قطة شرودنغر تُبعث كجزيئات في مختبرات الفائزين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2012

قام سيرج هيروش وديفيد وينلاند بشكل منفصل باختراع وتطوير طرق ثورية لقياس الجسيمات الفردية والتحكم فيها مع الحفاظ على طبيعتها الميكانيكية الكمومية، بطرق كانت تعتبر مستحيلة في السابق

السيطرة على الجسيمات في عالم الكم

قام سيرج هيروش وديفيد واينلاند بشكل منفصل باختراع وتطوير طرق ثورية لقياس الجسيمات الفردية والتحكم فيها مع الحفاظ على طبيعتها الميكانيكية الكمومية، بطرق كانت تعتبر مستحيلة في السابق.

فتح وينلاند وروش الباب أمام حقبة جديدة من التجارب في مجال فيزياء الكم من خلال إظهار المراقبة المباشرة للأنظمة الكمومية الفردية دون تدميرها. وبمساعدة أساليبهم المخبرية البارعة، تمكنوا من قياس الحالات الكمومية الدقيقة للغاية والتحكم فيها، وهي النتيجة التي جعلت مجال أبحاثهم يأخذ خطواته الأولى نحو تطوير نوع جديد من أجهزة الكمبيوتر السريعة للغاية استنادًا إلى فيزياء الكم. كما ساهمت أساليبهم أيضًا في بناء ساعات دقيقة للغاية يمكن أن تشكل الأساس المستقبلي للمعيار الجديد لقياس الوقت، بدقة أعلى مائة مرة من ساعات السيزيوم الحالية.

لا تنطبق قوانين الفيزياء الكلاسيكية على جزيئات فردية من الضوء أو المادة، وعند هذه النقطة تتولى قوانين فيزياء الكم المسؤولية. ومع ذلك، ليس من السهل عزل الجسيمات الفردية عن بيئتها المباشرة، وسرعان ما تفقد خصائصها الكمومية الغامضة في اللحظة التي تتلامس فيها مع العالم من حولها. ولذلك، فإن العديد من الظواهر التي تبدو غريبة بالنسبة لنا والتي يتم التنبؤ بها وفقًا لميكانيكا الكم، لا يمكن حتى ملاحظتها بشكل مباشر، ولا يستطيع العلماء اليوم سوى إجراء "تجارب فكرية" قد تلمح إلى وجود هذه الظواهر الغريبة.

ويعمل الفائزان في مجال البصريات الكمومية، وهو المجال الذي يدرس التفاعلات الأساسية بين الضوء والمادة، وهو المجال الذي تطور بشكل ملحوظ منذ منتصف الثمانينات. أساليبهم لها خصائص مماثلة. تمكن ديفيد وينلاند من التقاط الذرات المشحونة كهربائيا، أو كما تعرف بالأيونات، مع التحكم في قياسها باستخدام الضوء، أو الفوتونات. اتخذ سيرج هاروش النهج المعاكس، فهو يتحكم ويقيس الفوتونات المحاصرة، أو جسيمات الضوء، عن طريق تمرير الذرات عبر الفخ.

السيطرة على الأيونات الفردية داخل فخ

في مختبر ديفيد واينلاند في بولدر، كولورادو، يتم الاحتفاظ بالحمام داخل فخ عن طريق إحاطته بمجالات كهربائية. ويتم عزل الجزيئات عن حرارة وإشعاع البيئة المحيطة بها عن طريق إجراء التجارب في الفراغ عند درجات حرارة منخفضة للغاية.

أحد الأسرار وراء اختراق فينلاند هو إتقان فن استخدام أشعة الليزر وإنشاء نبضات الليزر. ويستخدم الليزر لقمع الحركة الحرارية للأيونات داخل المصيدة، مع إجبار الأيون على الوصول إلى أدنى حالة طاقة حيث يمكن ملاحظة ظواهره الكمومية. إن استخدام نبضة ليزر دقيقة يجعل من الممكن نقل الأيون إلى حالة تراكب، وهو الوجود المتزامن لحالتين مختلفتين تمامًا. على سبيل المثال، يمكن للأيون أن يشغل مستويين مختلفين من الطاقة. يكون الأيون مبدئيًا عند أدنى مستوى طاقة و"تقفزه" نبضة الليزر إلى منتصف الطريق نحو مستوى الطاقة الأعلى، بحيث يظل "معلقًا" بين المستويين في تكوين حالات الطاقة، وله نفس احتمال الاستقرار في النهاية في أي من هذين المستويين. في هذه المرحلة من الممكن فحص تكوين الحالة الكمومية لحالات الطاقة للأيون.

