الدفء والنظام

قد يؤدي إجراء قياسات مستمرة لبعض الأنظمة الكمومية إلى تغيير حالتها إلى حالة أكثر ترتيبًا أو أقل ترتيبًا (عندما يكون النظام أكثر ترتيبًا، يمكن القول بأنه أكثر برودة).

قياس / غيرشون كوريتسكي

قالت لي الممرضة: "دعني أقيس درجة حرارتك".
وأخرجوا نوعًا من الأجهزة المتطورة.
"استلقي بثبات، سيستغرق الأمر دقيقتين على الأقل"،
فأجبتها: "إنه ليس طعامًا.

لن أشارك حرارتي مع شخص آخر،
لئلا أخلط بنيّتي مع أسمركِ.
لن أكون موضوعا للمراقبة، جميلة،
ليس قبل أن تقول اسمك."

"مغرور مثلك مختلف عن الناس"
هذا ما قالته وأضاء وجهها.
"اهدأ، تصرف كإنسان،
استلقي ولا تلعب دور البطل بالنسبة لي."

"لا، أنا أفهم أنني كنت أتوق إلى الحرية منذ ذلك الحين،
ولا يسعني إلا أن أكون المراقب هنا:
فيك، في النور، في العالم الجديد الشجاع،
يرجى الاتصال الطبيب."

"سيدي" قالت لي بصوت هادئ:
"يرجى تحديد مساحة المراقبة.
فالتشابك سيبعدك عن الحقيقة،
لذا توقف عن إرباك ذهني."

"في عالمنا اليومي، يجب علينا حقن الطاقة مباشرة في الأجسام التي نريد تسخينها أو تبريدها. يقول البروفيسور غيرشون كوريتسكي من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء بجامعة هارفارد: "لكن عندما تريد تغيير درجة حرارة الأجسام الصغيرة ذات الأبعاد الكمومية، مثل الذرات أو الجسيمات دون الذرية، فيكفي أن "تقيس حرارتها". معهد وايزمان للعلوم. في الآونة الأخيرة، تمكن البروفيسور كوريتسكي، بالتعاون مع البروفيسور لوسيو فريدمان من نفس القسم، من إثبات هذا المبدأ. وقد تفتح نتائج تجربتهم في المستقبل الباب أمام تطبيقات جديدة في مجال الرنين المغناطيسي النووي، وطرق جديدة لتخزين المعلومات.

منذ حوالي عامين، نشر البروفيسور كوريتسكي والدكتور نعوم إيرز وطالب البحث (آنذاك) الدكتور جورين جوردون مقالًا في المجلة العلمية Nature، توقعوا فيه أن إجراء قياسات مستمرة لبعض الأنظمة الكمومية قد يتسبب في تغيير حالتها إلى حالة أكثر تنظيمًا أو أقل انتظامًا (عندما يكون النظام أكثر تنظيمًا، يمكن القول بأنه أكثر برودة). يعتمد هذا التنبؤ على أحد مبادئ فيزياء الكم: عدد كبير من القياسات المتتالية يغير خصائص النظام. إن مفتاح النتيجة، وفقا لنتائج البروفيسور كوريتسكي وشركائه في البحث، يكمن في التوقيت، أي في وتيرة القياسات الدورية. على سبيل المثال، قد يؤدي القياس بمعدل سريع جدًا إلى تسخين النظام، في حين أن نفس القياسات، التي يتم إجراؤها بتردد أبطأ قليلاً، قد تؤدي إلى تبريده (انظر العدد 51 من صحيفة "المعهد" - تسخن الكميات و ترطيب).

عند هذه النقطة ظهر البروفيسور فريدمان في الصورة، والذي رأى هنا فرصة لتوسيع حدود قدرات الرنين المغناطيسي النووي (NMR). بالتعاون مع البروفيسور كوريتسكي وباحثي ما بعد الدكتوراه الدكتور غونزالو ألفاريز والدكتورة دورجا بهاكتافاتسيلا را داساري، وجد طريقة لفحص إمكانيات التسخين أو التبريد في الرنين المغناطيسي النووي عن طريق تغيير معدل القياس.

يقول البروفيسور فريدمان: "إن الرنين المغناطيسي النووي هو في الواقع التكنولوجيا المثالية لإجراء مثل هذه التجارب. وبفضل التردد المنخفض والموجات الكهرومغناطيسية الأبطأ التي تعتمد عليها، فإن الرنين المغناطيسي النووي، في معظم الحالات، أكثر دقة".

