التدريس الكمي – تراكب التجربة والنظرية

في هذا المقال، يشرح كافر سليماني بالتفصيل كيف قام الطلاب، في إطار المختبر، بتحطيم أسس النظرية الكلاسيكية واحدًا تلو الآخر، من خلال إعادة إنشاء سلسلة من التجارب الكمية الرائدة التي نُشرت في العقود الأربعة الماضية

بقلم كفير سليماني الكم بالعبرية

الفيزياء علم تجريبي، لكنني اكتسبت تعليمي الكمي غالبًا أمام السبورة في الفصل أو أمام كتاب. وأنا لست غير عادي في هذا، فهذا الوضع مستمر حتى في السنوات العشر التي مرت منذ أن بدأت دراستي. هذا العام، تشرفت بإنشاء مختبر لتدريس فيزياء الكم، مخصص لطلاب المرحلة الجامعية الثالثة. سأشرح في هذا المنشور بالتفصيل كيف قام الطلاب، في إطار المختبر، بتحطيم أسس النظرية الكلاسيكية واحدًا تلو الآخر، من خلال إعادة إنشاء سلسلة من التجارب الكمية الرائدة التي نُشرت في العقود الأربعة الماضية.

التجربة الأولى التي قمنا بإعادة إنتاجها هي تجربة بيل. حسمت هذه التجربة خلافًا طويل الأمد بين رواد نظرية الكم، فيما يتعلق بحتمية الطبيعة. تم تقديم الفكرة في ورقة أينشتاين وبودولسكي وروزن (EPR) من عام 1935 [1]. في مقالتهم التأسيسية، حدد المؤلفون معيارًا ضروريًا لطريقتهم، والذي يجب أن تفي به النظرية حتى تعتبر كاملة: يجب أن توفر النظرية طريقة لحساب جميع الكميات الفيزيائية في النظام دون إزعاجها. يهدف هذا المعيار إلى أن يكون بمثابة ثقل موازن للطبيعة الاحتمالية لميكانيكا الكم، والتي بموجبها لا توجد كمية فيزيائية في الواقع حتى يتم "إزعاج" النظام عن طريق إجراء القياس. وفي ظل هذا الافتراض، فإن ظاهرة التشابك الكمي تؤدي إلى مفارقة. في حالة تشابك نظامين، يمكن التنبؤ بحجم في النظام دون إزعاجه. ومع ذلك، لا توفر ميكانيكا الكم طريقة لحساب نفس الحجم. ومن ثم، فإن نظرية الكم لا تلبي معيار EPR.

الصياغة الأكثر دقة لهذه المفارقة هي مسألة ما إذا كان من الممكن كسر فكرة أساسية تسمى "الواقعية المحلية". ينص هذا المبدأ على أن تجربة أجريت في مكان ما لا يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على نتائج تجربة أجريت في مكان آخر، حيث أن الأجسام تتأثر فقط بالأحداث التي تقع تحتها في المخروط الضوئي للزمكان (سيتم التوسع في هذا الموضوع ربما يتم نشره في مقال مستقبلي). ومع ذلك، فإن التشابك الكمي لا يحقق مبدأ المحلية. وكان استنتاج EPR من هذا هو أن نظرية الكم غير مكتملة، وهناك "متغيرات مخفية" موجودة ومحددة قبل القياس - ولكنها غير معروفة لنا.

في مقال نشره جون ستيوارت بيل عام 1964، يقترح طريقة بسيطة لحل المشكلة من خلال تجربة تعتمد على التشابك الكمي. التجربة التي وصفها بيل تقدم نتيجتين: إحداهما تستبعد وجود "المتغيرات الخفية"، بينما تؤكد الأخرى وجودها [2]. تم إجراء التجربة في أوائل الثمانينات على يد آلان أسبا [80]، ونتيجة لذلك خلص أسبا إلى أن نظرية المتغيرات الخفية لا تحل التناقض بين نظرية الكم والواقعية المحلية، وبالتالي فإن قبول نظرية الكم يتطلب التخلي عن هذا المبدأ . والرأي المقبول اليوم هو أن العالم لا يؤيد إلا نسخة أضعف من مبدأ الواقعية المحلية، والذي بموجبه يمكن أن يكون هناك تأثير متزامن من مسافة ما ما دامت لا تنقل المعلومات من مكان إلى آخر.