التحكم في الفوتونات الفردية داخل المصيدة

يطبق سيرج هاروش ومجموعته البحثية طريقة مختلفة للكشف عن أسرار العالم الكمي. في مختبرهم بباريس، ترتد الفوتونات الصادرة عن الموجات الميكروية ذهابًا وإيابًا في مساحة صغيرة بين مرآتين تفصل بينهما مسافة 2 سم. تتكون المرايا من مادة فائقة التوصيل ويتم تبريدها إلى درجة حرارة أعلى بقليل من الصفر المطلق. هذه المرايا فائقة التوصيل هي الأكثر تلميعًا والأكثر سطوعًا في العالم - يمكن لفوتون واحد أن يرتد ذهابًا وإيابًا في الفضاء لمدة عُشر ثانية ثم يتلاشى أو يتم امتصاصه. وهذا العمر، وهو رقم قياسي عالمي، يعني أن الفوتون يمكن أن يقطع مسافة 40 ألف كيلومتر، وهي مسافة تعادل في حجمها ثورة واحدة حول الأرض.

خلال هذا العمر الطويل، يمكن إجراء العديد من التجارب الكمومية باستخدام الفوتون المحصور. قام هيروش بإعداد ذرات خاصة تسمى "ذرات ريدبيرج" والتي تهدف إلى التحكم وقياس سلوك فوتونات الموجات الدقيقة في الفضاء. يبلغ نصف قطر ذرة ريدبيرج 125 نانومتر، وهو أكبر بألف مرة من نصف قطر الذرات العادية. يتم نقل هذه الذرات "العملاقة" نسبيًا بسرعة يمكن التحكم فيها، واحدة تلو الأخرى، باتجاه الفضاء، حيث يمكن فحص تفاعلها مع الفوتون المحصور.

تدخل ذرات ريدبيرج إلى الفضاء وتخرج منه بينما تترك الفوتون المحصور هناك. ومع ذلك، فإن التفاعل بين الفوتون والذرة يسبب تغييرا في حالة (طور) الحالة الكمومية للذرة: إذا فكرنا في الحالة الكمومية للذرة كموجة، فإن نقاطها العليا والدنيا سوف تنزاح إلى حد ما. وهذا الانحراف في الحدث يمكن قياسه عندما تكون الذرة موجودة في الفضاء، وبهذا يمكن معرفة هل الفوتون موجود بالفعل في الفضاء أم لا. عندما لا يكون هناك فوتون، فمن الواضح أنه لن يكون هناك انحراف. أي أنه باستخدام طريقة هيك يمكن قياس الفوتون دون تدميره.

وباستخدام طريقة مماثلة، يستطيع هيروش وفريقه البحثي عد الفوتونات الموجودة داخل الفضاء، تمامًا مثل طفل يحصي كراته الرخامية. قد يبدو الأمر بسيطًا، لكنه يتطلب مهارة ومهارة غير عادية، حيث أن الفوتونات، على عكس الكرات الرخامية، يتم تدميرها فورًا بعد ملامستها للعالم من حولها. واستنادًا إلى أسلوبه في حساب الفوتون، طور روش وزملاؤه الباحثون طرقًا لتتبع التطور الزمني لحالة كمومية فردية، خطوة بخطوة، في الوقت الفعلي.

مفارقات ميكانيكا الكم

تصف ميكانيكا الكم عالمًا مجهريًا غير مرئي بالعين العادية، حيث تحدث أحداث تتعارض مع توقعاتنا وتجاربنا من الظواهر الفيزيائية في العالم العياني الكلاسيكي. يقبل الفيزيائيون في عالم الكم مستوى معينًا من عدم اليقين أو العشوائية المضمنة في أنظمة هذا العالم. أحد الأمثلة على السلوك المعاكس عما هو متوقع هو ما يسمى "حالات التركيب" حيث قد يكون الجسيم الكمي في عدة حالات مختلفة في وقت واحد. نحن لا نعتقد عادة أن الرخام يمكن أن يكون "هنا" و"هناك" في نفس الوقت، ولكن هذا هو الحال تمامًا إذا كان "رخامًا" كميًا. يخبرنا تكوين دول المنفى عن الاحتمالية الدقيقة لوجودها "هنا" أو "هناك"، إذا تمكنا من قياسها.

