اختراق علمي: محاكاة كمية لعملية "الهادرنة" على حاسوب آي بي إم الكمي

لأول مرة، تمكن العلماء من محاكاة عملية أساسية في فيزياء الجسيمات على حاسوب كمي، مما يفتح الباب أمام حسابات كانت مستحيلة على الحواسيب العملاقة التقليدية.

ما الذي تم تحقيقه?

في إنجاز هو الأول من نوعه، استخدم أنتوني سيافاريلا، الباحث في مختبر لورنس بيركلي الوطني (Berkeley Lab)، حاسوباً كمياً من شركة آي بي إم (IBM) عبر برنامج الحوسبة الكمومية في مختبر أوك ريدج الوطني (OLCF). ونجح في محاكاة عملية الهادرنة (Hadronization) ، وهي العملية التي تتحد فيها الكواركات (quarks) عبر القوة النووية القوية لتكوين جسيمات مركبة مثل البروتونات والنيوترونات .

يُعد هذا أول محاكاة لهذه العملية المحورية في فيزياء الجسيمات على أجهزة كمومية حقيقية، مما يمهد الطريق لإجراء حسابات لا تستطيع الحواسيب الفائقة القيام بها .

• بنى هذا العمل على أبحاث سابقة أجراها فيزيائيون من مختبر بيركلي هم كريستيان باور وميرات فريتسيس وبنيامين ناخمان، والذين استخدموا في عام 2022 نهجاً مشابهاً عبر برنامج QCUP لحساب احتمالية انبعاث جسيمات إضافية من جسيم خارج عن تصادم بروتونين .
• ركز مشروع سيافاريلا لعام 2026، الذي نُشر في مجلة Physical Review D، بشكل خاص على نمذجة عملية الهادرنة بأكملها .

تبسيطات جعلت المحاكاة ممكنة

لا تزال المعالجات الكمومية الحالية صاخبة ومحدودة في عدد الكيوبتات (qubits). ولجعل حساب الهادرنة ممكناً، اعتمد الفريق على عدة تبسيطات جوهرية :

• تخفيض الأبعاد المكانية: أجريت المحاكاة في نموذج مبسط من بعد واحد مكاني وبعد زمني واحد (1+1)، وليس في الفضاء ثلاثي الأبعاد الكامل .
• حد الكواركات الثقيلة/حصر فضاء هيلبرت: تم تعيين النظرية على شبكة باستخدام نظرية القياس الشبكية SU(2) في بعد واحد، مع تطبيق حصر لفضاء هيلبرت في حدود الكواركات الثقيلة . هذا قلل بشكل كبير من عدد الحالات الكمومية المطلوب ترميزها.
• تقريب التفاعلات (المحلية): نظراً لأن القوى القوية تتركز داخل حدود حجم الهادرون تقريباً، صمم الباحثون المحاكاة بحيث تتفاعل الكيوبتات فقط مع جيرانها القريبين، بدلاً من الحاجة إلى تفاعل بين كل الكيوبتات . سمح هذا بتحويل التفاعل إلى سلسلة من البوابات الكمومية القابلة للتنفيذ على الأجهزة الحالية.
• المنهج الهجين (كلاسيكي-كمي): استخدم الفريق نظرية الحقل الفعال (Effective Field Theory) لتقسيم الحساب الكامل إلى أجزاء، حيث أجريت بعض الأجزاء على الحواسيب التقليدية، وأكثرها تعقيداً من الناحية الكمومية على المعالج الكمي .

النتيجة الرئيسية: إعادة إنتاج ظاهرة "انكسار الخيط"

نجحت المحاكاة الكمومية في إعادة إنتاج ظاهرة معروفة من حسابات الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية (Lattice QCD) التقليدية: وهي انكسار الخيط (String Breaking) ، وهي الآلية التي ينقطع بها "خيط" الغلوون (gluon) لحقل القوة القوية بين كواركين منفصلين، مما يؤدي إلى تكوين أزواج جديدة من الكواركات ونقيضاتها.

• يؤكد هذا الإنجاز أن النموذج الكمي المبسط قد التقط بشكل صحيح الديناميكيات غير الاضطرابية (non-perturbative) الأساسية للقوة القوية، والتي كانت في السابق متاحة فقط للمحاكاة الكلاسيكية.

الخطط المستقبلية

حدد فريق البحث عدة خطوات مستقبلية لتوسيع نطاق العمل :

• زيادة الأبعاد: الانتقال من نماذج (1+1) المبسطة إلى محاكاة في أبعاد مكانية أعلى.
• تخفيف التبسيطات: التقدم نحو مسائل فيزيائية أقرب إلى الطبيعة، مع تقليل عدد التبسيطات اللازمة.
• التوسع: الاستفادة من أنظمة آي بي إم الكمومية التي تضم أكثر من 100 كيوبت والمتاحة من خلال برنامج QCUP لإجراء محاكاة أكبر وأكثر تعقيداً لا تستطيع الحواسيب التقليدية التعامل معها.
• تخفيف الأخطاء: مواصلة تطوير ونشر تقنيات تخفيف الأخطاء للتعامل مع الضوضاء الكامنة في الأجهزة الكمومية الحالية .
• تنبؤات مباشرة لتجارب المصادم: الهدف النهائي هو الوصول إلى تنبؤات مباشرة ومبدئية لعملية الهادرنة يمكن مقارنتها مع بيانات من مصادم الهادرونات الكبير (Large Hadron Collider)، مما يساعد في البحث عن فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي .