نجحت مجموعتان من علماء الفيزياء، إحداهما من النمسا والأخرى من الولايات المتحدة، لأول مرة في نقل الذرات آنيًا. حتى الآن لم يتم رؤية النقل الآني إلا في الفوتونات. يمكن أن تكون النتائج خطوة كبيرة نحو بناء كمبيوتر كمي بحجم مجهري.
النقل الآني الكمي: في الخطوة الأولى يتم إنشاء أيونين مترافقين (A و B)، ثم يتم إنشاء أيون ثالث (P) في الحالة التي تريد النقل الآني فيها. في الخطوة الثالثة A وP هناك تفاعل بين A وP، ويتم إرسال نتائجه إلى الأيون B. وفي الختام، يتم إرسال حالة P إلى B.
نجحت مجموعتان من علماء الفيزياء، إحداهما من النمسا والأخرى من الولايات المتحدة، لأول مرة في نقل الذرات آنيًا. حتى الآن لم يتم رؤية النقل الآني إلا في الفوتونات. يمكن أن تكون النتائج خطوة كبيرة نحو بناء كمبيوتر كمي بحجم مجهري.
في النقل الكمي الآني، يقوم المرسل، الذي يشار إليه عادة باسم "أليس"، على الفور بنقل معلومات حول الحالة الكمومية للجسيم إلى المتلقي، الذي يشار إليه عادة باسم "بوب". يحد مبدأ عدم اليقين من قدرة أليس على معرفة الحالة الكمومية الدقيقة لجسيمها، لكن ظاهرة أخرى من ميكانيكا الكم، تسمى التشابك، تسمح لها بإرسال الحالة الكمومية إلى بوب.
يسمح الاقتران بربط جسيمين ببعضهما البعض في علاقة أكثر إحكامًا مما تسمح به الفيزياء الكلاسيكية. إذا كان هناك جسيمان مترافقان مع بعضهما البعض، فيمكن تحديد حالة أحدهما عن طريق قياس الآخر. على سبيل المثال، يمكن اقتران جسيمين، بحيث يكون دوران أحدهما "لأسفل" ودوران الآخر "لأعلى" أو معاكسًا. هناك ظاهرة أخرى في ميكانيكا الكم تسمح للجسيم أن يكون في حالة تراكب في هاتين الحالتين في نفس الوقت.
بدأ ديفيد واينلاند وزملاؤه في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في كولورادو مهمتهم من خلال إنشاء أيون بيريليوم محصور واحد، والذي يكون في حالة تراكب يدور لأعلى ولأسفل في وقت واحد. تم بعد ذلك استخدام الليزر لإطلاق هذه الحالات الكمومية إلى أيون ثانٍ بمساعدة أيون مساعد ثالث (انظر الرسم البياني). اعتمدت طريقة NIST على القدرة على تحريك الأيونات المحاصرة.
أجرى راينر بلات وزملاؤه من جامعة إنسبروك تجربة مماثلة باستخدام أيونات الكالسيوم المحتجزة. ومع ذلك، بدلاً من تحريك الأيونات، قاموا "بإخفائها" في مواضع داخلية مختلفة.
يتم قياس نجاح تجربة النقل الآني من خلال قيمة موثوقيتها، وهو رقم يوضح مدى دقة إعادة إنشاء النظام الكمي الأول في النظام الثاني. حققت كلا المجموعتين، من NIST وإنسبروك، قيمة موثوقية تبلغ حوالي 75٪. وللمقارنة، لا يمكن لطرق النقل الآني، التي لا تستخدم أدوات التوصيل، أن تصل إلى قيمة موثوقية أعلى من 66.6%.
قال باليت لموقع Physics Web: "إن النجاح في نقل الحالة الكمومية للذرة أمر مهم ومثير لأغراض بناء أجهزة كمبيوتر كمومية ذات حجم مجهري". "يمكن تطبيق طريقة المعالجة الكمومية للمعلومات بالاشتراك مع نوع من نظام الواجهة، الذي لا تزال طبيعته وبنائه قيد الدراسة، لربط المكونات المختلفة في الكمبيوتر الكمي."
ترجمة: ديكلا أورين
المستقبل فائق السرعة لأجهزة الكمبيوتر
يقدر أحد العلماء الذين شاركوا في التجربة الرائدة لإطلاق التحريك الذهني بأسلوب حرب النجوم (النقل الآني) أنه في عام 2035، سيتم تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة السرعة. "ينص قانون مور على أنه كل 18 شهرًا ستتضاعف الذاكرة والسرعة وخصائص الأداء الأخرى لأجهزة الكمبيوتر" يوضح الدكتور بينج كوي لام. "في غضون سنوات قليلة، سيتم تقليل حجم الترانزستورات إلى حجم الذرات المفردة، وبعد ذلك سنضطر إلى مواجهة نظرية الكم".
