كشف بلورات زمنية ثنائية الأبعاد نظيفة في زمن متقطع على حاسب كمومي رقمي

نوع جديد من البلورات ينبض في الزمن

حين نفكر في البلورات عادة ما تتبادر إلى الذهن المعادن المتلألئة حيث تصطف الذرات في أنماط متكررة في الفراغ. تبحث هذه الدراسة في فكرة أغرب: أنماط تتكرر في الزمن بدلًا من الفراغ، وتُسمى «بلورات زمنية». باستخدام أحد أحدث معالجات آي بي إم الكمومية المكوّن من 133 كيوبتًا، يصنع المؤلفون بلورة زمنية ثنائية الأبعاد ويفحصونها، ويراقبونها وهي تحافظ على إيقاع ثابت حتى عندما تُدفَع بعيدًا عن حالة الاتزان. تعرض نتائجهم طورًا جديدًا من المادة وتُظهر كذلك تزايد قدرة حواسبنا الكمومية الحالية على استكشاف فيزياء تجهد المحاكاة التقليدية.

لماذا يمكن للزمن تكوين نمط

في فيزياء الأنظمة متعددة الجسيمات، يقود تطبيق «رفعة» متكررة للنظام عادةً إلى تسخينه حتى يصبح عشوائيًا بالكامل، مثل الماء المغلي. مع ذلك تتنبأ النظريات أنه في ظل شروط معينة يمكن للنظام الكمومي المدفوع أن يستقر في نمط يتكرر فقط كل دَفعة ثانية أو ثالثة أو كل دَفعة n. هذا السلوك، المسمى بلورة زمنية متقطعة، يكسر تماثل الإزاحة الزمنية للقيادة نفسها. التجسيدات السابقة اعتمدت غالبًا على الاضطراب—العشوائية المدمجة—لتثبيت هذا السلوك، أو على قيادة سريعة جدًا تكبح التسخين. يركز هذا العمل بدلًا من ذلك على نظام «نظيف» بلا اضطراب، مُقاد بسرعات معقولة، ومرتب على شبكة ثنائية الأبعاد حيث يتواصل كل كيوبت مع عدد قليل فقط من الجيران.

بناء شبكة كمومية تدق مثل الساعة

يبرمج الفريق نموذج إيزينغ المدفوع المسمى بالمرفوع على شريحة الآي بي إم ذات 133 كيوبت بالهيكل السداسي الثقيل. تُنفَّذ كل دورة من القيادة كسلسلة من بوابات كمومية بسيطة: تدويرات أحادية-الكيوبت تعمل كحقول مغناطيسية تُدفع فيها العزوم جانبًا أو على طول المحور المفضل، وبوابات ثنائية-الكيوبت تُزاوج العزوم المجاورة. ابتداءً من نمط مخطط بسيط من كيوبتات «أعلى» و«أسفل»، يكرّرون هذه الدورة حتى 100 مرة ويقيسون المغناطيسية المتوسطة—مقياس لعدد العزوم المتجهة لأعلى مقابل لأسفل—في منطقة مركزية. وبما أن الأجهزة صاخبة، يدخلون خطوة تصحيح أخطاء مباشرة: يقارنون مع حالة خاصة مفهومة تمامًا حيث الإشارة المثالية معروفة، ويستخدمون تلاشي الإشارة المقاسة في تلك الحالة لإعادة قياس كل البيانات الأخرى. هذا التصحيح، القائم على نموذج ضوضاء عالمي، يعيد oscillations المغناطيسية التي كانت لتذبل بسرعة كبيرة لولا ذلك.

مشاهدة بلورة زمنية تبقى وتتغير

للتحقق من نتائجهم، يقارن المؤلفون بيانات العتاد الكمومي بنوعين من المحاكاة الكلاسيكية: حسابات دقيقة للمتجه-الحالة لجزء أصغر مكوّن من 28 كيوبتًا، وطرق متقدمة لشبكات الموترات ثنائية الأبعاد للشبكة كاملة المكونة من 133 كيوبتًا. لأزمنة التطور حتى نحو 50 دورة قيادة، تتفق البيانات الكمومية المصححة تطابقًا لافتًا مع كلتا الطريقتين الكلاسيكيتين، مما يعزز الثقة بأن العتاد يتابع ديناميكيات النظام الحقيقية بدقة. عند الدفع زمنًا أبعد، يرون اهتزازات مضاعفة-الفترة للّازمِة في المغناطيسية تدوم لما لا يقل عن 100 دورة لنطاق واسع من قوى القيادة. هذا الاستجابة تحت-الهدية طويلة العمر تشير إلى وجود بلورة زمنية ما قبل حرارية نظيفة: يبقى النظام في هضبة مرتبة نسبيًا وغير حرارية حيث لم يختلط المعلومات عبر الشبكة بعد، وتأجل التسخين إلى حالة عالية الحرارة بلا ميزات.

عندما يكتسب الإيقاع نبضة ثانية

تصير القصة أكثر ثراء عندما يضيف الباحثون حقلًا طوليًا، يميّل العزوم بلطف على امتداد اتجاه واحد ويكسر صراحة تماثلًا داخليًا للنموذج. يبقى إيقاع البلورة الزمنية، لكن سعة الاهتزازات الآن تتضخم وتخبو ببطء، مكونة «نبضة» طويلة الفترة فوق النمط الأساسي ذو الخطوتين. من خلال إجراء نسخة عددية من تحليل طيفي—تحويل فورييه المتقطع—على المغناطيسية الملاحظة، يجد الفريق ليس فقط قمة قوية عند نصف تردد القيادة، بل أيضًا قمم جانبية عند ترددات مجاورة قابلة للضبط بسلاسة. هذه المكونات الإضافية لا تتوافق بدقة مع فترة القيادة وهي فعليًا غير متوافقة (incommensurate)، كاشفة استجابة بلورية زمنية مُعدَّلةٍ غير متوافقة حيث يضمّ الغلاف البطيء النبضات الأساسية.

الحواسب الكمومية كمجاهر للديناميكيات الغريبة

في نطاق المعاملات حيث تعبر البلورة الزمنية إلى هذا السلوك المعدَّل وإلى الالتهام الحراري الكامل، تبدأ محاكيات شبكات الموتر الكلاسيكية في المعاناة: زيادة التشابك تجبر تقريبها على الانهيار في الأزمنة الطويلة. ومع ذلك يواصل المعالج الكمومي إنتاج بيانات حتى 100 دورة، متجاوزًا ما تستطيع الأدوات الكلاسيكية الحالية التعامل معه بثقة. يخلص المؤلفون إلى أن البلورات الزمنية النظيفة ثنائية الأبعاد وأشباهها غير المتوافقة يمكن تحقيقها على العتاد الكمومي القائم على البوابات اليوم، دون الاعتماد على الاضطراب أو قيادات فائقة السرعة، وأن مثل هذه المعالجات تقدم الآن مختبرًا عمليًا لفحص ديناميكيات كمومية معقدة في نطاقات تصل فيها حسابات الحوسبة التقليدية إلى حدودها.

الاستشهاد: Shinjo, K., Seki, K., Shirakawa, T. et al. Unveiling clean two-dimensional discrete time crystals on a digital quantum computer. npj Quantum Inf 12, 41 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01193-3

الكلمات المفتاحية: بلورة زمنية متقطعة, ديناميكيات فلوكيت, محاكاة كمومية, شبكات الموترات, كيوبتات فائقة التوصيل