جسيمات مهملة تفاجئ علماء الفيزياء بحل أكبر تحديات الحوسبة الكمومية
تاريخ النشر: 15th, August 2025 GMT
أعلن فريق من الفيزيائيين وعلماء الرياضيات في جامعة جنوب كاليفورنيا ومعاهد بحثية أخرى عن تطوير فرضية جديدة تمكّن من تحقيق الحوسبة الكمومية العالمية باستخدام جسيمات جديدة لم يلتفت لها الباحثون من قبل، وهو إنجاز طال انتظاره في مجتمع البحث الكمومي.
تقدم الدراسة، التي نُشرت مؤخرا في دورية "نيتشر كوميونيكيشنز"، ما يسميه العلماء إطارا يضيف نوعا جديدا من الجسيمات أطلق عليه الباحثون اسم "النيجلكتون" والمشتقة من الكلمة الإنجليزية "نيجليكت" بمعنى "المهملة"، لتكون بمثابة القطعة المفقودة في الأحجية التي تجعل النظام المقترح قادرا على أداء أي عملية كمومية بشكل خال من الأخطاء تقريبا.
يقول آرون لاودا، أستاذ الرياضيات والفيزياء وعلم الفلك في جامعة جنوب كاليفورنيا، والمؤلف المراسل في الدراسة، في تصريحات حصرية للجزيرة نت: "تُعتبر هذه الجسيمات ذات وزن صِفري في الحسابات، لذا تُستبعد كما لو كانت بلا أهمية. في بعض الحالات، تجعل هذه الجسيمات العمليات الحسابية مرهقة وتتطلب القسمة على الصفر. أما في إطارنا، فنُبقيها ونعطيها معنى فيزيائيا جديدا."
ويضيف في بيان صحفي "الأمر المثير للاهتمام بشكل خاص هو أن هذا العمل يقربنا من الحوسبة الكمومية الشاملة باستخدام الجسيمات التي نعرف بالفعل كيفية إنشائها."
في عالم الفيزياء، اكتشف العلماء جسيمات صغيرة جدا مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والفوتونات. ثم صنفوها إلى مجموعتين رئيسيتين؛ الفرميونات، ومنها الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات، وبوزونات، ومنها الفوتونات، ويعتمد هذا التصنيف على طريقة دوران الجسيم حول نفسه وحالته الكمومية.
حواسيبنا العادية تعمل أساسا باستخدام الإلكترونات. داخل المعالجات واللوحات الإلكترونية، توجد أسلاك دقيقة جدا تحتوي على ترانزستورات، وهي أشبه بمفاتيح صغيرة تمر من خلالها الإلكترونات. هذه الإلكترونات تمثل البيانات في شكل بتات، فيكون وجود مرور الإلكترونات (التيار الكهربائي) يساوي الرقم 1، وغياب الإلكترونات يساوي الرقم 0.
إعلانهذا النظام هو ما نعرفه باسم النظام الثنائي. وتتم معالجة البيانات باستخدام بوابات منطقية، وهي دوائر إلكترونية تحدد نتيجة العمليات الحسابية. لكل عملية (مثل الجمع أو الضرب) ترتيب مختلف من هذه البوابات.
هذه البوابات المنطقية هي اللبنات الأساسية لكل الأجهزة الرقمية: من الحواسيب إلى الهواتف الذكية.
أما في الحوسبة الكمومية، فيتم استبدال البِت العادي بما يسمى الكيوبت (البت الكمومي). وبفضل خاصية التراكب الكمومي، يمكن للكيوبت أن يمثل 0 و1 في نفس الوقت، مما يفتح المجال لمعالجة كمية هائلة من البيانات بسرعة وكفاءة أكبر.
يمكن استخدام الإلكترونات أو الأيونات أو الفوتونات لتشكيل الكيوبت في الحوسبة الكمومية، فالإلكترونات تستخدم حالة دورانها (اللف المغزلي) لتحديد قيمة الكيوبت، والأيونات يمكن إثارتها إلى مستويات طاقة مختلفة، وهذه المستويات تمثل القيم، والفوتونات، يتم الاعتماد على اتجاه استقطابها كمؤشر لقيمة الكيوبت.