كان العمل الذي أدى إلى تنبؤ البروفيسور كوريتسكي يعتمد على نموذج لنظام كمي مفتوح: نظام تتفاعل فيه تركيبة صغيرة من الجسيمات الكمومية مع عدد كبير من الجسيمات الموجودة داخل "الحمام". تمامًا مثلما يتبادل جسم كبير (نسبيًا) مغمور في حمام مائي الحرارة معه حتى تتساوى درجة حرارته، كذلك تميل الأجسام الكمومية الموجودة في حمام الجسيمات أيضًا إلى الوصول إلى نقطة التوازن مع بيئتها. على المستوى الكمي، يمكن التعبير عن هذا التوازن بخصائص كمومية إضافية إلى خاصية الحرارة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤثر على هجوم الدوامة ("الدوران") للجسيمات التي تشكل نواة الذرات. يتميز الدوران بأحد الاتجاهين المحتملين: "أعلى" أو "أسفل". عندما يتم ترتيب دوران الجسيمات - أي عندما يتم ترتيبها في نفس الاتجاه - يتم "تبريد" النظام.

كلما كانت ترتيبات الدوران أكثر عشوائية، كلما كان النظام "أكثر سخونة". وبحسب توقعات البروفيسور كوريتسكي، فإن القياسات قد تعطل عملية الوصول إلى التوازن بين الجسم الكمي والحمام، وهو ما يتناقض مع التوقعات المبنية على القواعد الكلاسيكية للديناميكا الحرارية. بمعنى آخر، فإن القياس قادر على تحرير الجزيئات جزئيًا من تأثير الحمام، مما يسمح للباحثين بـ "إعادة ضبط" درجة حرارتها.

وفي التجربة التي أجراها فريق العلماء، كان الحمام مكونا من عدد كبير من البروتونات (نوى ذرات الهيدروجين). وكانت الجسيمات الكمومية عبارة عن نوى لنظير الكربون 13. ولمحاكاة عملية القياس، استخدم العلماء نبضات مغناطيسية قصيرة، أثناء التحقق من ترتيب دوران نوى الكربون 13. وفي بداية التجربة، كانت هذه النوى في حالة من الفوضى. ، ودورانها يشير في كل الاتجاهات. لكن عندما قام الباحثون بتغيير تردد النبضات المغناطيسية -في المدى بين نبضة واحدة وعشرة نبضات في الألف من الثانية- أصبح من الممكن جعل الدورات تنتظم بشكل موازٍ للمجال المغناطيسي أو في الاتجاه المعاكس. يقول البروفيسور فريدمان: "إن الأمر يشبه رجلاً يتجول ذهابًا وإيابًا على الطريق". "من خلال تحديد متى وأين نوقفه، يمكننا إعادة ضبط مشيته، وبالتالي التحكم في الاتجاه الذي يمشي فيه. في نظامنا التجريبي، تمكنا، باستخدام هذا النهج، من ترتيب دوران مجموعات الجسيمات الكمومية "لأعلى" أو "لأسفل"، وفقًا لإرادتنا. وفي بعض الحالات، حصلنا على مصفوفة أفضل مما يمكن أن نحصل عليه باستخدام الطرق الأخرى."

وتفاجأ العلماء بإيجاد توافق شبه كامل بين نتائج التجربة والنظرية، وبدأوا في التفكير في التطبيقات الممكنة. يعتقد البروفيسور فريدمان، على سبيل المثال، أن الطريقة التي تجعل من الممكن التحكم في دوران الجسيمات الكمومية قد تحسن كفاءة بعض تجارب الرنين المغناطيسي النووي والتصوير بالرنين المغناطيسي. يعتزم البروفيسور كوريتسكي التحقيق في كيف يمكن لهذا المبدأ أن يساعد في التغلب على أحد العوائق التي تحول دون بناء أجهزة الكمبيوتر الكمومية. ويقول: "من أجل إنشاء سجل للذاكرة الكمومية، يجب على المرء أن يبدأ من موقف يتم فيه ترتيب جميع الدورات في نفس الاتجاه. طريقتنا يمكن أن تصل إلى هذه الحالة دون استخدام "العنف" غير الضروري. من الممكن أنه من أجل إنشاء الترتيب الصحيح، سيتعين علينا فقط العثور على التردد المناسب لدورة القياس."