سعيا إلى آلات جديدة تعمل من تلقاء ذاتها

يشتهر المخترع الفرنسي دو فوكانسون بأمور عديدة منها إنتاجه في القرن الثامن عشر لثلاثة أجهزة غريبة تحاكي قدرات بشرية. وثمة ملصق إعلاني من تلك الفترة يعرض هذه الأجهزة الثلاثة متجاورة: فأحدها شخص يعزف على مزمار حقيقي، والآخر لشخص يقرع الدف، والثالث لبطة تلتهم الذرة وتهضمها لتصبح في ما يبدو كريات من الـ..

. وأترك هذا لخيالكم.

ترى العالمة الفيزيائية نيكول يانجر هالبرن، في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في ميريلاند، أن لهذه الأجهزة العتيقة المحاكية للقدرات البشرية صدى في بعض أحدث تقنيات عصرنا. فقد مهدت اختراعات فوكانسون للثورة الصناعية، التي تحولت الميكنة خلالها من فضول محض لتصبح قوة أعادت تشكيل العالم. وتقول يانجر هالبرن: إننا «اليوم، في ما يتعلق بتكنولوجيا الكم، قد نكون عند نقطة تحول مماثلة».

لعل عالم الثورة الصناعية المعتمد على البخار يبدو بعيدا كل البعد عن عالم الكم. لكن فترة التغيير الجذري هذه ترسخت بقوة الديناميكا الحرارية التي تتعلق بالحرارة والعمل والطاقة. وفي الآونة الأخيرة، طبّق الفيزيائيون أفكارها على عالم ما دون الذرة لابتكار مجال جديد للديناميكا الحرارية الكمومية. وشهد هذا إنشاء آلات (ثلاجات وبطاريات وساعات) كمومية محاكية لقدرات البشر.

غير أن يانجر هالبرن تقول: إن هذه لا تعدو بداية لثورة تكنولوجيا الكم. وقد شاركت هالبرن أخيرا في كتابة بيان (مانيفستو) يهدف إلى رسم مسار نحو أشياء أعظم. وقد تحدثت في مقابلة مع مجلة نيو ساينتست عن الشكل الذي قد تبدو عليه الآلات الكمومية المتقدمة، والفوائد المذهلة التي يمكن أن تحققها، وكيف يمكننا العمل على تحويلها إلى واقع معيش؟

توماس لوتون: يبدو أنك فكرت كثيرا في الآلات المحاكية للقدرات البشرية في الآونة الأخيرة. فماذا تكون هذه الآلات على وجه التحديد؟

نيكول يانجر هالبرن: هي آلة تؤدي وظيفة ما بمفردها، دونما تحكم من الخارج يتغير بمرور الوقت. لقد افتتنت في طفولتي، على سبيل المثال، بلعبة كلب ينبح وينقلب على ظهره بضغطة زر. أما اليوم، فتزداد شعبية الآلات التي تنظف الأرضيات والسيارات ذاتية القيادة.

والناس يصنعون مثل هذه الآلات منذ قرون عديدة. فعلى سبيل المثال، في عام 1739، صنع المخترع دي فوكانسون «بطة هاضمة» بدا وكأنها تأكل الحبوب ثم تخرجها كريات بعد ذلك. وهي مثال جيد على تحقيق هذه الآلات مستوى مذهلا من التطور وإن بقيت تستعمل في المقام الأول للتسلية. من ناحية أخرى، أسهم فوكانسون أيضا في نهضة الثورة الصناعية باختراعه نولا آليا للنسيج.

إذن حفزت تلك الآلات العتيقة على تقدم تكنولوجي أوسع نطاقا؟

واقع الأمر أن تحولا قد حدث خلال الثورة الصناعية: فالآلات المحاكية للقدرات البشرية والأجهزة التي كانت تتطلب تحكما أقل من المعهود في الآلات على مدى معظم تاريخ البشرية باتت تستعمل على نطاق واسع من أجل تحقيق منفعة عملية، مما غيَّر وجه الحضارة. وقد شكَّلت الألعاب نقطة انطلاق للصناعة.