ولكل نوع مميزاته وعيوبه، الفوتونات ممتازة لنقل المعلومات لمسافات طويلة، مثل الاتصالات الكمومية، لأنها لا تتأثر بسهولة بالبيئة. لكن التحكم فيها أصعب بسبب ضعف تفاعلها مع الوسط المحيط.
الإلكترونات والأيونات أسهل في التحكم باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية، مما يجعلها مناسبة للحواسيب الكمومية التي تحتاج دقة وسرعة. لكن مشكلتها أنها تتأثر بالبيئة بسرعة، وهذا قد يؤدي إلى فقدان حالة التراكب الكمومي، وهي أساس الكيوبت.
لكن في بعض الأنظمة الفيزيائية الخاصة جدا، وخصوصا في العوالم ثنائية الأبعاد (مثل سطح مادة فائقة النحافة)، قد تظهر أنواع جديدة من الجسيمات لا تتصرف كبوزونات ولا فرميونات، أي لا تتفق في طريقة دورانها أو تغير حالتها الكمومية مع البوزونات والفرميونات، بالتالي لا يمكن تصنيفها ضمن أي منهما، وسُميت هذه الجسيمات باسم "الأنيونات".
هذه الأنيونات لها خاصية مدهشة، حيث إذا قمنا بتحريكها حول بعضها أو بتبديل مواقعها مع بعضها البعض، تتغير حالتها الكمومية بطريقة فريدة لا تحدث مع الجسيمات العادية. هذه العملية تُسمى التضفير، وتشبه جدائل شعر فتاة صغيرة.
ميزة التضفير أن هذه العقد الكمومية تظل ثابتة ولا تتأثر بسهولة، مما يجعل الأنيونات المُضَفّرة خيارا مثاليا لتخزين ومعالجة المعلومات في الحوسبة الكمومية.
تخيل أنك تحاول بناء برج من مكعبات صغيرة على طاولة تهتز باستمرار. أي اهتزاز بسيط يمكن أن يسقط البرج. هذا هو ما يحدث في الحواسيب الكمومية العادية، حيث تكون الكيوبتات، وحدات المعلومات الكمومية، حساسة جدا لأي ضوضاء أو تداخل من البيئة.
أما الحوسبة الكمومية المحمية طوبولوجيًا، فهي نوع مقاوم بطبيعته للأخطاء التي تحدث بسبب الطبيعة الهشة للكيوبت والمُعرض للتأثر أو لتغير قيمته من 0 إلى 1 والعكس بسبب الضوضاء أو أي تداخل من البيئة، مما يدمر التماسك الكمومي للكيوبتات ويفسد العمليات الحسابية، ومن ثم يفسد الحاسوب كله.
إعلانفي الحوسبة الكمومية الطوبولوجية، لا تُخزن المعلومات في حالة أنيون واحد، بل في الطريقة التي تتشابك بها مجموعة من الأنيونات مع بعضها البعض. وعندما يتحرك أنيونان حول بعضهما، فإن هذا التضفير لا يُغيّر هوية الأنيونات نفسها، ولكنه يُغيّر الحالة الكمومية الكلية للنظام بطريقة يمكن التنبؤ بها. هذا التغيير يمكن أن يمثل عملية حسابية، بالتالي يمكن أن يعمل بمثابة "بوابة منطقية كمومية".
هناك أنواع عديدة من الأنيونات، ولكل نوع قوانينه الخاصة في التفاعل والتأثير. وقد ركزت الدراسة هنا على نوع واحد فقط يعرف باسم أنيونات "آيزنج"، التي تسمح باستخدامها في الحوسبة الكمومية الطبولوجية.
يقول لاودا "القيود الرئيسية في الأنيونات من نوع آيزنج التقليدية هي أنه عند تضفيرها، فإن مجموع العمليات الممكنة صغير جدا. الأمر أشبه بمحاولة كتابة رسالة بريد إلكتروني باستخدام لوحة مفاتيح تحتوي على عدد قليل من الأزرار، يمكنك كتابة بعض الحروف أو الكلمات الصغيرة، لكنك لن تتمكن من كتابة الرسالة الكاملة التي تحتاجها للحوسبة الكمومية."
