لقد وجد علماء الرياضيات طريقة لتحويل نهج الحوسبة الكمومية غير المنتجة من خلال إحياء فئة من الجسيمات التي تم التخلص منها سابقًا.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية يمكن حل المشكلات التي تتجاوز قدرات أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية باستخدام مبادئ مثل تراكب. وهذا يعني أ البت الكمي، أو الكيوبت، يمكن أن يمثل كلا من 0 و 1 في وقت واحد، على غرار التجربة الفكرية الشهيرة لقطط ميتة وحية. لكن الكيوبتات هشة للغاية. يمكن للتفاعلات مع البيئة أن تعطل حالاتها الكمومية بسهولة. هشاشتها تجعل من الصعب بناء أجهزة كمبيوتر كمومية مستقرة.

الآن، في أ دراسة جديدة وقد أظهر علماء الرياضيات، الذين نشروا في مجلة Nature Communications، أنه عند دمجها مع عناصر رياضية تم استبعادها سابقًا على أنها غير ذات صلة، يمكن لنوع من أشباه الجسيمات يسمى Ising Anyon أن يساعد في التغلب على هذه الهشاشة. أطلقوا على المكونات التي تم إحياؤها اسم “الإهمال”.

Ising Anyons موجود فقط في الأنظمة ثنائية الأبعاد. هم في قلب الحوسبة الكمومية الطوبولوجية. وهذا يعني أن الأنيونات تخزن المعلومات ليس في الجسيمات نفسها، ولكن في كيفية التفافها أو تجديلها حول بعضها البعض. يمكن لهذا التضفير تشفير المعلومات ومعالجتها بطرق أكثر مقاومة للضوضاء البيئية.

ولكن كان هناك قيود كبيرة. “المشكلة الوحيدة في Ising Anyons هي أنها ليست عالمية.” آرون لاوداوقال أستاذ الفيزياء والرياضيات بجامعة جنوب كاليفورنيا لموقع لايف ساينس: “يبدو الأمر كما لو كان لديك لوحة مفاتيح ولديها نصف المفاتيح فقط.”

متعلق ب: يحقق العلماء اختراقًا في “الحالة السحرية” بعد 20 عامًا – وبدونها، لا يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تكون مفيدة حقًا

وهنا يأتي دور الرياضيات التي تم التغاضي عنها. أعاد الفريق النظر في فئة من النظريات تسمى “نظرية المجال الكمي الطوبولوجي غير شبه البسيط”، والتي تستخدم لدراسة التماثل في الأشياء الرياضية.

وقال لاودا: “هذه فكرة أساسية في فيزياء الجسيمات”. “أنت قادر على التنبؤ بجسيمات جديدة لم يعرفها الناس إلا من خلال فهم تناظر ما يحدث.”

في هذه النظرية، كل جسيم له بعد كمي، وهو رقم يعكس مقدار “الوزن” أو التأثير الذي يمتلكه في النظام. إذا كان الرقم صفرًا، فسيتم عادةً التخلص من الجسيم.

قال لاودا لموقع Live Science: «الفكرة الأساسية لهذه الإصدارات الجديدة غير شبه البسيطة هي الحفاظ على تلك الجسيمات، التي كان وزنها صفرًا في الأصل». “ولقد توصلت إلى طريقة جديدة لقياس الوزن. هناك بعض الخصائص التي يجب أن تستوفيها، ومعرفة كيفية جعل هذا الرقم لا يساوي الصفر.”

القطع المهملة، التي أعيد تفسيرها كجزيئات، ملأت القدرات المفقودة لدى إيسينج أنيونز. أظهر الفريق أنه مع إضافة إهمال واحد فقط إلى النظام، يصبح الجسيم قادرًا على إجراء عمليات حسابية عالمية فقط من خلال التضفير.

لماذا يهم Ising Anyons؟

لمعرفة سبب أهمية الأنيونات على الإطلاق، من المفيد أن نفهم سلوكهم الغريب في بعدين.

في ثلاثة أبعاد، الجسيمات مثل البوزونات والفرميونات يمكن أن تدور حول بعضها البعض. ولكن يمكن التراجع عن هذه الحلقات، مثل تمرير خيط فوق أو تحت آخر. وعلى النقيض من ذلك، في البعدين، لا يوجد “فوق” أو “تحت”. وهذا يعني أنه عندما تتحرك الأنيونات حول بعضها البعض، لا يمكن فك تشابك المسارات، مما يؤدي إلى ظهور فيزياء جديدة بشكل أساسي.

أوضح لاودا: “طريقة التفكير في الأمر هي أنه إذا بدأت بالحالة صفر وقمت بلفها، فهل ستبقى في الحالة صفر أو بعض مضاعفات ذلك؟ أم أنها ستخلق صفرًا وواحدًا؟ هل أنا قادر على مزجهما وإنشاء هذه التراكبات التي أحتاجها للقيام بالحسابات الكمومية؟”

المفتاح في Ising Anyons هو أن تكون قادرًا على إنشاء التراكبات. نظرًا لأن هذه العمليات تعتمد على الشكل العام لمسار التضفير، وليس على المواقع الدقيقة، فهي محمية بشكل طبيعي من العديد من أنواع الضوضاء.

هذا الاكتشاف لا يعني أنه سيكون لدينا أجهزة كمبيوتر كمومية طوبولوجية غدًا. لكنها تشير إلى أنه بدلًا من اختراع مواد جديدة تمامًا أو جسيمات غريبة، قد يحتاج الباحثون فقط إلى النظر إلى الأنظمة المألوفة من خلال عدسة رياضية جديدة.