ثورة في فهم الاضطراب باستخدام الحوسبة الكمية

لقد حقق العلماء قفزة إلى الأمام في فهم نمط وبنية الاضطراب - وهي ظاهرة طبيعية لوحظت في السوائل مثل المياه المتحركة، وتيارات المحيطات، والتفاعلات الكيميائية، وتدفق الدم، وسحب العواصف، وأعمدة الدخان، وحتى بلازما النجوم.

وعلى الرغم من أن السريان المضطرب فوضوي وغير منتظم، حيث تتسبب حركة المائع في تشكل دوامات أكبر حجماً ثم تتفكك إلى دوامات أصغر، حاول الفيزيائيون منذ فترة طويلة دراسة ونمذجة العملية باستخدام المعادلات الرياضية والحواسيب. لكن، حتى مع وجود الحواسيب العملاقة الحديثة، لا تزال المحاكاة المباشرة والدقيقة لجميع التدفقات المضطربة باستثناء أبسطها لاتزال بعيدة المنال، وقد استعصى الفهم الكامل للاضطراب على الباحثين لحوالي 200 عام.

والآن، ابتكر فريق دولي من العلماء نهجًا جديدًا لمحاكاة الاضطراب يستخدم طريقة مستوحاة من الحوسبة الكمية، كما هو موضح في دراسة نُشرت في 29 يناير في مجلة Science Advances.

قال المؤلف الرئيسي للدراسة نيك غوريانوف، الباحث في قسم الفيزياء في جامعة أكسفورد، إن القدرة على نمذجة هذه الظاهرة والتنبؤ بها بدقة يمكن أن يكون لها العديد من التطبيقات العملية في العلوم والهندسة، مما قد يحسن تصميم الطائرات والسيارات والمراوح والقلوب الاصطناعية ويجعل التنبؤ بالطقس أكثر دقة.

"كان الاضطراب ولا يزال مشكلة غير محلولة بمعنى أننا لا نستطيع محاكاة التدفقات الواقعية على أجهزة الكمبيوتر، أي أننا لا نزال بحاجة إلى نفق الرياح لتصميم جناح طائرة. لكن التقدم مثل الذي حققناه "يزيح" المشكلة ويدفع الحدود إلى الأمام".

وأوضح غوريانوف أن معظم المقاربات السابقة لمحاكاة الاضطراب اعتمدت على استراتيجية حتمية، والتي تنتج دائماً نفس النتائج مع مجموعة محددة من الشروط الأولية. وبدلاً من ذلك، قام البحث الجديد بنمذجة التقلبات في الاضطراب بشكل احتمالي، وهو نهج يأخذ بعين الاعتبار التباين العشوائي.

قام الفريق بتطبيق خوارزمية مستوحاة من الحوسبة الكمية على التدفقات المضطربة، مما سمح لهم بحساب ما قد يستغرق عدة أيام على خوارزمية كلاسيكية للقيام به على حاسوب عملاق كامل في بضع ساعات.

تعالج الحواسيب الكمية المعلومات بطريقة مختلفة جذرياً عن الحواسيب الكلاسيكية. فالحواسيب التقليدية تقوم بالحسابات باستخدام البتات: أي البيانات الموجودة في حالة واحدة في كل مرة، واحد أو صفر. أما الحواسيب الكمومية فتستخدم البتات الكمية (أو "Qbits)، والتي يمكن أن تكون أصفاراً أو آحاداً أو أي مزيج من الاثنين معاً. استخدم معدو الدراسة أداة رياضية تسمى شبكات التينسور يمكن استخدامها لمحاكاة نظام كمومي.

وقال جيمس بيتي، وهو باحث مشارك في مرحلة ما بعد الدكتوراه وزميل في قسم علوم الفيزياء الفلكية في جامعة برينستون في نيوجيرسي، إنه من خلال تمثيل البيانات ذات المتغيرات الكثيرة بطريقة أبسط، تمكن الفريق من تسريع العمليات الحسابية المعقدة اللازمة للبدء في فهم الاضطراب. لم يشارك بيتي في البحث.

"إن المحاكاة التي يقومون بتشغيلها هي محاكاة مائع لمادتين كيميائيتين مختلفتين تختلطان وتتفاعلان. وباستخدام هذا التمثيل، فهذا يعني أن هذه الحسابات المعقدة نوعاً ما يمكن أن تستخدم ذاكرة أقل بكثير، مما يسمح بتشغيلها على جهاز كمبيوتر محمول."

وأضاف قائلاً: "إن رؤية تقدم كهذا (استخدام أفضل للذاكرة بمليون مرة وتسريع العمليات الحسابية بألف مرة) أمر نادر الحدوث، مما يجعل هذا التقدم مثيراً في نمذجة الاضطرابات".

وأضاف بيتي أنه على الرغم من أن الدراسة الأخيرة تعد "تقدماً مذهلاً"، إلا أنها ليست القصة الكاملة، مشيراً إلى أنها لا تعالج قضايا الحجم، أو كيفية ارتباط الدوامات المضطربة ذات الأحجام المختلفة ببعضها البعض.

وقال عبر البريد الإلكتروني: "الاضطراب، كما يقول المؤلفون، هو مشكلة متعددة النطاقات، أي أن الاضطراب يمكن أن يمتد من آلاف السنين الضوئية إلى أقل من قدم". "نريد أن نعرف كيف تتحدث هذه المقاييس مع بعضها البعض."

قال بيتي: "هذا هو الجانب الذي يجعل محاكاة الموائع المضطربة صعبة للغاية - فنحن نريد حل العديد من المقاييس في المحاكاة، والتي تستهلك الكثير من الذاكرة والحساب، مما يعني وضع هذه المحاكاة على أجهزة كمبيوتر عملاقة كبيرة."

قال يونغشيانغ هوانغ، الباحث والأستاذ المشارك في مختبر الدولة الرئيسي لعلوم البيئة البحرية وكلية علوم المحيطات والأرض في جامعة شيامن في جنوب شرق الصين، إن البحث الجديد "مثير للإعجاب للغاية".

قال هوانغ، الذي لم يشارك في الدراسة، إن غوريانوف وفريقه توصلوا إلى طريقة جديدة تقلل بشكل كبير من استخدام الذاكرة والتعقيد الحسابي. ومع ذلك، فقد وافق على أنها لم ترسم صورة كاملة، والتي قال إنها كانت صعبة للغاية بسبب النطاق الواسع من المقاييس المعنية.

وقد وُصفت الاضطرابات بأنها أقدم مشكلة لم تُحل في الفيزياء. يُزعم أن عالم الفيزياء النظرية الألماني فيرنر هايزنبرغ قال وهو على فراش الموت، "أنه يريد معرفة سؤالين: لماذا النسبية؟ ولماذا الاضطراب؟".

قال غوريانوف إن الميزة الحسابية للتقنية الجديدة التي كشفت عنها الدراسة تفتح مجالات جديدة لم يكن من الممكن الوصول إليها من قبل في فيزياء الاضطراب للتحقيق العلمي، على الرغم من أن النتائج لا تعني حقاً أن لغز الاضطراب قد تم كشفه. وقال إن ذلك يتطلب خوارزميات أو أجهزة حوسبة جديدة بشكل كبير مقارنة بما هو متاح الآن.

وقال غوريانوف: "لقد بحث العديد من العلماء (الموهوبين والمتفوقين بشكل استثنائي) في هذه المشكلة، ومع ذلك لم نقترب حتى الآن من حلها".