هذا النقص في "المفاتيح"، حرم الحواسيب الكمومية الطوبولوجية من تحقيق مبدأ "العالمية" الضروري، يعني أن النظام يحتاج إلى عمليات إضافية غير محمية طوبولوجيا، مما يجعله أكثر عرضة للأخطاء، وهو ما حاول الباحثون في هذه الدراسة التخلص منه.
لكن الإطار الجديد الذي تفترضه الدراسة يأتي ليغيّر القواعد، ففي النماذج التقليدية، هناك جسيمات يتم تجاهلها في الحسابات لأنها ذات "وزن صِفري"، أي يُفترض أنها لا تؤثر على النتيجة، بل قد تسبب مشكلات رياضية مثل القسمة على الصفر مثلا.
يقول لاودا "أهم عنصر جديد هو أن الإطار يحتفظ بجسيمات تعتبرها النظرية التقليدية مُهمَلة. في إطارنا، نُعيد تعريفها بحيث يكون لها وزن غير صفري. أحد هذه الجسيمات، الذي نسميه نيجلكتون، يغيّر تماما ما يمكن للنظام فعله."
يشرح فيليبو إيوليانيلي، الباحث في قسم الفيزياء، في جامعة جنوب كاليفورنيا، والباحث الرئيسي في الدراسة: "بالعودة إلى تشبيه لوحة المفاتيح، فإن أيونات إيزينغ لا تمنحك سوى بضعة مفاتيح على لوحة المفاتيح. إضافة أيون مهمل واحد وربطه بالأنيونات القديمة يمنحك كل تلك المفاتيح التي لم تكن لديك من قبل، ويمكنك كتابة ما تريد". أي أن إضافة نيجلكتون واحد فقط إلى نظام آيزنج، وتركه ثابتا في مكانه، يمنح النظام القدرة على إجراء أي عملية كمومية عن طريق التضفير وحده، مع الحفاظ على الحماية الطوبولوجية من الأخطاء.
لتقريب الفكرة أكثر يقول لاودا "تخيل أن تضفير الجسيمات مثل مجموعة يتراقص بعضها حول بعض على المسرح. في فرقة آيزنج التقليدية، مهما تغيرت الخطوات، يبقى العرض محدودا. أما بإضافة نيجلكتون واحد ثابت في مكانه، فإننا نضع علامة ثابتة على أرض المسرح تُغيّر هندسة كل حركة، وتفتح المجال لجميع العروض الممكنة."
رياضيا، وجد الباحثون أن تمرير أنيون من نوع آيزنج حول النيجلكتون يولد عملية كمومية جديدة توسّع مجموعة "البوابات المنطقية الكمومية" المحدودة إلى مجموعة شاملة قادرة على تنفيذ أي خوارزمية كمومية، مما يحوّل الحواسيب الكمومية الطوبولوجية من حواسيب محرومة من العالمية إلى حواسيب عالمية!
تجاوز عقبة السالبلكن الطريق لم يكن بتلك السهولة، فأحد أكبر العقبات في النظرية الجديدة يكمن في ظهور احتمالات "سالبة" في بعض الحالات في الصيغ الرياضية، وهو أمر لا يمكن تفسيره فيزيائيا بشكل مباشر.
يوضح لاودا "تغلبنا على هذه العقبة عبر ترميز الكيوبتات في جزء من النظام حيث تكون جميع الاحتمالات طبيعية وموجبة، وضمان أن عمليات التضفير لا تتسرب إلى القطاع الذي يحتوي على الاحتمالات السالبة. بهذه الطريقة، تواصل العمليات الكمومية سلوكها الطبيعي، مع حفظ الاحتمالات كما هو متوقع."
إعلانحتى الآن، لم يتحقق الباحثون من آلية عمل الجسيمات الجديدة، بما فيها النيجلكتون، في المختبر. ومع ذلك، توجد أنظمة تجريبية قريبة تظهر دلائل على دعمها لأنيونات آيزنج.