الآن، في عام 2022، كجزء من درس فيزياء الكم، نقوم بإعادة إنتاج تجربة أسبا. باستخدام الإضاءة البلورية بكثافة عالية (عملية تسمى "الضخ")، ننتج أزواجًا من الفوتونات المتشابكة في الاستقطاب. وعندما تتشابك الفوتونات في الاستقطاب إذا قمنا بقياس استقطاب أحدهما سنعرف استقطاب الفوتون المتشابك معه. هذه الميزة ليست مفاجئة في حد ذاتها، حيث أنه من الممكن أن يتم إنشاؤها بنفس الاستقطاب المحدد. يتم قياس استقطاب كل فوتون باستخدام المستقطب وبعد ذلك يتم وضع كاشف فوتون واحد. ينقل المستقطب فقط شحنة المجال AM في محور الاستقطاب الخاص به، ويحجب الشحنة المتعامدة. عندما يلتقي الفوتون بالمستقطب في اتجاه 45 درجة لاستقطابه، فإنه لا يستطيع الانقسام، لذلك إما أن يمر أو يُحجب في عملية عشوائية ذات احتمالية متساوية في كلتا الحالتين. فإذا مر الفوتون فإن اتجاهه يكون مثل اتجاه المستقطب. إن الشيء المذهل في تجربة بيل هو أن العلاقة بين استقطابات الفوتونات تظل ثابتة حتى عند مرورها عبر المستقطبات بزوايا مختلفة.

الآن سأقوم بتفصيل مسار التجربة بإيجاز. نحن نحسب عدد المرات التي تمكن فيها الفوتونان من عبور المستقطبين في الثانية الواحدة ونطلق على هذه القيمة اسم "معدل التركيب". يتم وضع كل من المستقطبين في اتجاه زاوي مختلف عند واحدة من 4 زوايا مختلفة، ويتم تكرار قياس "معدل التجميع" للمجموعات الـ 16 من الزاويتين. في حين أن الحساب الكلاسيكي يتنبأ بأن مجموع "معدلات التركيب" في المجموعات المختلفة لا يمكن أن يكون أكبر من قيمة معينة، فإن التوراة الكمومية تتنبأ بمجموع كبير جدًا من "معدلات التركيب" (والتي لا يمكن تفسيرها بمساعدة التوراة الكلاسيكية). . استعدادًا للتجربة، أظهر الطلاب حاجزًا ناشئًا عن المبادئ الكلاسيكية حول "معدلات التركيبات"، وهم حاضرون ليروا أن هذا لا يتوافق مع القياسات. بعد ذلك، يكتبون الحالة الكمومية بشكل صريح، ويحسبون "معدلات التجميع" كميًا ويرون أنها تصف النظام بشكل صحيح.

تُظهر التجربة الثانية التي قمنا بإعادة إنتاجها ازدواجية الضوء الموجي والجسيمي. تم التخلي عن الوصف الجسيمي للضوء في القرن التاسع عشر، عندما أظهر توماس يونج أن مصدرين للضوء اصطدما ببعضهما البعض على الشاشة، مما أدى إلى خلق مناطق مشرقة ومظلمة (ميزة متموجة واضحة). ومع ذلك، فإن التجربة التي تنفي وصف الموجة لم يتم إجراؤها إلا في أواخر السبعينيات من قبل جيف كيمبال [19]. سبب الإشارة إلى تجربة كيمبال كتجربة رائدة في إنكار الوصف الموجي للضوء هو أن التجربة أظهرت خاصية جسيمية للضوء (antibunching)، وهذا على النقيض من إثبات التأثير الكهروضوئي (70) الذي لا يستقر مسألة ما إذا كان المجال الكهرومغناطيسي مكمما، أو ما إذا كان هو الذرة، أو كليهما.