لماذا لم نكن على دراية بهذه الحقائق المدهشة عن عالمنا؟ لماذا لا يمكننا ملاحظة تكوين حالات المجال الكمي في حياتنا اليومية؟ لقد عانى الفيزيائي النمساوي، الحائز على جائزة نوبل (للفيزياء عام 1933) إروين شرودنغر، بشدة من أجل الإجابة على هذه الأسئلة. مثل العديد من رواد نظرية الكم، ناضل من أجل فهم وتفسير الآثار المترتبة على هذا العالم. في عام 1952 كتب: "نحن لا نقوم أبدًا بإجراء تجارب على إلكترون واحد أو ذرة واحدة أو على جزيء صغير واحد. في التجارب المخططة بعناية، نعتقد أحيانًا أننا نفعل ذلك؛ دائما ما يؤدي إلى نتائج سخيفة..."

من أجل وصف النتائج السخيفة للانتقال بين العالم الصغير لفيزياء الكم والعالم الكبير العادي الذي نختبره كل يوم، ابتكر شرودنغر تجربة ذكية بشكل خاص مع قطة: قطة شرودنغر موجودة في صندوق معزول تمامًا من العالم الخارجي. يوجد في الصندوق أيضًا زجاجة من السيانيد القاتل التي يتم إطلاقها بعد اضمحلال ذرة مشعة معينة، وهي موجودة أيضًا في الصندوق.

يتم تحديد الانحلال الإشعاعي من خلال قوانين فيزياء الكم، والتي بموجبها تكون المادة في حالات من الاضمحلال حيث كان لديها وقت للتحلل ولم تضمحل بعد. لذلك، من المفترض أيضًا أن تكون القطة في تركيبة من حالات كونها حية وميتة. الآن، إذا نظرنا داخل الصندوق، فإننا نخاطر بقتل القطة لأن التركيبة الكمومية للحالات حساسة للغاية للتفاعلات مع العالم الخارجي لدرجة أن أي محاولة للنظر إلى القطة ستؤدي على الفور إلى انهيار الحالة المزدوجة وسنقوم بذلك احصل على واحد منهم فقط - قطة حية أو قطة ميتة. في نظر شرودنغر، تؤدي هذه التجربة الذكية إلى نتيجة سخيفة، ويقال إنه اعتذر لاحقًا عن نشر الارتباك في مجال فيزياء الكم.

تمكن الحائزان على جائزة نوبل لعام 2012 من رسم خريطة للحالة الكمومية المزدوجة للقط أثناء تعرضه للعالم الخارجي. لقد ابتكروا تجارب إبداعية وتمكنوا من إثبات بقدر كبير من التفصيل كيف يتسبب فعل القياس في الواقع في انهيار الحالة الكمومية وفقدان طبيعة تكوين الحالات. بدلًا من استخدام قطة شرودنغر، قام واينلاند وروش بحبس الجسيمات الكمومية ووضعها في تركيبة من الحالات المشابهة للحالة المزدوجة للقط. هذه الأجسام الكمومية ليست في الحقيقة عيانية مثل مثال القطة، لكنها لا تزال كبيرة نسبيًا من حيث العالم الكمي.

داخل فضاء الشوكران، توضع الفوتونات في حالات مشابهة للحالة المزدوجة للقط عندما تتعارض حدوثها مع بعضها البعض في نفس الوقت، مثل ساعة التوقيت حيث تتحرك الإبرة في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة في نفس الوقت. ثم تم فحص مجال الفوتون الموجود في الفضاء بواسطة أتومي ريدبيرج. والنتيجة هي ظاهرة كمومية غير منظمة أخرى تعرف باسم "التشابك الكمي". وقد وصف شرودنغر هذا التشابك أيضًا، وقد يحدث بين جسيمين كميين أو أكثر ليسا على اتصال مباشر مع بعضهما البعض، ولكن لا يزال بإمكانهما "الإحساس" والتأثير على خصائص الجسيم الآخر. يسمح تشابك مجال الموجات الميكروية وذرات ريدبيرج لهيروتش برسم خريطة لخصائص الحالة المزدوجة داخل الفضاء، وتتبعها خطوة بخطوة، وذرة بعد ذرة، أثناء انتقالها من حالة تكوين الحالة الكمومية إلى حالة محددة جيدًا التي نفهمها وفقا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية.

