علماء يبتكرون مادة غرائبية يسير الزمن فيها ببعدين مختلفين

ابتكر علماء طوراً جديداً للمادة، يكون الزمن فيه ثنائي الأبعاد. [هنالك ثلاثة أبعاد للمادة في الكون هي الطول والعرض والارتفاع والزمن. ويحدد كل بُعد مواصفات محددة للمادة، كالطول. وإذا طُبِّق الأمر نفسه على الزمن مثلاً، تكون الطاولة المعدنية التي تجلس عليها طولها متر، عند نقطة محددة من الزمن، لكنها قد تبقى كذلك أو تتغير عند نقطة زمنية اخرى. إذا امتلك الزمن بُعدان، يكون ممكناً أن "يتكرر" قياس المتر للطاولة في لحظة زمنية اخرى، على الرغم من أن ذلك الطول ربما يكون قد اختلفت قليلاً، لنَقُل تحت تأثير الحرارة. عند هذه النقطة، هنالك "وجودان" للطاولة في الزمن، على الرغم من أنهما لا يحضران معاً أيضاً!].

ويمكن أن يؤدّي إنشاء بُعد "إضافي" للزمن، إلى تغيير طريقة تفكيرنا في المادة، إضافةً إلى المساعدة في بناء أجهزة كمبيوتر كمومية quantum computers  (متطوّرة وأكثر فاعلية من الكمبيوتر العادي، وتعالج المعلومات بشكل مختلف) يمكنها أن تغيّر العالم بحد ذاتها، وفق الباحثين الذين توصّلوا إلى هذا الاكتشاف.

وقد جرى اكتشاف هذه الصفة المحيّرة بطريقةٍ غريبة بعض الشيء، وذلك من خلال خطوط ليزر متوهجة، كان وميضها يشعّ على نمط النبضات المستوحاة من "تسلسل فيبوناتشي"  Fibonacci Sequence [سلسلة أعدادٍ صحيحة، يتمّ العثور على العدد التالي عبر جمع العددين اللذين سبقاه على غرار 0، 1، 1، 2، 3، 5، 8، 13...] وذلك ضمن ذرّاتٍ موجودة داخل كمبيوتر كمومي. [النظرية الكمومية تنظر إلى الكون بطريقة مختلفة عن الفيزياء الميكانيكية التي قدمها نيوتن، وكذلك النظرية النسبية التي رسمها آينشتاين. مثلاً، يمكن للسرعة الكمومية أن تفوق سرعة الضوء، بل أنها لا تُرصَدْ بالزمن].

وحينما فعل الباحثون ذلك، عثروا على الطور الغرائبي للمادة. إذ امتلكت نبضات الليزر بُعدين، على الرغم من أنه يتدفّق في الزمن باتّجاهٍ واحد [ما يعني أنه يحتفظ بالبعد الثاني] وفق تأكيد العلماء، الذين يرون أن هذا التطوّر يجعل أعواماً من البحث النظري تُتحوّل إلى واقع تجريبي. [بالنسبة إلى النظرية الكمومية، إذا أطلقت موجة من أشعة ليزر، مثلاً، فسيكون من غير الممكن إطلاق موجة مطابقة لها تماماً، لأن الظروف التي رافقت انطلاقة الموجة الأولى تبدلت، في الأقل لقد مرّ زمن مختلف عليها. في التجربة المشار إليها، أمكن الاحتفاظ بمواصفات الموجة الأولى لفترة من الزمن، وهو ما يقصد بوصفه بعداً آخر، ما أتاح إمكانية إطلاقها مرة أخرى لتكون متطابقة كلياً مع الأولى. بالتالي، تنجو الإطلاقة الثانية من المؤثرات التي ربما تغّير أو تتداخل مع الموجة الأولى. إذا تخيلنا أن الانطلاقة الأولى تشبه كمية من المعلومات، تكون الثانية هي المعلومات نفسها مع تصفيتها من التداخلات المؤثرة عليها. ولذا، اعتبرها العلماء قفزة إلى الأمام لتحقيق صنع كمبيوتر كمومي].

وجرى الكشف عن البحث في وثيقةٍ علمية جديدة بعنوان "الطور الطوبولوجي الديناميكي المحقّق في محاكاةٍ كمّية للأيونات المحاصرة" Dynamical topological phase realized in a trapped-ion quantum simulator، نُشرت في مجلة "نايتشر"  العلمية.

واستطراداً، من المرجّح الطور الغريب للمادة أن تكون له فائدة رئيسة للعلماء الذين يحاولون بناء حواسيب كمومية يمكن الاعتماد عليها. ويمكن لتكنولوجيا من هذا النوع أن تغيّر العالم، من خلال ما تتيحه من عمليّاتٍ حسابية كانت مستحيلةً عملياً في السابق، إلا أنه تبيّن أن من الصعب ضمان مدى صدقيتها وفعاليتها كي يُجرى اعتمادها واستخدامها على أرض الواقع.

