إليك أمرٌ غريب في الفيزياء: هناك قوانين تحكم الجسيمات الدقيقة جدًا داخل الذرات، وهذه القوانين غريبة للغاية. غريبة إلى درجة أن أينشتاين وصفها بـ«الفعل الشبحي عن بُعد». نحن نتحدث عن التشابك الكمومي — الظاهرة التي يصبح فيها جسيمان مترابطين بعمق بحيث يؤثر ما يحدث لأحدهما فورًا على الآخر، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بينهما.
أتذكر أول مرة تعلمت فيها عن هذا في الجامعة، حيث أصيب دماغي بـ«قصر في الدائرة» تقريبًا. كيف يمكن لجسيمين على طرفي نقيض من الكون أن يكونا متصلين؟ أليس هذا أمرًا مستحيلًا؟
حسنًا، كان أينشتاين يعتقد ذلك أيضًا. لم يكن من المعجبين بهذه الفكرة. كان يعتقد أن على الجسيمات أن يكون لكل منها واقع مستقل، وكان التشابك يبدو وكأنه ينتهك هذا المفهوم البديهي. لكن إليك الأمر — لقد أثبتت عقود من التجارب أن أينشتاين كان مخطئًا. التشابك حقيقي، وهو غريب، وقد يكون ببساطة أساس الثورة التقنية القادمة.
لماذا يهم هذا أكثر مما قد تظن
التشابك ليس مجرد فضول في الفيزياء. إنه العمود الفقري للتقنيات الناشئة التي يمكن أن تعيد تشكيل كل شيء، من الاتصالات الآمنة إلى قوة الحوسبة التي تجعل الحواسيب العملاقة الحالية تبدو مثل الآلات الحاسبة البسيطة.
المشكلة هي أن استخدام التشابك فعليًا في الأجهزة الحقيقية كان أمرًا صعبًا بشكل لا يصدق. فأن تثبت أن الجسيمات متشابكة في المختبر هو أمر، وأن تتمكن من إنشاء حالات متشابكة محددة ومعالجتها وتحديد هويتها بشكل موثوق للتطبيقات العملية هو أمر آخر تمامًا.
على مدى الـ25 عامًا الماضية، كان لدى العلماء طريقة راسخة لتحديد نوع واحد من الحالات المتشابكة (تُسمى حالة GHZ)، لكن نوعًا آخر حاسمًا — حالة W — ظل عصيًا على التحديد بشكل عنيد. تخيل الأمر مثل امتلاك أداة موثوقة لنوع واحد من الأقفال، لكن لا شيء للنوع الآخر المهم بنفس القدر.
حتى الآن.
لحظة «آها!»: استخدام التناظر
هنا يصبح البحث الجديد مثيرًا حقًا. وجد علماء في جامعة كيوتو وجامعة هيروشيما طريقة ذكية لتحديد حالات W من خلال استغلال شيء يسمى «تناظر الدوران الدوري».
دعني أوضح ما يعنيه ذلك بمصطلحات غير رياضية.
تخيل أن لديك ثلاثة فوتونات (جسيمات الضوء) متشابكة في حالة W. الآن تخيل أنك تستطيع إزاحة ترتيبها في دورة متكررة — مثل تدوير المقاعد حول طاولة مستديرة — ويبقى النمط الأساسي قابلًا للتعرف عليه. هذا هو التناظر الذي استخدمه الباحثون كمرساة لهم.
باستخدام هذه الخاصية، صمموا دائرة كمومية يمكنها في الأساس «النظر» إلى حالة متشابكة ومعرفة ماهيتها في قياس واحد، بدلاً من النهج التقليدي الذي يتطلب جمع كميات هائلة من البيانات ثم إعادة بناء الحالة حسابيًا.
الفرق يشبه الفرق بين حل أحجية بالمحاولة والخطأ مقابل أن يسلمك أحدهم الإجابة ويشرح كيف عرفها. النهج أحادي القياس أكثر كفاءة بشكل كبير.
ماذا يعني هذا للمستقبل
هنا يصبح داخلي «المتحمس للتقنية» متحمسًا حقًا.
هذا الاختراق يدفع قدمًا بشكل مباشر التلقيم الكمومي — الذي، على الرغم من اسمه، لا يتضمن نقل المادة إلى أي مكان (آسف يا عشاق ستار تريك). بدلاً من ذلك، يتعلق الأمر بنقل المعلومات الكمومية من موقع إلى آخر باستخدام التشابك. إنه في الأساس نسخة الإنترنت الكمومي من إرسال رسالة.
يمكن لتقنية القياس الجديدة أيضًا أن تسرع تطوير:
- شبكات الاتصالات الكمومية التي تكون نظريًا غير قابلة للاختراق
- نهجات الحوسبة الكمومية القائمة على القياس التي قد تكون أبسط في التنفيذ
- أنظمة متعددة الفوتونات لمعالجات كمومية أكثر قوة
فريق البحث يخطط بالفعل لتوسيع نطاق هذا التجاوزًا لتجربتهم ذات الفوتونات الثلاثة. إذا استطاعوا توسيع هذا إلى أنظمة أكبر — والرياضيات تشير إلى أنهم يستطيعون — فنحن ننظر إلى أداة عملية أرادها العديد من باحثي التقنية الكمومية لفترة طويلة جدًا.
الصورة الأكبر
اقتباس واحد من الباحثين علق في ذهني: «لتسريع البحث والتطوير في التقنيات الكمومية، من الضروري تعميق فهمنا للمفاهيم الأساسية من أجل الت