وكيف أدت هذه الآلات إلى فهم جديد للفيزياء؟

كانت الثورة الصناعية قد ألهمت بالديناميكا الحرارية، وهي دراسة الطاقة في أشكال من قبيل الحرارة والعمل، والعلاقات بينهما. كانت المحركات هي التي تدير المصانع، فكان من الطبيعي أن يريد الناس فهم مدى فعالية عملها. والمحرك الحراري مثلا نوع بسيط للغاية من المحركات، والمحركات البخارية محركات حرارية، وكذلك المحركات المستخدمة في العديد من السيارات. يتفاعل المحرك الحراري مع بيئتين: حارة وباردة. والحرارة تميل إلى التدفق من الساخن إلى البارد. ويسحب المحرك بعض هذه الحرارة ليحولها إلى عمل. فأين تأتي الديناميكا الحرارية؟ حسنا، في عام 1824، حدد المهندس الفرنسي نيكولا ليونارد سادي كارنو حدا أقصى لكفاءة المحركات الحرارية، وصمم دورة محرك يمكنها تحقيق هذه الكفاءة المثلى. وهكذا جاء استلهام الديناميكا الحرارية، وخاصة في البداية، من الاهتمام بأداء عمل مفيد.

حدث اهتمام متزايد بما يحدث عندما تصطدم مفاهيم الديناميكا الحرارية بالمجال الكمومي، لماذا؟

الذين وضعوا قوانين الديناميكا الحرارية كانوا أشخاصا يفكرون في المحركات البخارية وغيرها من الأنظمة الكلاسيكية ذات الحجم العادي. في الديناميكا الحرارية الكمومية، نقوم بتوسيع هذه القوانين وإعادة صياغتها لنرى كيفية تحكمها في الأنظمة الكمومية، من قبيل الذرات وجسيمات الضوء المفردة وغيرها من الأنظمة الدقيقة.

ونحن نعرف منذ أمد بعيد أن هذه الطاقة تتضافر مع المعلومات. فالديناميكا الحرارية تتميز على سبيل المثال بمفهوم الإنتروبيا [أو القصور الحراري]، وهو مقياس لعدم اليقين، يظهر أيضا في نظرية المعلومات. وبطبيعة الحال، يمكن أن تكون للأنظمة الكمومية نسختها الخاصة من هذا المفهوم: أي المعلومات الكمومية. وهذه المعلومات تظهر في ظواهر من قبيل التشابك، حيث يتصرف جسيمان وكأنهما متصلان برغم أن مسافات شاسعة تفصل بينهما.

يمكننا النظر إلى نظام يعالج المعلومات والطاقة ونتساءل: ما السلوك الذي يظهر فيه لو أنه كمومي؟ وبهذا يمكن أن تساعدنا الديناميكا الحرارية على فهم أفضل للحد الفاصل بين العالم الكلاسيكي والعالم الكمومي. ولتعيين هذه الحدود آثار جوهرية وعملية. أولها، أنها توضح طبيعة الكون، وهو في نهاية المطاف كون كمومي ولكنه -بقدر ما به من الغموض- يبدو كلاسيكيا في علاقتنا اليومية به. وثانيها، أن تعيين الحدود يمكن أن يرشدنا نحو بناء تقنيات كمومية جديدة، شبيهة بأجهزة الكمبيوتر الكمومية، وتعيين حدودها.

لماذا تشيرين أحيانا إلى كل هذا باسم الـستيمبانك الكمومي [وستيمبانك هو الخيال العلمي الذي تدور أحداثه في عصر البخار]؟

لأن ما يعرَف بـ(ستيمبانك)، أو الخيال العلمي البخاري، هي الأعمال الأدبية والفنية والسينمائية التي تصور بيئات القرن التاسع عشر، من قبيل لندن الفيكتورية العبقة بالدخان والغرب الأمريكي الجامح، وتدمج تقنيات مستقبلية في تلك البيئات القديمة، وتنقل شعورا بالمغامرة والاستكشاف. والديناميكا الحرارية الكمومية تمثل لي النسخة الواقعية من ستيمبانك. فقد نشأت الديناميكا الحرارية خلال العصر الفيكتوري، مستلهمة من التقنيات التي تعمل بالبخار. وفي المقابل، يعد علم المعلومات الكمومي مجالا متطورا في جانب منه ومستقبليا في جانب آخر، فلا تزال تقنيات الكم قيد التطوير. فضلا عن أن الديناميكا الحرارية الكمومية تعد مجالا سريع الحركة حافلا بالفرص، ومن ثم ففيه روح مغامرة الستيمبانك.