على شفا ثورة حاسوبية جديدة

أحد التطبيقات المحتملة لمصائد الأيونات التي يحلم بها العديد من العلماء هو الكمبيوتر الكمي. في أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم في حياتنا اليومية، أصغر وحدة للمعلومات هي البت (الرقم الثنائي، البت) والتي تتلقى القيمة واحد أو صفر. ومع ذلك، في الكمبيوتر الكمي، يمكن أن تكون الوحدة الأساسية للمعلومات - الكيوبت - واحدًا أو صفرًا في نفس الوقت. يمكن أن يكون للبتتين الكميتين أربع قيم مختلفة في وقت واحد - 00 و01 و10 و11 - وكل كيوبت إضافي يضاعف عدد الحالات المحتملة. بالنسبة للبتات nqubits هناك 2n من الحالات الممكنة، والكمبيوتر الكمي الذي يحتوي على 300 كيوبت فقط يمكن أن يحتوي على 2300 قيمة في وقت واحد، أي أكثر من عدد جميع الذرات في الكون.

كانت مجموعة فينلاند هي الأولى على الإطلاق في العالم التي أظهرت الفعل الكمي ثنائي الكيوبت. نظرًا لأن عمليات التحكم على عدد من الكيوبتات قد تم إنجازها بالفعل، فمن حيث المبدأ لا يوجد سبب للاعتقاد بأن هذا لن يكون ممكنًا لمثل هذه العملية على عدد أكبر من الكيوبتات. ومع ذلك، من أجل بناء حاسوب كمي من هذا النوع، لا بد من التغلب على تحديات عملية كبيرة. يتمثل أحد التحديات في تحقيق متطلبين متعارضين: من الضروري أن يتم عزل الكيوبتات بشكل صحيح عن بيئتها حتى لا يتم تدمير خصائصها الكمومية، وفي الوقت نفسه يجب أن تكون قادرة على التواصل مع العالم الخارجي من أجل الإرسال. نتائج الحسابات التي تم إجراؤها بمساعدتهم. من الممكن بالفعل أن يتم بناء أول حاسوب كمي في هذا القرن. وإذا حدث ذلك، فيجب أن يغير حياتنا بنفس الطريقة الجذرية التي غير بها الرسم الكلاسيكي حياتنا في القرن الماضي.

ساعات جديدة

استخدم وينلاند وفريقه البحثي أيضًا الأيونات المحاصرة لبناء ساعة أكثر دقة بألف مرة من الساعات المغلقة الموجودة اليوم والتي تمثل الوحدة القياسية للوقت. يتم الحفاظ على التوقيت العالمي، أي الساعة، من خلال محاذاة جميع الساعات بالنسبة لمعيار واحد. تعمل الساعات المغلقة، ساعات السيزيوم، في نطاق الموجات الميكروية، بينما تستخدم الساعات الأيونية في فينلاند الضوء المرئي - ومن هنا اسمها: الساعات الضوئية. يمكن أن تحتوي الساعة الضوئية على أيون أو أيونين محصورين فقط. عند استخدام أيونين، يستخدم أحدهما كساعة والآخر لقراءة الساعة دون إتلاف حالتها، أو التسبب في تفويتها ثانية.

وبفضل هذه القياسات الزمنية الدقيقة، كان من الممكن ملاحظة ظواهر طبيعية خفية ورائعة مثل التغيرات في تدفق الزمن، أو التغيرات الطفيفة في الجاذبية، في نسيج الزمكان. ووفقا للنظرية النسبية لأينشتاين، فإن الزمن يتأثر بالحركة والجاذبية. كلما زادت السرعة وكانت الحركة أقوى، أصبح مرور الوقت أبطأ. قد لا ندرك تمامًا هذه التأثيرات، لكنها أصبحت جزءًا حقيقيًا من حياتنا اليومية. عندما نتنقل باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، فإننا نعتمد على إشارات الوقت القادمة من الأقمار الصناعية مع ساعات تتحرك في الاتجاه بمعدل منتظم، نظرًا لأن الجاذبية أضعف قليلاً في السماء. بمساعدة الساعة الضوئية يمكن قياس فروق مرور الزمن عندما تتغير سرعة الساعة بأقل من عشرة أمتار في الثانية، أو عندما تتغير الجاذبية نتيجة اختلاف الارتفاعات بمقدار 30 فقط. سم.