خوارزمية كمّية جديدة تحلّ مسألة تعجز عنها الحواسيب الفائقة

طوّر باحثون خوارزمية كمّية جديدة تحلّ مسائل لا تقوى عليها حتى أقوى الحواسيب الفائقة. وتتيح هذه الخوارزمية محاكاة أعقد المواد الكمّية، وتشقّ طريقاً مباشراً نحو بناء حواسيب كمّية حقيقية كاملة الوظائف.

اختراق في محاكاة المواد

ابتكر العلماء خوارزمية كمّية قادرة على التعامل مع مسائل كانت الحواسيب الفائقة التقليدية ستحتاج إلى سنوات من الحوسبة المتواصلة لحلّها. ويتعلق الأمر بمحاكاة أشباه البلورات، وهي مواد غريبة ذات بنية غير مألوفة لا تخضع لقوانين علم البلورات المعتادة.

تتخذ ذرّات أشباه البلورات ترتيباً منتظماً، لكنها لا تشكّل شبكة متكررة، وهذا ما يجعل تحليلها بالغ الصعوبة. ولتبسيط الفكرة، تخيّلوا جداراً من الطوب يبدو منظّماً لكنه لا يكرّر نفسه بالكامل أبداً؛ هذا شرح مبسّط لشبه البلورة. وتتطلب دراسة هذه المواد النظر في مليارات الحالات الكمّية في آن واحد.

وتعالج الخوارزمية الجديدة هذه المعلومات في ثوانٍ، ما يفتح المجال أمام أبحاث كانت تبدو مستحيلة من قبل. وليس الأمر مجرد تسريع للحسابات، بل قفزة نوعية في قدرة العلماء على التعامل مع الأنظمة الكمّية من حيث المبدأ.

الطريق نحو أجهزة كمّية جديدة

تُستخدم النتائج بالفعل في تصميم الكيوبتات الطوبولوجية، وهي نوع خاص من الكيوبتات يتمتع بحماية طبيعية من الأخطاء بفضل خصائصه الفيزيائية. وتُعدّ الكيوبتات الطوبولوجية من أكثر المقاربات الواعدة لبناء حواسيب كمّية مستقرة وقابلة للعمل.

تكمن مشكلة الكيوبتات التقليدية في شدّة حساسيتها للمؤثرات الخارجية؛ فحتى تغيّر ضئيل في درجة الحرارة أو في المجال الكهرومغناطيسي قد يتسبب في خطأ. أما الكيوبتات الطوبولوجية فتتجاوز هذه المشكلة بترميز المعلومات في الخصائص الطوبولوجية للمادة، وهي أقل عرضة للاضطرابات.

وتساعد الخوارزمية العلماء على معرفة المواد الأنسب لصنع هذه الكيوبتات، وعلى تصميم أجهزة بالخصائص المطلوبة:

• محاكاة أشباه البلورات في الزمن الفعلي
• تصميم كيوبتات محمية طوبولوجياً
• البحث عن مواد للموصلات الفائقة عالية الحرارة
• تطوير إلكترونيات فائقة الكفاءة من الجيل الجديد
• ابتكار مواد لمستشعرات كمّية ولعلم القياس

حجم المشكلة

تكمن صعوبة محاكاة أشباه البلورات في أن خصائصها الكمّية لا يمكن التنبؤ بها بالتقريبات والمعادلات البسيطة. فالمطلوب حسابات كاملة تراعي تفاعل عدد هائل من الجسيمات، أي مليارات الإلكترونات التي تتفاعل فيما بينها وفق قوانين ميكانيكا الكمّ المعقدة.

تتعامل الحواسيب الكلاسيكية مع هذه المسألة بكفاءة ضعيفة جداً، إذ يتزايد التعقيد الحسابي أُسّياً مع نمو حجم النظام. ويعني ذلك أن إضافة بضع ذرّات أخرى قد تضاعف زمن الحساب ملايين المرات.

وتتجاوز الخوارزمية الكمّية هذه المشكلة باستخدام مبادئ ميكانيكا الكمّ في المحاكاة نفسها. فبدلاً من محاكاة النظام الكمّي على حاسوب كلاسيكي، تعمل الخوارزمية مع وصفه الكمّي مباشرة. وهذا يتيح التعامل مع مسائل تتجاوز من حيث المبدأ حدود قدرات الحوسبة التقليدية.

ماذا يعني ذلك

يمثّل هذا التطوير خطوة مهمة في التطبيق العملي للحوسبة الكمّية. فقد كانت الحواسيب الكمّية في السابق موضوعات بحثية نظرية في الأساس؛ أما الآن فقد بدأت تعطي نتائج ملموسة في علم المواد والهندسة.

وإذا نجح توسيع نطاق هذا البحث ودمجه في الأدوات القياسية لعلماء المواد، فقد يسرّع ظهور حواسيب كمّية كاملة الوظائف بعقد من الزمن أو أكثر. وبدورها، ستتمكن الحواسيب الكمّية من حلّ كثير من المسائل في التشفير والكيمياء والتحسين والذكاء الاصطناعي، وهي مسائل لا تزال بعيدة المنال حالياً.