها، لذا تبقى في مكانها ولم تعد قادرة على التحرك أو التغيير. عند نقطة معينة، سمح الباحثون للنسختين المتطابقتين بالاندماج مع بعضهما البعض، ثم، من خلال مقارنة حالتيهما الكمومية في نقاط زمنية معينة، تمكنا من استخراج الحد الأقصى للسرعة المطلوبة - الحد الأدنى من المدة الزمنية لتغيير واضح في الموجة المادية

ومن خلال تغيير الارتفاع الأولي الذي تهبط منه الذرة في وعاء الضوء، تمكن الفيزيائيون من التحكم ليس فقط في متوسط ​​الطاقة ولكن أيضًا في عدم يقين الطاقة للذرة.

تذكر أن مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ ينص على أنه من المستحيل تحديد موقع الجسيم وزخمه (الذي تشتق منه سرعته) في نفس الوقت؛ عدم اليقين في الطاقة يعني أنه من المستحيل تحديد الفارق الزمني بين حدثين كميين واختلافات الطاقة بينهما في وقت واحد. ووفقا للبروفيسور ساجي، "في الدراسة الحالية تمكنا من إظهار أنه، كما توقع مندلشتام وتام، فإن الحد الأدنى من الوقت لحدوث ذلك التغيير المتميز في موجة المادة يعتمد على مستوى عدم اليقين في الطاقة للذرة؛ هذه المرة تقصر مع زيادة عدم اليقين بشأن الطاقة."

أكدت الدراسة ظاهرة أخرى تنبأ بها نظريًا نورمان مارغولوس وليف ليفيتين في عام 1998: منذ اللحظة التي يزداد فيها عدم اليقين في الطاقة حتى تتجاوز متوسط ​​طاقة موجة المادة، فإن متوسط ​​الطاقة على وجه التحديد هو الذي يحدد الحد الأقصى لسرعة النظام. وفقًا للدكتور ألبيرتي، "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها قياس حدي السرعة في نظام كمي معقد - وفي نفس التجربة".

ويخلص الباحثون إلى أن أجهزة الكمبيوتر الكمومية ستكون بالفعل قادرة على حل المشكلات بسرعة غير مسبوقة، لكن هذه السرعة ستكون محدودة أيضًا؛ والآن يمكننا أن نعرف بالضبط مدى محدوديته، بناءً على الحدين اللذين تم التحقق منهما في الدراسة الحالية. البحث له آثار في العديد من المجالات المستقبلية بما في ذلك الحوسبة الكمومية البوسونية والمحاكاة الكمومية والإلكترونيات الذرية (الإلكترونيات القائمة على ذرات الغاز الكمومي).

تم تمويل البحث من قبل مؤسسة راينهارد فرانك بالتعاون مع جمعية أصدقاء التخنيون في ألمانيا، مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG)، مركز هيلين ديلر الكم في التخنيون وهيئة التبادل الأكاديمي الألمانية (DAAD).

للمقال في المجلة  علم السلف

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• كيف يساعد فك تشفير الجينوم على مقارنة مقاطع الفيديو لتحديد موقع الأفلام المكررة
• كشفت الأبحاث التي أجريت في جامعة ميسوري عن أكبر عدد أولي معروف للعلم اليوم.
• هل يجب أن نقلق بشأن أجهزة الكمبيوتر الكمومية؟
• ستستثمر إسرائيل في نظام الحوسبة الكمومية للقضايا الأمنية
• "الحوسبة الكمومية تأخذنا إلى عوالم كانت مستحيلة في الحوسبة الكلاسيكية"