يقول لاودا "الأنظمة الأقرب هي حالات هول الكسرية، وربما يمكن تعديلها أو تطوير مواد جديدة بخصائص طوبولوجية مشابهة لإنتاج النيجلكتون. هناك أيضا تقدم ملحوظ يدعو للتفاؤل من مايكروسوفت في شريحة ‘التوبوكوندكتور’ [أي الموصل الطوبولوجي]، التي صُممت لاستضافة والسيطرة على أوضاع ماجورانا الصفرية، وهي تجسيد فيزيائي لأنيونات آيزنج. إذا استطعنا دمج النيجلكتون في هذا النظام، فقد يصبح ذلك مسارا عمليا لتجسيد نموذجنا."
ويضيف "بالنظر إلى المستقبل، أنا متفائل. يُظهر تاريخ تكنولوجيا الكم أن الأفكار التي كانت تُعتبر بعيدة المنال غالبا ما تصبح عملية أسرع بكثير مما هو متوقع بمجرد وجود هدف واضح. إذا استطعنا إدراك هذه الجسيمات، فقد تصبح الحواسيب الكمومية الطوبولوجية أكثر قوة مع الحفاظ على حمايتها من الأخطاء الطبيعية. وهذا من شأنه أن يفتح الباب أمام حل مشكلات تتجاوز بكثير قدرة آلات اليوم."
بهذا، تفتح هذه الدراسة نافذة على جيل جديد من الحواسيب الكمومية الأكثر قوة والأقل عرضة للأخطاء، وربما أيضا على اكتشافات لم نتخيلها بعد في عالم الكم الغريب. وبينما تبقى الجسيمات الجديدة افتراضية، فإن تاريخ الفيزياء يعلمنا أن الأفكار التي كانت يوما بعيدة المنال قد تصبح واقعا أسرع مما نتوقع، خاصة حين تتضح الأهداف.
المصدر: الجزيرة
كلمات دلالية: حريات دراسات الحوسبة الکمومیة هذه الجسیمات
إقرأ أيضاً:
علماء للجزيرة نت: أصول القطط المنزلية ترجع إلى شمال أفريقيا
تشير دراسة استخدمت الحمض النووي القديم إلى أن القطط المنزلية لم تصل إلى أوروبا إلا قبل نحو ألفي عام، وأنها تعود في أصلها إلى قطط برية شمال أفريقية، وليس إلى سلالة نشأت في المشرق خلال العصر الحجري الحديث، كما رجحت فرضيات سابقة.
وتوضح النتائج التي نشرت يوم 27 نوفمبر/تشرين الثاني الحالي في مجلة "ساينس"، أن انتشار القط المنزلي في أوروبا ارتبط في جانب منه بحركة الجيوش والتجارة الرومانية، مع وصوله إلى بريطانيا في القرن الأول الميلادي.
حللت الدراسة 87 جينوما لقطط قديمة وحديثة ضمن مشروع بحثي أوسع بعنوان "فيليكس"، وشمل ذلك 70 جينوما منخفض التغطية من عينات أثرية تغطي أكثر من 10 آلاف عام (من نحو 9000 قبل الميلاد حتى القرن التاسع عشر)، و17 جينوما عالي التغطية لقطط برية من أوروبا وشمال أفريقيا والأناضول.
تتبع خطوط نسب القططفي تصريحات للجزيرة نت، يقول المؤلف المشارك في الدراسة كلوديو أوتوني، أستاذ البيولوجيا التطورية المشارك في جامعة روما تور فيرجاتا، إن الفريق خلص إلى أن القط المنزلي كما نعرفه اليوم ينحدر على الأرجح من القط البري الأفريقي، وأن ظهوره خارج موطنه وانتشاره الواسع لم يحدث في أوروبا وغرب آسيا إلا بعد انتهاء موجة الاستيطان الزراعي الأولى بقرون طويلة.