حقق الدكتور لام، عالم الفيزياء الأسترالي، مع زميله من الجامعة الوطنية الأسترالية وارويك بودين، طفرة في دراسة أشعة الضوء في عام 2002. وفي تجربة أجروها، تمكنوا من إخفاء شعاع ضوئي وإعادته مرة أخرى، في عملية تعرف باسم "التشابك". منذ عام 1998، عندما ثبت أن هذا ممكن، كان السباق من أجل إطلاق شعاع الضوء عن بعد في 40 مختبرًا مختلفًا. بعد نجاحهما، فاز بودين والدكتور لام باعتراف عالمي وجائزة من القنصل البريطاني، والتي تضمنت أيضًا رحلة (بالطائرة وليس بالأشعة الضوئية) إلى بريطانيا، حيث شاركا أسرارهما مع علماء آخرين.
"تجربتنا في حد ذاتها ليس لها أي معنى عملي بالنسبة للرجل العادي" يستهزئ الدكتور لام. "لكن الجهود الدولية المشتركة قد تسفر عن نتائج مهمة." ولم تسفر فيزياء الكم حتى الآن عن العديد من التطبيقات العملية، لكن "العديد من الفيزيائيين يعتقدون أن ثورة الكم قريبة". على المدى الطويل، ستكون فيزياء الكم قادرة على المساهمة في العديد من التطبيقات - بدءًا من أجهزة الاستشعار الحساسة للغاية وحتى أجهزة الكمبيوتر والاتصالات.
سوف تستفيد الحكومة والجيش من الاتصالات الآمنة باستخدام التشفير الكمي، حيث يتم بناء المفتاح من فوتونات واحدة. يقول الدكتور لام: «التشفير الكمي قيد الاستخدام بالفعل، لكنه لا يزال لا يحظى بشعبية كبيرة. وهذا سيتغير في السنوات المقبلة". وفي العام الماضي، قام الدكتور لام، بالتعاون مع قسم البصريات الكمومية في الجامعة الوطنية الأسترالية، بتطوير بروتوكول اتصال يعرف باسم "المشاركة السرية". يقدم هذا البروتوكول العديد من المزايا للشركات والبنوك والقوات الأمنية لأنه من خلاله يتم إرسال المعلومات السرية إلى عدة أطراف، ولا يتم الكشف عن المعلومات إلا بعد التحقق من هوية معظمهم.
ومع ذلك، فإن أولئك الذين يحلمون بالانطلاق إلى أماكن نائية بأسلوب الدكتور سبوك وسكوت سيصابون بخيبة أمل. "في الوقت الحالي، لا تزال المشكلة في بدايتها ولا يمكن إرسال سوى البيانات" - أي البريد الإلكتروني وليس الأشخاص. ومع ذلك، في غضون 30 عامًا، من المتوقع أن تزدهر فيزياء الكم، كما يقول الدكتور لام، "وسيُطلب من العاملين في مجال تكنولوجيا المعلومات وعلماء الرياضيات والأطباء إعادة التفكير. وفي المقابل، سيستفيدون من أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة السرعة.
ترجمة: بيني ران
في لحظة واحدة أنت هنا، وفي نفس اللحظة - هناك
بقلم يتسحاق بن إسرائيل، هآرتس، 28/6/04
لقد نجح العلماء في نقل الذرات آنيًا: "اختفاء" الذرة وجعلها تظهر على الفور في مكان آخر. ومن حيث المبدأ، يمكن أن يعمل مع البشر أيضًا
ونشرت مجلة "الطبيعة" الأسبوع الماضي أن مجموعتين من العلماء نجحتا في نقل الذرة آنيا، أي نقل خصائص الذرة في المختبر إلى ذرة أخرى بعيدة عنها، دون أن تشق الخصائص الطريق بينهما. .
توفر التكنولوجيا الحديثة العديد من الوسائل لنقل الأشياء والأشخاص من مكان إلى آخر: السيارات، والقطارات، والسفن، والطائرات، وسفن الفضاء، وما شابه ذلك. كلما كانت التكنولوجيا أكثر تقدما، كلما كانت فترة الانتقال أقصر. هل يمكن اختصارها إلى الصفر؟ فهل يمكن مثلا نقل كتاب من تل أبيب إلى نيويورك بسرعة أكبر من سرعة الطائرة النفاثة؟ من سرعة المركبة الفضائية؟ في الواقع، من الممكن اليوم بالفعل نقل كتاب بسرعة أكبر بكثير، تقريبًا بسرعة الضوء. بتعبير أدق، نحن لا ننقل الموضوع نفسه (الكتاب) بل المعلومات الواردة فيه. ويمكن القيام بذلك عن طريق مسح الكتاب ضوئيًا في تل أبيب ونقل المعلومات الموجودة فيه بواسطة موجات الراديو (التي كما نعلم تتحرك بسرعة الضوء). وفي الطرف الآخر (نيويورك) سيتم تسجيل المعلومات، وإذا أردنا، سيتم طباعتها على الفور في شكل الكتاب الأصلي.