بالعودة إلى الأمور العملية، هل يمكن أن يؤدي تحسن فهمنا للسلوك الكمومي إلى آلات أفضل؟

نعم، فنحن نعلم بالفعل أن الظواهر الكمومية، من قبيل ظاهرة التشابك، يمكن أن تحسن مهمات معالجة المعلومات من قبيل الحوسبة والتشفير. ويقال فعلا: إن أجهزة الكمبيوتر الكمومية تتفوق على أجهزة الكمبيوتر التقليدية في بعض المهمات. لكن الأمر لا يقتصر على المعلومات. فهناك مهمات معالجة الطاقة، من قبيل تشغيل المصانع وشحن البطاريات والتبريد، حيث يمكننا استخدام الظواهر الكمومية لتحسين الأداء. فقد وضع البعض تصميمات لمحركات كمومية، وبطاريات كمومية، وثلاجات كمومية، وغيرها، بل لقد تم تنفيذها إلى حد ما على المستوى التجريبي.

غير أن أغلب الآلات الكمومية المقامة حتى الآن ليست مفيدة جدا. فمثلا، في إحدى التجارب الرائدة، تعمد باحثون إهدار العمل الناجم من محرك لأنهم إذا لم يفعلوا ذلك لتحتم عليهم وضع خطة كاملة لاقتناص ذلك العمل. وأيضا، لا تظهر الظواهر الكمومية، من قبيل التشابك، عادة إلا عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، لذا لا بد من بذل طاقة كبيرة لتبريد النظام عند إجراء التجارب. وبسبب أمور كهذه، فإن تشغيل الآلات الكمومية يحتاج في الغالب إلى جهد أكبر مما نحصل عليه منها فعليا.

يبدو أننا ما زلنا في مرحلة «البطة الهاضمة» في ما يتعلق بالآلات الكمومية...

نعم، صحيح تماما. فحتى معظم الآلات التي ذكرتها للتو لا تصنَّف باعتبارها آلات محاكية للقدرات البشرية لأنها تكون مدفوعة بتحكم خارجي يتغير مع الوقت. لكنني أدعو إلى تجاوز مرحلة البطة! بما أننا حققنا نجاحات كبيرة في الجانب البحثي الأساسي للديناميكا الحرارية الكمومية، فيمكننا الشروع في النظر إلى ما هو أبعد من ذلك. ولقد حان الوقت لتحويل انتباهنا إلى تحقيق آلات كمومية مستقلة مفيدة.

وكيف سيكون شكل الآلة الكمومية التحويلية حقا؟

قد يكون المثال الجيد هو الكمبيوتر الكمومي. فسوف تتمكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية الضخمة من حل بعض المشكلات بسرعة أكبر بكثير من أجهزة الكمبيوتر العادية وإن كانت عملاقة. وقد تستعمل في مجالات مثل التشفير المتقدم، وكذلك في اكتشاف مواد وأدوية جديدة. ولكن نماذجنا الحالية صغيرة جدا على القيام بهذه الأمور. لذلك، نرغب في تحرير أجهزة الكمبيوتر الكمومية، قدر الإمكان، لإجراء كل خطوة من عملياتها الحسابية بمفردها. ولو أن بوسعنا إقامة كمبيوتر كمومي ذاتي التشغيل، فعلينا تضمينه ساعة كمومية ذاتية التشغيل، لتحدد للكمبيوتر الموعد الذي يبدأ فيه وينتهي فيه من كل خطوة. ستكون أجهزة الكمبيوتر الكمومية هذه ذاتية التشغيل قابلة للتوسع وتستخدم موارد أقل.

كلميني عن دعوتك حديثا للجهاد ...

في نوفمبر، نشرت أنا وزملائي مانيفستو [بيانا] حول كيفية تحقيق آلات كمومية ذاتية التشغيل ومفيدة. وهي دعوة للجهاد فيها صدى من معايير ديفينتشنزو للحوسبة الكمومية. ففي عام 2000، نشر ديفيد ديفينتشنزو سبعة مبادئ توجيهية لبناء كمبيوتر كمومي أو مادة كمومية. وقد وجهت هذه المعايير عملية بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية لعقود.