ويضيف الباحث أن هذه النتائج تعيد تقييم رواية شائعة مفادها أن القطط رافقت المزارعين الأوائل من الأناضول إلى أوروبا قبل 6 آلاف عام، وأن استئناسها بدأ في المشرق مع صعود الزراعة.
وبحسب الدراسة، فقد أظهر التحليل الجيني أن القطط التي وُجدت مبكرا في أوروبا وتركيا كانت في الحقيقة قططا برية أوروبية، وأن ما رصد حينها هو أشكال من الهجينة بين سلالات برية محلية ووافدة، لا سلالة منزلية مستقرة.
ومع إدخال سلالة القط المنزلي ذات الأصل الشمال أفريقي لاحقا، بدأ انتشاره السريع عبر طرق الإمبراطورية الرومانية، قبل أن يثبت حضوره في معظم أنحاء القارة.
إعلانكما عالجت الدراسة لغزا إقليميا في جزيرة سردينيا، إذ أظهرت النتائج أن القطط البرية السردينية، القديمة والحديثة على السواء، أقرب جينيا إلى القطط البرية في شمال أفريقيا منها إلى القطط المنزلية.
ويعني ذلك، بحسب الباحثين، أن البشر نقلوا قططا برية إلى جزر لم تكن موطنا طبيعيا لها، وأن التجمعات الحالية هناك ليست مجرد أحفاد لقطط منزلية عادت إلى البرية.
"يعد الاعتماد على العظام وحدها لتمييز القطط المنزلية من البرية إشكاليا بسبب التشابه الشكلي الكبير بينهما، مما يفسر تباين القراءات الأثرية السابقة. ويوفر تحليل الحمض النووي القديم إطارا أوضح لتتبع خطوط النسب وحركة السلالات عبر الزمن، ولفصل ظاهرة الهجنة عن الاستئناس المنزلي بمعناه البيولوجي والسلوكي"، كما أوضح أوتوني.
يرى المؤلفون أن الصورة الجديدة توفق بين شواهد متفرقة: وجود ارتباطات إنسانية مبكرة بالقطط في شرق المتوسط، ودور مصر القديمة في إبراز مكانة القط، ثم الانتشار الأوروبي المتأخر نسبيا.
في هذا الإطار، يتمركز الاستئناس في شمال أفريقيا، ثم تنقلت السلالة المنزلية لاحقا على نطاق واسع بواسطة البشر، مع حدوث تزاوج متقطع مع قطط برية محلية على طول مسارات الانتقال.
ويؤكد أوتوني أن هذه النتائج لا تلغي تعقيد تاريخ القطط، فالسمات السلوكية التي قربتها من الإنسان، مثل صيد القوارض والتسامح مع القرب البشري، نمت تدريجيا؛ كما أن اختلاط السلالات ظل قائما عبر آلاف السنين.
لكن الباحث يشدد على أن حدوث التهجين لا يعني بالضرورة وجود سلالة منزلية مستقرة في ذلك الوقت المبكر، وأن البصمة الجينية الواضحة للقط المنزلي لا تظهر في أوروبا إلا لاحقا.
وأشار الباحث إلى أن الدراسة جزء من جهود مستمرة لحسم أسئلة منشأ القطط وتاريخ استئناسها، مضيفا أن "القطط تمنح أسرارها على مضض". وتفتح النتائج الباب أمام أعمال لاحقة لتوسيع قاعدة العينات جغرافيا وزمنيا، وتدقيق العلاقة بين تحركات البشر، خاصة الرومان، وتوزع السلالات القططية.
عمليا، لا تغير هذه الخريطة المعدلة كثيرا في الواقع اليومي لعلاقة البشر بقططهم، لكنها تعدل جدولا زمنيا أساسيا: قطط أوروبا ليست بقايا رفيق نيوليتي قديم (العصر الحجري الحديث قبل 4500 قبل الميلاد)، بل وافد أحدث انطلق من شمال أفريقيا واستقر مع العصر الروماني، بحسب المؤلف المشارك في الدراسة.
بالخسارة وبعد 23 عاما.. جون سينا يعتزل المصارعة رسميا