الملاحظة التجريبية دون اختيار مسبق للتحول الطوري الناجم عن القياس في دوائر ذات بوابات شاملة

مراقبة معلومات كمية تغير رأيها

تعد الحواسيب الكمومية الحديثة بقفزات هائلة في القدرة الحسابية، لكنها شديدة الحساسية للقياس والضوضاء. تستكشف هذه الورقة نوعًا غريبًا من «التغير الطوري» في كيفية انتشار المعلومات الكمومية ثم انهيارها فجأة عندما تراقبها كثيرًا. لا يصف المؤلفون هذا الانتقال نظريًا فحسب، بل يوضحون أيضًا كيف يمكن ملاحظته بوضوح على الأجهزة الحالية، دون الحاجة إلى تصفية بيانات بطولية أعاقت التجارب السابقة.

سلوكان متنافسان في العالم الكمومي

عندما تتطور العديد من الكيوبتات معًا، فإنها عادةً ما تصبح متشابكة للغاية: تتشتت معلومات أي كيوبت عبر الجهاز بأكمله. لكن إذا قمت بقياس الكيوبتات مرارًا أثناء تطورها، فإن تلك القياسات تميل إلى طي الحالة الكمومية ومسح التشابك. تتنبأ النظرية الحديثة بصراع شد وحبس بين هاتين النزعتين. عند معدلات قياس منخفضة، ينتهي النظام في «طور تشابكي»، حيث تُوزع المعلومات بشكل غير محلي. فوق نقطة معينة، ينتقل إلى «طور إبطال التشابك»، حيث تهيمن القياسات وتصبح حالة النظام معروفة تقريبًا بشكل كامل. يُسمى هذا التغير الحاد في السلوك تحولًا طورياً ناجمًا عن القياس.

لماذا كان اختيار العينات عقبة

كان الكشف عن هذا الانتقال في المختبر صعبًا للغاية. التواقيع الأكثر مباشرة تنطوي على كميات غير خطية مثل إنتروبيا التشابك أو النقاوة، التي تعتمد على الحالة الكمومية الكاملة، وليس على المتوسطات البسيطة لنتائج القياس. لتقدير تلك الخصائص، عادةً ما يتعين "اختيار" تجارب تكون فيها سلسلة محددة من نتائج القياس داخل الدائرة متطابقة. ونظرًا لأن تلك النتائج عشوائية، يتضخم عدد التجارب المطلوبة أسيًا مع حجم النظام. قبلت التجارب إما هذه التكلفة الباهظة، أو اقتصرت على أنظمة صغيرة جدًا، أو قيدت نفسها بمجموعات بوابات خاصة أسهل لمحاكاتها على حاسوب كلاسيكي.

دوائر على شكل شجرة كاختصار ذكي

يهرب المؤلفون من هذه عنق الزجاجة بتغيير تخطيط الدائرة الكمومية. بدلًا من ترتيب الكيوبتات على خط أو شبكة، يستخدمون بنية شجرية: بدءًا من كيوبت "جذر" واحد (متشابك مبدئيًا مع مجس)، يضيفون بشكل متكرر كيوبتات جديدة ويشابكونها في نمط تفرعي. بعد كل خطوة تشابك، يجرون قياسات لطيفة، أو "ضعيفة"، على الكيوبتات. يمكن ضبط قوة هذه القياسات بشكل مستمر من ضعيفة جدًا (تكاد لا تزعج الحالة) إلى قياسات إسقاطية فعليًا (قوية، تنهار الحالة بالكامل). والأهم أن البنية المتكررة للشجرة تتيح لهم معالجة جميع نتائج القياس المسجلة بخوارزمية كلاسيكية تكلفتها تنمو خطيًا فقط مع عدد الكيوبتات، بدلًا من أسيًا.

متابعة كيوبت واحد عبر الغابة

بدلًا من إعادة بناء حالة النظام كاملة المكوّنات، يتتبع المؤلفون مقدار الشك المتبقي بشأن كيوبت خاص يبدأ متشابكًا مع الباقي. في صورة الشجرة، يمكن صياغة ذلك على أنه مدى القدرة على التنبؤ بالحالة الابتدائية لكيوبت الجذر مجرّدًا من سجل جميع القياسات الضعيفة داخل الدائرة. إذا ظل التنبؤ غير تام حتى في الأشجار العميقة جدًا، فإن النظام في الطور التشابكي. إذا، بعد قوة قياس معينة، أمكن إعادة بناء حالة الجذر فعليًا، فقد دخل النظام طور إبطال التشابك، أو الطور "المطهّر". يعرف الفريق كمية عددية بسيطة تلتقط هذه القدرة على التنبؤ ويُظهرون أنها تتصرف تمامًا مثل معلمة ترتيب قياسية في التحولات الطورية الأكثر ألفة، فتنتقل من قيمة غير صفرية إلى قيمة تُعد فعليًا صفرًا عند قوة قياس حرجة.

من النظرية إلى جهاز كمومي عامل

ينفذ الباحثون بروتوكول دائرة الشجرة على كمبيوتر Quantinuum الأيوني المحاصر H1-1، مستخدمين حتى أربع طبقات من الشجرة. يختارون بوابات أحادية-كيوبت عشوائية عامة—حتى لا تُبسط الديناميكيات صناعيًا— وقياسات ضعيفة نُفِّذت بتفاعلات الجهاز الأصلية. مع عدد معتدل من الدوائر العشوائية وإطلاقات متكررة، يقدّرون معلمة الترتيب لأعماق شجرية وقوى قياس مختلفة. تتبع بياناتهم عن كثب التنبؤات النظرية المفصّلة والمحاكاة الكلاسيكية واسعة النطاق، وكل ذلك دون أي تخفيف للأخطاء، مما يبرهن أن الانتقال يمكن تحديده بوضوح على الأجهزة الصاخبة الحالية.

ماذا يعني هذا لتقنيات الكم المستقبلية

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن هناك نظامين متميزين لسلوك المعلومات في الأنظمة الكمومية المراقبة: واحد تبقى فيه المعلومات منتشرة ويصعب الوصول إليها، والآخر تجعل فيه القياسات المتواصلة المعلومات واضحة ومحلية. يوضح هذا العمل أن الحد الفاصل بين هذين النظامين—التحول الطوري الناجم عن القياس—يمكن ملاحظته تجريبيًا دون تصفية بيانات مفرطة أو مجموعات بوابات مقيدة، شريطة استخدام هندسة دائرة شجرية واستراتيجية فك تشفير مناسبة. يجعل ذلك النماذج المعتمدة على الشجرة حواضن اختبار قوية لفهم كيف ستؤثر القياسات والضوضاء وتدفق المعلومات على أداء وتصميم تقنيات الكم في المستقبل.

الاستشهاد: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

الكلمات المفتاحية: التحول الطوري الناجم عن القياس, دوائر كمومية, التشابك, كمبيوتر أيوني محاصر كمي, تصحيح الأخطاء الكمومية