وباستلهام معايير ديفينتشنزو، درسنا العديد من الأمثلة لآلات كمومية ذاتية التشغيل قائمة أو مقترحة، مثل الثلاجات الكمومية ذاتية التشغيل، ودرسنا أيضا آلات كمومية طبيعية ذاتية التشغيل موجودة في الكيمياء الحيوية. على سبيل المثال، تحتوي أجسامنا على مفاتيح جزيئية وإنزيمات تسرع التفاعلات الكيميائية. ثم استخلصنا ثمانية معايير اعتقدنا أنها توحدها إلى حد ما.

وما هذه المعايير؟

تتعلق المعايير الأربعة الأساسية الأولى بالمكونات اللازمة لبناء آلات كمومية، وكيفية هندسة التفاعلات الصحيحة بينها. والمعايير الأربعة التالية تتعلق بأسئلة من قبيل: هل مخرجات الآلة تساوي مدخلاتها؟ كيف ستوقف الآلة نفسها عن العمل تلقائيا بعد إتمام مهمتها؟ كيف يمكن للآلات الكمومية ذاتية التشغيل التواصل مع بعضها بعضًا والتنقل في بيئة معينة؟

لقد قمت أنت وزملاؤك في الآونة الأخيرة بإنشاء جهاز كمومي مفيد، يمكن أن يساعد في إعادة ضبط أجهزة الكمبيوتر الكمومية في ما بين العمليات الحسابية. كيف حدث ذلك؟

كنت قد أوضحت لزميلتي سيمون جاسبارينيتي في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد مدى إحباطي من أن الديناميكا الحرارية الكمومية يجب أن تكون أنفع وأوضحت لها أنني أبحث عن بيئة باردة أصلا، بحيث يمكن لجهاز أن يتصرف فيها وفقًا لميكانيكا الكم. ويجب أن تتضمن هذه البيئة بيئة فرعية ساخنة وبيئة فرعية باردة، بحيث يمكن للجهاز أن ينجز عمله بنفسه. ولا بد فضلا عن ذلك من وجود حاجة مسبقة لجهاز كمومي ذاتي التشغيل بحيث نتمكن من وضعه في مكانه. فقالت سيمون إن «لديّ بالفعل هذه البيئة في الكمبيوتر الكمومي الذي يقام في جامعتي».

تعمل سيمون على إنشاء كمبيوتر كمومي مصنوع من وحدات معلوماتية [كيوبتات] ذات قدرات توصيلية فائقة. ويجب الحفاظ على هذه الأجهزة باردة للغاية باستخدام ثلاجة كبيرة، فلو أننا وضعنا ثلاجة كمومية ذاتية التشغيل هناك، فإنها لن تتطلب طاقة إضافية كبيرة للحفاظ على برودتها. وكانت هناك حاجة أخرى في هذا السياق وهي أنه عند الانتهاء من عملية حسابية كمومية والرغبة في إجراء عملية أخرى، فلا بد من إعادة ضبط أو مسح للكيوبتات الكمومية عن طريق تبريدها تبريدا كبيرا. وقد حاول زملائي في الآونة الأخيرة القيام بذلك مستعملين ثلاجة كمومية ذاتية التشغيل قمنا بتصميمها - ففوجئت بأدائها الرائع. وأنا الآن أبحث عن المزيد من هذه الفرص.

في أقصى أحلامك جموحا، كيف تتخيلين شكل الآلات الكمومية ذاتية التشغيل يومًا ما؟

يمكنني أن أستلهم الآلات الصغيرة ذاتية التشغيل التي تعمل في الأنظمة البيولوجية، برغم أنها ليست كمومية بالضرورة. فالمحركات الجزيئية تنقل الحمولة عبر الخلايا، ويقوم الحمض النووي الريبوزي (RNA) باستعمال أدلة بناء الحمض النووي (DNA) لتكوين البروتينات، على سبيل المثال. فبوسعنا أن نتساءل عما لو أن إضافة التماسك أو التشابك الكمومي يمكن أن تعزز هذه العمليات. أو يمكنك أن تتخيل طائرات مسيّرة كمومية لتوصيل الذرات هنا وهناك، أو أجهزة استشعار كمومية قد تكون قادرة على التحرك والإبلاغ عما تصادفه.

خدمة تربيون عن مجلة «New Scientist»

المصدر: لجريدة عمان