تتطلب أجهزة الكمبيوتر الكمومية قياسات زمنية دقيقة لمعالجة الحالات الكمومية، لكن الأبحاث الجديدة تكشف عن قيد أساسي: لا يمكن للساعات تحقيق الدقة والدقة المثالية في نفس الوقت بسبب طاقتها المحدودة وتوليد الإنتروبيا. وهذا يخلق قيودًا متأصلة على قدرات الحوسبة الكمومية. مع تطور تكنولوجيا الكم، سيصبح التغلب على تحديات قياس الوقت أمرًا بالغ الأهمية وقد يؤدي إلى اكتشافات جديدة في ميكانيكا الكم.
أصبح استخدام الحوسبة الكمومية أسهل بشكل متزايد لإجراء العمليات الحسابية. ومع ذلك، تظهر الأبحاث أن الحوسبة الكمومية لها قيود متأصلة، خاصة فيما يتعلق بجودة الساعات المستخدمة.
لدى الناس أفكار مختلفة حول كيفية بناء كمبيوتر كمي. لكن لديهم جميعا شيء واحد مشترك: أخذ نظام فيزيائي كمي -مثل ذرة واحدة- وإخضاعه لقوى محددة للغاية لفترة زمنية محددة، وبالتالي تغيير حالته. ومع ذلك، هذا يعني أنه لكي تكون قادرًا على الاعتماد على عمليات الحوسبة الكمومية لتقديم النتائج الصحيحة، فأنت بحاجة إلى ساعة دقيقة قدر الإمكان.
ولكن هنا تكمن المشكلة: قياس الوقت المثالي أمر مستحيل. تتميز كل ساعة بخاصيتين أساسيتين: دقة معينة ودقة زمنية معينة. تمثل الدقة الزمنية مدى صغر الفاصل الزمني القابل للقياس، أي مدى سرعة دقات الساعة. تشير الدقة إلى خطأ كل مقياس.
كان الفريق قادرًا على إثبات أنه نظرًا لأنه لا توجد ساعة تحتوي على كمية لا حصر لها من الطاقة المتاحة (أو تنتج كمية لا حصر لها من الإنتروبيا)، فلا يمكن أبدًا أن تتمتع بدقة مثالية ودقة مثالية في نفس الوقت. وهذا يحد بشكل أساسي من إمكانيات أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
في عالمنا الكلاسيكي، لا تمثل العمليات الحسابية المثالية مشكلة. على سبيل المثال، يمكنك استخدام المعداد عن طريق ربط خرزات خشبية على عصا ودفعها ذهابًا وإيابًا. الخرز الخشبي له حالة محددة جيدًا. كل حبة خشبية في وضع محدد للغاية. إذا لم تفعل شيئًا، فستبقى الخرزات الخشبية في موضعها الأصلي.
سواء قمت بتحريك الخرز الخشبي بسرعة أو ببطء لن يؤثر على النتائج. لكن في فيزياء الكم، الوضع أكثر تعقيدًا.
"من الناحية الرياضية، فإن تغيير الحالة الكمومية في الكمبيوتر الكمي يعادل الدوران في بعد أعلى. ومن أجل الوصول أخيرًا إلى الحالة المرغوبة، يجب أن يستمر الدوران لفترة زمنية محددة جدًا. وإلا، فسوف تحول الحالة إلى مسافة قصيرة جدًا أو بعيدة جدًا."
الانتروبيا: الوقت يجعل كل شيء أكثر فوضوية
قام ماركوس هوبر وفريقه بالتحقيق في القوانين التي يجب أن تنطبق دائمًا على كل ساعة يمكن تصورها. ويوضح: "يرتبط قياس الوقت دائمًا بالإنتروبيا. في كل نظام فيزيائي مغلق، تزداد الإنتروبيا وتصبح أكثر اضطرابًا. وهذا التطور هو الذي يحدد اتجاه الزمن: المستقبل هو مكان ذي إنتروبيا أعلى، والماضي هو مكان ذي إنتروبيا أقل".
كما هو موضح في الشكل، فإن كل قياس للوقت يكون مصحوبًا حتماً بزيادة في الإنتروبيا: على سبيل المثال، تتطلب الساعة بطارية، ويتم تحويل طاقة البطارية في النهاية بواسطة آلية الساعة إلى حرارة احتكاكية وصوت تكتكة - في هذه العملية، تتحول حالة البطارية المنظمة إلى حالة غير منتظمة إلى حد ما من الإشعاع الحراري والصوت.
وبناءً على ذلك، أنشأ الفريق نموذجًا رياضيًا يجب أن تلتزم به كل ساعة يمكن تخيلها. وقال فلوريان ماير، المؤلف الرئيسي للورقة البحثية الثانية: "عند زيادة معينة في الإنتروبيا، تكون هناك مقايضة بين دقة الوقت ودقة الوقت. وهذا يعني: أن الساعة إما تعمل بسرعة أو تعمل بدقة، ومن المستحيل القيام بالأمرين معًا في نفس الوقت".
حدود الحواسيب الكمومية
يخلق هذا الإدراك حدًا طبيعيًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية: فالدقة والدقة التي يمكن أن تحققها الساعة تحد من السرعة والموثوقية التي يمكن أن يحققها الكمبيوتر الكمي. يقول ماركوس هوبر: "هذه ليست مشكلة بعد". "لا تزال دقة أجهزة الكمبيوتر الكمومية محدودة بعوامل أخرى، مثل دقة المكونات المستخدمة أو المجال الكهرومغناطيسي. لكن حساباتنا تظهر أيضًا أننا اليوم لسنا بعيدين عن آلية تلعب فيها الحدود الأساسية لقياس الوقت دورًا حاسمًا".
لذلك، إذا تم تحسين تكنولوجيا معالجة المعلومات الكمومية بشكل أكبر، فسيواجه الناس حتمًا مشكلة قياس الوقت غير الأمثل. لكن من يدري: ربما تكون هذه طريقة مثيرة للاهتمام بالنسبة لنا لفهم العالم الكمي.