العلماء يحققون تقدمًا في فهم أنماط الاضطرابات والهياكل في السوائل

حقق العلماء قفزة كبيرة إلى الأمام في فهم الاضطرابات، وهي ظاهرة فوضوية لوحظت في الأنظمة الطبيعية مثل المياه المتحركة، والتيارات المحيطية، وتدفق الدم، وحتى السحب العاصفة.

منذ أكثر من 200 عام، سعى علماء الفيزياء جاهدين لمحاكاة وتوقع الاضطرابات بشكل دقيق، والتي تنطوي على حركات سوائل معقدة تشكل دوامات كبيرة تنقسم إلى دوامات أصغر.

ومع ذلك، فإن طريقة جديدة مستوحاة من الحوسبة الكمومية قد تغير هذا.

نهج مستوحى من الكم لفهم سلوك السوائل المعقدة

في دراسة نشرت في 29 يناير في مجلة Science Advances ، كشف فريق دولي من العلماء عن نهج جديد لمحاكاة الاضطرابات يستفيد من مبادئ الحوسبة الكمومية.

ويعد هذا الاختراق بالغ الأهمية لأن النمذجة الدقيقة للتدفقات المضطربة يمكن أن يكون لها فوائد واسعة النطاق، من تحسين تصاميم الطائرات والسيارات إلى تعزيز التنبؤ بالطقس وحتى تطوير الأجهزة الطبية مثل القلوب الاصطناعية.

وأوضح نيك جوريانوف، المؤلف الرئيسي للدراسة، وهو عالم فيزياء بجامعة أكسفورد، أنه في حين تعتمد عمليات محاكاة الاضطرابات التقليدية على أساليب حتمية - بمعنى أنه في ظل ظروف محددة، فإنها تنتج دائمًا نفس النتيجة - فإن البحث الجديد يقدم نهجًا احتماليًا.

ما الذي يميز هذا العمل؟

تأخذ هذه الطريقة في الاعتبار التقلبات الطبيعية والتغيرات العشوائية داخل التدفقات المضطربة.

ما يميز هذا العمل هو استخدامه لخوارزميات مستوحاة من الحوسبة الكمومية.

تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية على معالجة المعلومات بطرق تختلف عن أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.

في حين تستخدم أجهزة الكمبيوتر التقليدية البتات (إما 0 أو 1)، تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية البتات الكمومية، أو كيوبتات ، والتي يمكن أن توجد في حالات متعددة في وقت واحد.

وهذا يتيح للعلماء محاكاة الاضطرابات في جزء بسيط من الوقت الذي يستغرقه الأمر عادة باستخدام حاسوب عملاق.

وتمكن فريق البحث من إكمال عمليات المحاكاة في ساعات، بعدما كانت تستغرق أياماً باستخدام الخوارزميات الكلاسيكية.

وأشاد جيمس بيتي، الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه بجامعة برينستون، بالطريقة الجديدة لقدرتها على تقليل استخدام الذاكرة وتسريع العمليات الحسابية بشكل كبير.

ويعد هذا التقدم مهمًا بشكل خاص لمحاكاة السوائل، والتي يمكن أن تنطوي على متغيرات معقدة.

وأشار بيتي إلى أن نهج الفريق قد يجعل مثل هذه المحاكاة تعمل على أجهزة أكثر سهولة في الوصول إليها، حتى على الكمبيوتر المحمول.

ورغم هذا التقدم، يعترف مؤلفو الدراسة بأن هناك الكثير مما يتعين اكتشافه.

إن التحدي المتمثل في محاكاة الاضطرابات يكمن في طبيعتها متعددة المقاييس، وهذا يعني أن التدفقات المضطربة يمكن أن تمتد على نطاق هائل من الأحجام، من المقاييس المجهرية إلى الظواهر الكونية الشاسعة.

تظل النمذجة الدقيقة لهذه المقاييس المتنوعة في محاكاة واحدة مشكلة صعبة، وتتطلب قدرًا كبيرًا من الذاكرة والحساب.

وأكد بيتي أن فهم كيفية تفاعل المقاييس المختلفة أمر ضروري لحل لغز الاضطرابات.

لقد حقق فريق غوريانوف خطوات مثيرة للإعجاب، لكن الخبراء يتفقون على أن حل مشكلة الاضطرابات لا يزال بعيدًا عن الاكتمال.

وفي حين يقلل هذا النهج الجديد بشكل كبير من التعقيد الحسابي، فإنه لا يتناول بشكل كامل كيفية ارتباط الدوامات ذات الأحجام المختلفة في التدفقات المضطربة ببعضها البعض.

وستتضمن الخطوة التالية في أبحاث الاضطرابات تطوير خوارزميات وأنظمة حاسوبية جديدة قادرة على التعامل مع هذه التحديات بشكل أكثر فعالية.

لقد تم اعتبار الاضطرابات منذ فترة طويلة واحدة من أكثر المشاكل غموضا في الفيزياء.

ورغم عقود من البحث، لا يزال الحل الكامل بعيد المنال.

ومع ذلك، فإن النتائج الأخيرة التي توصل إليها غوريانوف وفريقه تقربنا خطوة واحدة من كشف تعقيدات الاضطرابات.