في إعادة إنتاج هذه التجربة، قمنا بإدخال شعاع من الفوتونات المفردة إلى مقسم شعاع، والذي يقسم الشعاع الوارد إلى شعاعين لهما نفس النصوع. يتم وضع كاشف أمام كل شعاع يكتشف متى يصل إليه الفوتون ويصدر "قراءة". ومن خلال نظرية الجسيمات، لا يمكن لكلا الكاشفين الإعلان عن القراءة في لحظة معينة. وهكذا نستنتج أن الضوء الموجود في الشعاع يتكون من أجزاء منفصلة (كميات) لا يمكن تقسيمها. من أجل إكمال تجربة الازدواجية، يخرج الشعاعان من مقسم الشعاع ويدخلان إلى مقسم شعاع آخر. وبعد المجزئ الثاني نرى تشابكا بين الأشعة لا يمكن وصفه بالنموذج الجسيمي. معنى هذه النتيجة هو أن الفوتون كان في كلا الحزمتين الخارجتين لمقسم الحزمة الأول في نفس الوقت ومتشابكًا مع نفسه (!) في مقسم الحزمة الثاني.

في الأسابيع الستة التي يستمر فيها المختبر، قمنا أيضًا بإعادة إنتاج تجارب إضافية لهذين الاثنين، مثل "المحو الكمي" [5]، وتجربة HOM (التي سميت على اسم الفيزيائيين هونغ وأو وماندل) والتي تشكل الأساس لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. [6]. قبل كل تجربة، يقوم الطلاب بصياغة فرضيتين كميتين - واحدة تعتمد على النظرية الكلاسيكية والأخرى على نظرية الكم. وفي نهاية التجربة قمنا بمقارنة القياسات بالفرضيات، فنرى أن الوصف الكلاسيكي فشل.

وفي الختام، في رأيي الشخصي، فإن التجارب التي يقوم بها الطلاب كجزء من هذا المختبر تساهم في تكوين صورة كاملة وموثوقة فيما يتعلق بنظرية الكم، والتي ينقصها التعلم النظري المعتمد على المحاضرات والكتب المرجعية فقط. بالإضافة إلى ذلك، يكتسب الطلاب مهارات تجريبية في تقنيات الكم، وينمون القدرة على طرح الفرضيات وتأكيدها أو دحضها من خلال تخطيط وتنفيذ تجربة مناسبة.

كفير سليماني هو مدير مجتمع فيسبوك ولينكد إن "Quantim باللغة العبرية" وطالب دكتوراه في المجموعة البحثية للبروفيسور يارون برومبرج، معهد راكاح للفيزياء، الجامعة العبرية في القدس

מקורות

• [1] أينشتاين، ألبرت، بوريس بودولسكي، وناثان روزين. "هل يمكن اعتبار الوصف الميكانيكي الكمي للواقع المادي كاملاً؟" المراجعة البدنية 47.10 (1935): 777.
• [2] بيل، جون س. “في مفارقة آينشتاين بودولسكي روزن”. الفيزياء والفيزياء فيزيكا 1.3 (1964): 195.
• [3] آسبكت، آلان، فيليب جرانجر، وجيرارد روجر. "التنفيذ التجريبي لتجربة أينشتاين-بودولسكي-روزن-بوم جيدانكن: انتهاك جديد لعدم المساواة في بيل." رسائل المراجعة البدنية 49.2 (1982): 91.
• [4] كيمبل، إتش. جيف، ماريو داجينيس، وليونارد ماندل. "مضاد الفوتون في مضان الرنين." رسائل المراجعة البدنية 39.11 (1977): 691.
• [5] كيم، يون هو، وآخرون. ""ممحاة الكم المتأخرة""الاختيار"" رسائل المراجعة البدنية 84.1 (2000): 1.
• [6] هونغ، تشونغ كي، زهي يو أو، وليونارد ماندل. "قياس الفواصل الزمنية دون البيكو ثانية بين فوتونين عن طريق التداخل." رسائل المراجعة البدنية 59.18 (1987): 2044.
• [7] النظام التجريبي: https://qutools.com/qued

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• الجيل القادم من ذكريات الكمبيوتر المغناطيسية
• "الحوسبة الكمومية تأخذنا إلى عوالم كانت مستحيلة في الحوسبة الكلاسيكية"
• المفاهيم الأساسية في فيزياء الكم: ما هو الدوران؟