أثبت علماء الكمبيوتر أن الحرارة تدمر التعقيد

منذ ما يقرب من قرن من الزمان، لفت الفيزيائي إروين شرودنجر الانتباه إلى غرابة في عالم الكم، والتي أذهلت الباحثين منذ ذلك الحين. عندما تتفاعل الجسيمات الكمومية مثل الذرات، فإنها تظهر هوياتها الفردية لصالح حالة جماعية أكبر وأغرب من مجموع أجزائها. وتسمى هذه الظاهرة مشكلة.

يتمتع الباحثون بفهم قوي لكيفية عمل المشكلة في الأنظمة المثالية التي تحتوي على عدد قليل من الجزيئات. لكن العالم الحقيقي أكثر تعقيدا. في المصفوفات الأكبر من الذرات التي تشكل الأشياء التي نراها ونلمسها، تتنافس قوانين فيزياء الكم مع قوانين الديناميكا الحرارية، وتصبح الأمور فوضوية.

وفي درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكنها الانتشار لمسافات طويلة وتحيط بالعديد من الذرات، مما يؤدي إلى ظواهر غريبة مثل الموصلية الفائقة. ومع ذلك، عند زيادة الحرارة، تهتز الذرات، مما يؤدي إلى تعطيل الروابط الهشة التي تربط الجسيمات المتشابكة.

لقد ناضل الفيزيائيون منذ فترة طويلة لمعرفة تفاصيل هذه العملية. والآن، هناك فريق من أربعة باحثين ثبت ولا تضعف المشكلة مع ارتفاع درجة الحرارة. وعلى العكس من ذلك، في النماذج الرياضية للأنظمة الكمومية، مثل صفائف الذرات في المواد الفيزيائية، هناك دائمًا درجة حرارة معينة تختفي عندها تمامًا. وقال: “الأمر لا يقتصر على أنه أصغر بشكل كبير”. أنكور مويترا من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كان أحد مؤلفي الاستنتاج الجديد. “إنه صفر.”

وقد لاحظ الباحثون في السابق تلميحات لهذا السلوك وأطلقوا عليه اسم “الموت المفاجئ“من المشكلة. لكن أدلتهم تكون دائما ظرفية. وفي المقابل، يتمتع الاختراع الجديد بقوة الإثبات الرياضي. فهو يحدد عدم وجود مشكلة بطريقة شاملة وصارمة للغاية.

ومن المثير للاهتمام أن الباحثين الأربعة الذين يقفون وراء النتيجة الجديدة ليسوا حتى فيزيائيين، ولم يبدأوا حتى في إثبات أي شيء حول المشكلة. لقد كانوا علماء كمبيوتر عثروا بالصدفة على المصدر أثناء تطوير خوارزمية جديدة.

وبغض النظر عن الغرض منها، فقد أثارت النتائج حماسة الباحثين في هذا المجال. وقال “إنه بيان قوي للغاية”. تشوي قريبافيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “أنا معجب جدا.”

العثور على التوازن

توصل الفريق إلى هذا الاكتشاف أثناء دراسة القدرات النظرية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية، وهي آلات تستخدم السلوك الكمي، بما في ذلك التشابك والتراكب، لإجراء حسابات معينة بشكل أسرع بكثير من أجهزة الكمبيوتر التقليدية التي نعرفها اليوم.

أحد التطبيقات الواعدة للحوسبة الكمومية هو دراسة فيزياء الكم. لنفترض أنك تريد فهم سلوك النظام الكمي. يجب على الباحثين أولاً تطوير إجراءات أو أساليب محددة يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية استخدامها للإجابة على أسئلتك.

ولكن ليس من السهل الإجابة على جميع الأسئلة المتعلقة بالأنظمة الكمومية باستخدام الخوارزميات الكمومية. بعضها سهل بنفس القدر بالنسبة للخوارزميات الكلاسيكية التي تعمل على أجهزة الكمبيوتر العادية، في حين أن البعض الآخر صعب على كل من أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية والكمية.

