أول محاكاة للثقب الدودي على الكمبيوتر الكمي

نجح فريق من الباحثين من جامعة هارفارد ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكلكتا بالتعاون مع جوجل في محاكاة ثقب دودي يمكن عبوره بمساعدة الكمبيوتر الكمي. وأظهرت التجربة التي أجريت على معالج جوجل الكمي مرور المعلومات في النظام المتشابك. وفقًا لمبدأ التصوير المجسم، فإن الفيزياء الموضحة في التجربة هي نفس الجسيمات التي تمر عبر الثقوب الدودية. وعلى الرغم من أنها أجريت على تسعة كيوبتات فقط، إلا أن التجربة ذات أهمية كبيرة لأنها توضح لأول مرة إمكانية اختبار الجاذبية الكمومية بمساعدة الأنظمة المتشابكة.

في نهاية القرن الماضي، نشأ مبدأ جذري في أذهان الفيزيائيين المشهورين ويتن ومالديسينا. المبدأ الذي صاغوه، والمعروف باسم مبدأ الهولوغرافيا، يفترض أن الفيزياء التي تحدث في الكون تحت تأثير الجاذبية النسبية هي نفسها تمامًا مثل الكون ذي البعد الأقل الذي تحكمه قوانين ميكانيكا الكم دون الجاذبية. المقالات ويتن و ملادسانا تعتبر حاليًا الأكثر استشهادًا في فيزياء الطاقة العالية ويبدو أن هذه الحقيقة لن تتغير قريبًا. الفكرة الرائعة التي أحدثت ضجة في المجتمع العلمي لا تخلو من علامات الاستفهام. لنبدأ بالقول إنها غير صالحة في كوننا، لأنها تعمل فقط في كون ذي ثابت كوني سلبي (وليس في كون ذي ثابت كوني موجب). بالإضافة إلى ذلك، فإن نظرية الكم المقابلة لنظرية الجاذبية ليست مجرد نظرية كم أخرى، فالرياضيات تنص على أنها يجب أن تتصرف بنفس الطريقة عند أي مسافة، طويلة أو قصيرة. بمعنى آخر، تحتوي هذه النظرية على تناظر الانكماش والتمدد (على وجه الدقة، التناظر هو تناظر امتثالي ولكن هذا أقل أهمية لمناقشتنا). على الرغم من عيوبه، فقد تحدى هذا المبدأ الفكرة القديمة القائلة بأن ميكانيكا الكم والنسبية لا تتوافقان معًا، بل وألمح إلى أنهما في الواقع وجهان لعملة واحدة. السبب الذي يجعل الفيزيائيين يطلقون على هذا المبدأ اسم مبدأ التصوير المجسم هو أن نظرية الكم موصوفة في بعد أقل من نظرية الجاذبية، تمامًا كما يشفر الهولوغرام كونًا ثلاثي الأبعاد على سطح ثنائي الأبعاد. من المهم أن نلاحظ أن التصوير المجسم للجاذبية لم يتم إثباته بشكل كامل. كل ما لدينا هو أدلة على نجاح هذا المبدأ (وفي الوقت نفسه، الأدلة قوية ومقنعة. حتى أن أجزاء من المجتمع العلمي تعتقد أن كل نظرية جاذبية لها نظرية كمومية مقابلة، وليس فقط تلك ذات الانحناء السلبي). ومع ذلك، في العلم لا توجد معتقدات وطالما أننا لا نملك مثل هذه الخرائط، فهذه تصريحات خاملة).

على الثقوب الدودية والجسيمات المتشابكة

متأثرًا بمبدأ التصوير المجسم، أخذ سسكيند وملدسانا الفكرة خطوة أخرى إلى الأمام وفي عام 2013 تجادلنا الثقوب الدودية، وهي أجسام نظرية تقصر المسافات بين نهايات مختلفة للكون، تصف في الواقع نفس فيزياء الجسيمات المتشابكة. في المجتمع العلمي، انزلقت العلاقة بين التشابك الكمي والثقوب الدودية من خلال الشقوق لأن الكثيرين اعتبروا هذه الظواهر غير ذات صلة. كيف يرتبط التشابك، وهو ظاهرة تمت ملاحظتها في المختبر مرات لا تحصى، والثقوب الدودية، وهي أجسام نظرية لم يتم ملاحظتها من قبل، ببعضهما البعض؟ في مقالة ساسكيند وملدسانا، تم وصف الثقوب الدودية على أنها آلية تسمح باتصال كمي غير محلي بين جزيئين، ولكن هل الثقوب الدودية ممكنة حقًا في الطبيعة؟

في أفلام الخيال العلمي، تحظى الثقوب الدودية بشعبية كبيرة. بمساعدتهم، يمكنك السفر بين المجرات في فترة زمنية معقولة، وتطوير حبكة الفيلم لمدة ساعتين وعدم نشره على مدى مليارات السنين. بالطبع سأكون سعيدًا بالإبلاغ عن وجود مثل هذه الدودة السوداء في متناول اليد، ولكن لسوء الحظ فإن الواقع أكثر تعقيدًا. الثقب الدودي الذي وصفه أينشتاين روزن بودولسكي لأول مرة في عام 1935 ليس ثقبًا دوديًا يمكن المرور من خلاله. والحقيقة أنه إذا دخلها شخصان، فقد يلتقيان في المنتصف، لكن لا يمكنهما العبور إلى الجانب الآخر. بالمناسبة، سيكون الاجتماع مؤقتًا فقط، لأنهم سينهارون بسرعة كبيرة تحت جاذبية الثقب الدودي. هذه الحقيقة لم تتغير حقًا حتى وقت قريب، عندما قام جيفريز وزملاؤه من جامعة هارفارد تظهر لأول مرة في عام 2017، من الممكن بناء ثقب دودي يمكن أن يفتح لبضع لحظات ويسمح للجزيئات بالعبور إلى الجانب الآخر. الطريقة التي تمكن بها جيفريز من فتح الثقب الدودي كانت مدعومة بالطاقة السلبية. بالمناسبة، هذا ليس اكتشافًا جديدًا، لكن حتى مقال جيفريز، لم يعرفوا كيفية القيام بذلك. أظهرت حسابات جيفريز أن الثقب الدودي يمتلئ بالطاقة السلبية طالما يفترض أن الفتحات تتأثر ببعضها البعض في ظل تفاعل كمي معروف.

