تكشف أجهزة الكمبيوتر الكمومية أن الدالة الموجية هي شيء حقيقي

هل تعكس ميكانيكا الكم الطبيعة في أصدق صورها، أم أنها مجرد طريقتنا غير الدقيقة لوصف الخصائص الغريبة للأشياء الصغيرة جدًا؟ لقد تم الآن تجربة اختبار مشهور يمكن أن يساعد في الإجابة على هذا السؤال على جهاز كمبيوتر كمي، وتوصل إلى نتيجة ملموسة بشكل مدهش. تصف ميكانيكا الكم الواقع بشكل كامل، على الأقل بالنسبة للأجهزة الكمومية الصغيرة، ويمكن أن تساعدنا النتائج في بناء آلات كمومية أفضل وأكثر موثوقية.

منذ اكتشاف ميكانيكا الكم لأول مرة منذ أكثر من قرن من الزمان، أثارت طبيعتها غير المؤكدة والاحتمالية قلق الفيزيائيين. خذ على سبيل المثال التراكب – هل يسكن الجسيم بالفعل العديد من الأماكن في وقت واحد، أم أن حساب موقعه يعطينا نطاقًا من الاحتمالات حول مكان وجوده بالفعل؟ إذا كان الأمر الأخير، فقد تكون هناك سمة من سمات الواقع مخفية عن ميكانيكا الكم والتي تحد من يقيننا. مثل هذه الميزة ستكون “متغيرًا خفيًا”، ولذلك تسمى النظريات المبنية على هذه الفكرة بنظريات المتغير الخفي.

وفي الستينيات، ابتكر الفيزيائي جون بيل تجربة لاستبعاد مثل هذه النظريات. يختبر اختبار بيل الكم عن طريق قياس مدى ارتباط أو تشابك الأزواج البعيدة من الجسيمات الكمومية. إذا تم الحفاظ على خصائصها الكمومية أعلى من عتبة معينة – إذا كان تشابكها هو ما نسميه غير محلي، ويمتد على أي مسافة – فيمكننا استبعاد نظريات المتغير الخفي. ومنذ ذلك الحين، تمت تجربة اختبارات الجرس على العديد من الأنظمة الكمومية، وحكمت بالإجماع لصالح اللامكانية المتأصلة في العالم الكمي.

في عام 2012، توصل الفيزيائيون ماثيو بوسي، وجوناثان باريت، وتيري رودولف إلى اختبار أكثر استقصاءً (سمي باسمهم PBR)، والذي من شأنه أن يسمح للتجارب بالتمييز بين التفسيرات المختلفة للنظام الكمي. وتشمل هذه وجهة النظر الوجودية، التي تقول إن قياساتنا للنظام الكمي ووظيفته الموجية -الوصف الرياضي لحالاته الكمومية- تمثل الواقع. وهناك تفسير آخر، يسمى وجهة النظر المعرفية، يقول إن الدالة الموجية هي سراب، وهناك حقيقة أعمق وأكثر ثراء تحتها.

بافتراض أنك تعتقد أن الأنظمة الكمومية لا تحتوي على بعض الميزات السرية الأخرى التي يمكن أن تؤثر على الأنظمة خارج الدالة الموجية، فإن رياضيات PBR تظهر أنه يجب عليك دائمًا الحصول على رؤية وجودية للأشياء – مهما بدت غريبة، فإن السلوكيات الكمومية حقيقية. يعمل اختبار PBR من خلال مقارنة العناصر الكمومية المختلفة، مثل الكيوبت داخل الكمبيوتر الكمي، وقياس عدد المرات التي تقرأ فيها نفس القيمة لبعض الخصائص، مثل دورانها. إذا كانت وجهة النظر المعرفية صحيحة، فإن عدد المرات التي تقرأ فيها الكيوبتات الخاصة بك نفس القيمة سيكون أعلى مما تتوقعه ميكانيكا الكم، مما يشير إلى أن شيئًا آخر يحدث في الأسفل.

ابتكر سونج تشينغهاو يانج من جامعة كامبريدج وزملاؤه طريقة لتنفيذ اختبار PBR على حاسوب كمي من نوع IBM Heron، وقد رأوا أنه بالنسبة لأعداد صغيرة من الكيوبتات، يمكننا بالفعل القول إن الأنظمة الكمومية موجودة. وهذا يعني أن ميكانيكا الكم يبدو أنها تعمل كما كنا نظن، تمامًا كما وجدت اختبارات بيل مرارًا وتكرارًا.