في المقابل، ضمن الطور الجديد للمادة، تكون المعلومات المخزّنة في منأى عن الأخطاء ومحميةً بشكلٍ أفضل، بالمقارنةً بالأنظمة الأخرى المستخدمة في الوقت الراهن في أجهزة الكمبيوتر الكمومية. وهذا يعني أنه يمكن الاحتفاظ بالمعلومات لفترةٍ أطول، ما من شأنه بالتالي أن يزيد من احتمالات استخدام الحوسبة الكمومية. 

بصورة عامة، يجري تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية بواسطة الـ"كيوبِتات"  qubits [كيوبِت هي وحدة المعلومات الكمّومية. وتشتق البادئة "كيو" من كلمة كوانتوم Quantum] التي تُسمّى أيضاً البِتات الكمّية quantum bits، وتشبه وحدات البِت  bits الموجودة في أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية [يعتمد الكومبيوتر على وحدات الصفر والواحد، 1 و0، والبت هي تدفق إلكتروني مكوّن من صفر وواحد]. وتتألف الـ"كيوبت" من أيونات، ويمكن إيقاف تشغيلها أو تشغيلها أو التحكّم بمزيج من الاثنين. [الأيون هو ذرة تحمل شحنة كهربائية].

في المقابل، إن التفاعل مع الكيوبِتات يمكن أن يحدث لها اضطراباً، ويجعل أيّ أجهزة كمبيوتر تعتمد عليها عرضةً للخطأ إلى درجة أنها قد لا تعود مفيدة.

واستكمالاً، أوضح فيليب دوميتريسكو، العالِم في "مركز فيزياء الكمّ الحاسوبي" Center for Computational Quantum Physics  التابع لـ "معهد فلاتيرون" Flatiron Institute في مدينة نيويورك، أنه "حتى إذا أبقيت جميع الذرّات تحت سيطرةٍ محكمة، فقد تفقد كميّتها من خلال التخاطب مع بيئتها، أو الاحترار، أو التفاعل مع الأشياء بطرق لم يُخطّط لها. ومن الناحية العملية، تحتوي الأجهزة التجريبية على كثير من مصادر الخطأ التي يمكن أن تؤدّي إلى اختلال التماسك بعد ضخ بضع نبضاتٍ فقط من الليزر".

بالتالي، فقد توجب على العلماء إيجاد طريقة تجعل تلك الكيوبِتات أكثر فاعلية، وأقل قابلية للتغيير. وتتمثّل إحدى الطرق في مواصلة تسليط أشعة الليزر عليها، الأمر الذي من شأنه أن يضيف "تطابقاتٍ" symmetries تجعلها تتمتّع بمقدار أكبر من المرونة في مواجهة التغييرات. في المقابل، أثناء الدراسة الجديدة، لم يضف العلماء تطابقاً زمنياً واحداً بل اثنين، باستخدام نبضات الليزر بشكلٍ نظامي، لكن غير متكرّر.

واستناداً إلى ذلك، تعتبر النظرية التي خرج بها العلماء من تلك المادة الغرائبية الزمن، أن استعمال بُعدين للزمن في المادة نفسها سينجح من خلال إنشاء ترتيبٍ زمني خاص، من شأنه أن يضيف تطابقاً آخر، بمعنى أنه يحصل في الواقع على مقدارٍ إضافي من التماثل والمرونة، يقترضه من بُعد إضافي لا يكون موجوداً فعلياً في المرّة الأولى. 

من زاوية أخرى، لا تثبت تلك النظرية صحّتها دوماً في الحوسبة الكمومية، نظراً إلى تعقيد بنية الأنظمة الكمومية وغموضها. وقد أكّد العلماء الآن صحّة هذه النظرية في العالم الحقيقي.

ومن المقرّر أن ينكبّ العلماء الآن على دمج هذه النتائج التي توصّلوا إليها في أجهزة كمبيوتر فاعلة تؤدي وظائف فعلية، يمكنها الاعتماد على السلوك المعقّد لتحسين أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

وأخيراً، اعتبر فيليب دوميتريسكو في تصريح له، "إننا نقف اليوم أمام تطبيق مباشر [لمفهوم وجود بعدين للزمن] وهو بمثابة لغزٍ محيّر. لكننا بحاجة إلى إيجاد طريقةٍ لربطه بالحسابات. إنها مشكلة ما زلنا نعمل على حلّها".

نشر في "اندبندنت" بتاريخ 22 يوليو 2022