يعد اكتشاف جيفريز أول دليل على فكرة سسكيند وملدسانا. ويعود السبب في قدرة الثقب الدودي على نقل المعلومات من خلاله إلى أن الفتحات توصف بشكل فعال بأنها جزيئات متشابكة، بسبب التفاعل بينها، بما يتوافق تمامًا مع مبدأ التصوير المجسم. ومن المهم أن نلاحظ أنه في ثقوب جيفريز الدودية لا يمكن نقل المعلومات بسرعة أعلى من سرعة الضوء لأنه لكي ينفتح الثقب الدودي يجب أن يحدث تفاعل كمي بين الفتحات، وهذا موجود طالما يمكن للفتحتين التواصل بسرعة أقل من سرعة الضوء.

ثقب دودي على جهاز كمبيوتر كمي

إذا كان التصوير المجسم صحيحًا بالفعل وكانت فيزياء الثقوب الدودية مطابقة بالفعل للجسيمات المتشابكة، فيمكن تشفير عملية محاكاة مرور المعلومات عبر الثقوب الدودية من خلال التشابك. وفي عام 2021، ادعى جيفريز وزملاؤه ذلك بالضبط وتظهر أنه يمكن بناء تجربة على أجهزة الكمبيوتر الكمومية التي ستوضح وجود ثقب دودي مفتوح. السبب وراء قدرة أجهزة الكمبيوتر الكمومية على القيام بذلك هو أن الكمبيوتر الكمي مبني من أنظمة متشابكة مع بعضها البعض. من أجل بناء محاكاة للثقب الدودي، قام الباحثون بتجميع الكيوبتات في مجموعتين وتشابكهم. وتحاكي مجموعتا أو جوانب الحاسوب الكمي نهايات الكون الأسود الذي تقود إليه الدودة. وفي المرحلة الثانية من التجربة، قاموا بتغذية المعلومات في جانب واحد من الكمبيوتر الكمي، وانتظروا قليلاً حتى تمتزج المعلومات مع الضوضاء، ثم قاموا بتشغيل التفاعل بين جانبي الكمبيوتر. وبعد لحظات قليلة رأوا أن المعلومات انتقلت إلى الجانب الآخر دون ضجيج. التجربة الناجحة قام بها جيفريز وزملاؤه من جوجل ومعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نشرت على غلاف مجلة الطبيعة.

نؤكد على أن الثقب الدودي الموضح في الكمبيوتر الكمي ليس ثقبًا دوديًا حقيقيًا، بل هو خريطة رياضية للمشكلة الحقيقية التي تتطلب الجاذبية. العرض التوضيحي نفسه لا يتأثر بالجاذبية، ولا حتى بالجاذبية التي تسببها الأرض. ويترتب على ذلك أنه لا يوجد خطر من أن تتشكل دودة سوداء في الكمبيوتر الكمي وتبتلع الأرض.

صحيح أن العملية الفيزيائية التي تجري في الحاسوب الكمي يمكن تفسيرها حتى بدون استخدام مبدأ التصوير المجسم، إلا أنها قد تبدو معقدة. إن تشبيه هذه العملية بالثقب الدودي يوفر تفسيرًا بسيطًا نسبيًا لحقيقة أن المعلومات تنتقل إلى الجانب الآخر من الكمبيوتر الكمي دون ضوضاء. ومن المهم الإشارة إلى أن مبدأ التصوير المجسم يعمل بشكل رائع خاصة في الأنظمة الكبيرة ذات درجات الحرية العديدة، لكن اليوم ليس لدينا حاسوب كمي يحتوي على العديد من الكيوبتات الخالي من الضوضاء. ولكي تكون الأخطاء التجريبية صغيرة، قام الباحثون بإظهار ثقب جيفريز الدودي باستخدام تسعة كيوبتات فقط. العدد الصغير من الكيوبتات يعني أن التجربة يمكن أن تتم أيضًا على جهاز كمبيوتر كلاسيكي. وطالما كان ذلك ممكنا، فلا ينبغي للتجربة أن تعلمنا شيئا جديدا عن الجاذبية الكمية. وفي الوقت نفسه، أود أن أؤكد على أن تجربة جيفريز تعد علامة فارقة ستمهد الطريق لتطوير تجارب محاكاة عمليات الجاذبية على أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وهذا دليل مهم على أنه يمكن محاكاة جوانب معينة من الثقوب الدودية على كمبيوتر كمي وربما في المستقبل إجراء نفس التجربة على كمبيوتر كمي كامل يحتوي على آلاف الكيوبتات.

هل لديك سؤال أو موضوع تود أن أكتب عنه؟ اتصل بي على noamphysics@gmail.com

للمادة العلمية

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• خطوة أخرى نحو الجاذبية الكمومية
• انسَ الثقوب السوداء، فالمهمة الآن هي العثور على الثقوب الدودية
• الفيزيائيون: وجود الثقوب الدودية (الصغيرة) أمر ممكن
• الثقوب السوداء والثقوب الدودية وأسرار الزمكان الكمي
• خطوة أخرى نحو الجاذبية الكمومية