أجرى يانج وفريقه هذا الفحص عن طريق قياس الناتج الإجمالي الذي تنتجه أزواج أو مجموعات من خمسة كيوبتات، مثل سلاسل من 1 و0، وحساب عدد المرات التي تتوافق فيها هذه النتيجة مع توقعاتهم لكيفية تصرف النظام الكمي، مع مراعاة الأخطاء الطبيعية في النظام.

“في الوقت الحالي، جميع الأجهزة الكمومية صاخبة، وهناك بعض الأخطاء في جميع العمليات، لذلك إذا أضفنا هذا الضجيج أعلى عتبة PBR، فماذا سيحدث لتفسيرنا [of our system]؟” يقول يانغ. “اتضح أنه إذا أجريت التجربة على نطاق صغير، فلا يزال بإمكاننا تلبية اختبار PBR الأصلي ويمكننا استبعاد التفسير المعرفي.” المتغيرات الخفية، تختفي.

وبينما تمكنوا من إظهار ذلك لأعداد صغيرة من الكيوبتات، فقد كافحوا لفعل الشيء نفسه بالنسبة لأعداد أكبر من الكيوبتات على جهاز IBM ذو 156 كيوبت. أصبح الضجيج أو الأخطاء في النظام أكبر من أن يتمكن الباحثون من التمييز بين السيناريوهين في اختبار PBR.

وهذا يعني أن الاختبار لا يمكنه أن يخبرنا ما إذا كان العالم كميًا أم لا. من الممكن أن تفوز وجهة النظر الوجودية في بعض المقاييس، بينما في المقاييس الأكبر لا نكون قادرين على رؤية ما تفعله التأثيرات الكمومية بدقة.

إن القدرة على التحقق من “كمية” الكمبيوتر الكمي باستخدام هذا الاختبار يمكن أن تكون وسيلة للتأكد من أن هذه الأجهزة تفعل ما نعتقد أنها تفعله، بالإضافة إلى جعلها أكثر عرضة لتكون قادرة على عرض ميزة كمومية – القدرة على القيام بمهمة قد تستغرق جهاز كمبيوتر كلاسيكي قدرًا غير معقول من الوقت. يقول هاومو يوان، عضو الفريق من جامعة كامبريدج: “إذا كنت ترغب في الحصول على ميزة كمومية، فأنت بحاجة إلى امتلاك ميزة كمومية داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية الخاصة بك، وإلا يمكنك العثور على خوارزمية كلاسيكية مماثلة”.

يقول ماثيو بوسي من جامعة يورك بالمملكة المتحدة، وهو أحد المؤلفين الأصليين لـ PBR: “إن فكرة استخدام PBR كمعيار لأداء الجهاز هي فكرة مثيرة للاهتمام”. لكن بوسي أقل ثقة من أنه يخبرنا بشيء عن الواقع. “السبب الرئيسي لإجراء التجربة، بدلاً من الاعتماد على النظرية، هو إذا كنت تعتقد أن نظرية الكم يمكن أن تكون خاطئة. ولكن إذا كانت نظرية الكم خاطئة، فما هو السؤال الذي ستطرحه حتى؟ إن الإعداد الكامل للحالات الوجودية مقابل الحالات المعرفية يفترض نظرية الكم.”

لإيجاد طريقة حقيقية لإجراء اختبار PBR من شأنه أن يخبرنا عن الواقع، ستحتاج إلى إيجاد طريقة للقيام بذلك دون الافتراض المسبق بصحة نظرية الكم. يقول تيري رودولف من إمبريال كوليدج لندن، وهو أحد مؤسسي اختبار PBR: “هناك أقلية من الناس الذين يعتقدون أن فيزياء الكم سوف تنهار بشكل أساسي عند نطاق مجهري ما”. “في حين أن هذه التجربة ليست على الأرجح ذات صلة باستبعاد أي اقتراح محدد من هذا القبيل – لكي أكون واضحًا، لا أعرف بطريقة أو بأخرى! – فإن اختبار السمات الأساسية لنظرية الكم على أنظمة أكبر من أي وقت مضى يساعدنا دائمًا على تضييق مساحة البحث عن نظريات بديلة.”

مرجع: أرخايف, دوى: arxiv.org/abs/2510.11213