لفهم أين يمكن أن توفر الخوارزميات الكمومية وأجهزة الكمبيوتر التي يمكنها تشغيلها ميزة، يقوم الباحثون غالبًا بتحليل نماذج رياضية تسمى أنظمة الدوران، والتي تلتقط السلوك الأساسي لمصفوفات الذرات المتفاعلة. قد يتساءلون: ماذا سيفعل النظام الحلزوني إذا تركته بمفرده عند درجة حرارة معينة؟ وتحدد الحالة التي يستقر فيها، والتي تسمى حالة التوازن الحراري، العديد من خصائصه، لذلك سعى الباحثون منذ فترة طويلة إلى تطوير طرق للعثور على حالات التوازن.

وسواء كانت هذه الآليات تستفيد فعليًا من كونها كمومية بطبيعتها، فهذا يعتمد على درجة حرارة نظام السبين المعني. وفي درجات حرارة عالية جدًا، يمكن للخوارزميات الكلاسيكية المعروفة القيام بهذه المهمة بسهولة. ومع انخفاض درجة الحرارة، تصبح المشكلة أصعب وتزداد قوة الظواهر الكمومية؛ يصعب حل بعض أجهزة الكمبيوتر في أي فترة زمنية معقولة، حتى أجهزة الكمبيوتر الكمومية. لكن تفاصيل كل هذا تظل غامضة.

“متى تذهب إلى مكان تحتاج فيه إلى الكم، ومتى تذهب إلى مكان لا يساعدك فيه الكم؟” قال إيفين تانغباحث في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وأحد مؤلفي الاستنتاج الجديد. “ليس مألوفا جدا.”

في فبراير، بدأ تانغ ومويترا بالتفكير في مشكلة توازن الحرارة مع اثنين من علماء الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: باحث ما بعد الدكتوراه اينيش باكشي وطالب دراسات عليا في مويترا آلان ليو. وفي عام 2023، تعاونوا جميعًا خوارزمية كمومية رائعة ولمهمة مختلفة تتضمن أنظمة حلزونية، كانوا يتطلعون إلى تحدٍ جديد.

وقال باكشي: “عندما نعمل معًا، تتدفق الأمور”. “لقد كان رائعا.”

قبل تحقيق هذا الإنجاز في عام 2023، لم يكن الباحثون الثلاثة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قد عملوا مطلقًا على الخوارزميات الكمومية. كانت خلفيتهم في نظرية التعلم، وهو مجال فرعي من علوم الكمبيوتر يركز على خوارزميات التحليل الإحصائي. ولكن مثل المديرين الطموحين في كل مكان، فقد رأوا في براءتهم النسبية ميزة، وطريقة لرؤية المشكلة بعيون جديدة. وقال مويترا: “إحدى نقاط قوتنا هي أننا لا نعرف الكثير عن الكم”. “الكم الوحيد لدينا هو الذي علمنا إياه إيفين.”

قرر الفريق التركيز على درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا، وعلى الرغم من عدم تمكن أحد من إثبات ذلك، إلا أن الباحثين اشتبهوا في وجود خوارزميات كمومية أسرع. وسرعان ما وجدوا طريقة لتكييف التقنية القديمة من نظرية تعلم الخوارزمية السريعة الجديدة. لكن بينما كانوا يكتبون ورقتهم البحثية، توصلت مجموعة أخرى إلى واحدة نتيجة مماثلة: مصدر أ طريقة موثوقة يعمل بشكل جيد في درجات الحرارة المرتفعة التي تم إنشاؤها في العام السابق. لقد تم حصدهم.

الموت المفاجئ هو ولادة جديدة

بدأ تانغ ومعاونوه في التواصل، بعد أن ارتبكوا قليلاً بشأن أنهم سيأتون في المرتبة الثانية ألفارو الحمراءفيزيائي في معهد الفيزياء النظرية بمدريد وأحد مؤلفي ورقة المسابقة. لقد أرادوا التمييز بين النتائج التي تم التوصل إليها بشكل مستقل. لكن عندما قرأ قصر الحمراء مسودة مبكرة لإثبات الباحثين الأربعة، تفاجأ عندما وجد أنهم قد أثبتوا شيئًا آخر عند نقطة متوسطة: أنه بالنسبة لأي نظام حلزوني في التوازن الحراري، فوق درجة حرارة معينة، تختفي المشكلة تمامًا. قال قصر الحمراء: “قلت لهم: هذا مهم حقًا”.