فيما يتعلق بالفيزياء الكلاسيكية، لا يوجد عائق أمام تكرار هذه العملية مع أي "جسم"، بما في ذلك الحيوانات: كل ما يتعين علينا القيام به "لإرسال" قطتنا المنزلية في تل أبيب إلى عمتنا في نيويورك هو مسح حالة القطة في نيويورك. الذرات التي تتكون منها القطة، قم بتدوين جميع المعلومات الموجودة شمالها، وأرسل هذه المعلومات عبر الراديو إلى نيويورك، وتأكد من أنه في الطرف الآخر سيكون هناك آلة ستقوم ببناء قطة جديدة من الذرات المقدمة إلى هو - هي. لكن على أية حال، حتى لو تمكنا من القيام بذلك، فلن نتمكن من نقل الأجسام من مكان إلى آخر بسرعة أكبر من سرعة الضوء.
بالفعل؟ ترفض الفيزياء الحديثة هذا الافتراض، وهو ليس ادعاءً نظريًا بحتًا، بل هو ادعاء تم اختباره تجريبيًا: فكما ذكرنا، نجح العلماء في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير في بولدر، كولورادو، وفي جامعة إنسبروك في النمسا في "اختفاء" شيء ما. الذرة وإحداث ظهورها الفوري في مكان آخر دون مرور أي زمن بين اختفاء الجسم عند نقطة "الانطلاق" وبين ظهوره عند الوجهة. بالنسبة لأولئك الذين يتذكرون سلسلة "Star Trek"، إليكم تحقيق ما كان حتى وقت قريب خيالًا علميًا.
أينشتاين أو بور
ولكي نفهم ما حدث في التجربة، علينا أن نعود أكثر من 70 عاما إلى الوراء، إلى الربع الأول من القرن العشرين. وعرفت الفيزياء آنذاك ثورتين: النسبية ونظرية الكم. الأول ولد في ذهن الشاب الدكتور ألبرت أينشتاين؛ ومع أبطال الثورة الثانية، يمكننا أن نذكر مرة أخرى أينشتاين، إلى جانب ماكس بلانك، وفيرنر هايزنبرغ، وإروين شرودنغر، وخاصة نيلز بور. أعطى بلانك الإشارة (التي فازت بجائزة نوبل في الفيزياء) من خلال طرح فرضية مفادها أن الجسم الساخن لا ينبعث من الطاقة بشكل مستمر ولكن على دفعات ("الكميات"). استخدم أينشتاين هذا ليشرح لأول مرة تأثير تكوين الكهرباء عند إضاءة المعدن (والذي فاز عنه بجائزة نوبل)، وكان بور أول (جائزة نوبل أخرى) يحاول استخدام هذه الأفكار لشرح بنية الكهرباء. الذرة، بينما أعطى هايزنبرج وشرودنجر نظرية الكم شكلها المألوف اليوم (حصلا أيضًا على جائزة نوبل لاحقًا).
منذ بدايتها، نشأ جدل حاد بين الفيزيائيين حول معنى نظرية الكم والطريقة الصحيحة لتفسيرها. وكانت المناظرات بين بور من جهة وأينشتاين من جهة أخرى قد حسمها "الرأي العام" العلمي لصالح تفسير مجموعة بور، التي سميت منذ ذلك الحين "مدرسة كوبنهاجن".
هذا في جوهره جدل ميتافيزيقي حول طبيعة الواقع: فقد اتفقت الأطراف المتعارضة فيما بينها على أن نظرية الكم تصف جيدًا ما يمكن قياسه في المختبر. علاوة على ذلك، فمنذ صياغته قبل ثلاثة أرباع قرن من الزمان وحتى اليوم، لم يتبين أن أياً من تنبؤاته كانت خاطئة. ولكن ما الذي يترتب على افتراضاتها الأساسية حول طبيعة الواقع؟
لإثبات ذلك، سننظر في ذرة واحدة. ووفقًا لنظرية الكم، لا يمكن التنبؤ بشكل مؤكد بموقعها وسرعتها. إذا عرفنا حجمًا واحدًا بدقة مطلقة، فلن نعرف شيئًا عن الحجم الآخر. لا يمكننا معرفة كليهما إلا بشكل تقريبي (وهذا هو جوهر مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج). لذا، تساءل بور، إذا لم نتمكن أبدًا من معرفة كليهما معًا، فمن يضمن لنا وجودهما معًا؟ ربما لا يوجد للذرة مكان على الإطلاق ولا يتم إنشاؤها إلا في لحظة القياس؟
علاوة على ذلك، وفقًا لبور، فإن الذرة لها "مكان" فقط بالنسبة إلى مجموعة تجريبية مصممة لقياس الفضاء، ولها "سرعة" فقط بالنسبة إلى مجموعة تجريبية مصممة لقياس السرعة. وبما أن اثنين من هذه الإعدادات التجريبية لا يمكن أن يتواجدا معًا، فلا يمكن الجمع بين "المكان" و"السرعة" في نفس الوقت. رأى بور هذا كامتداد للنظرية النسبية: المكان والسرعة (وفي الواقع جميع الخصائص الديناميكية لجسم مادي) هي كميات نسبية ليس فقط بالنسبة لنظام المحاور التي يتم فيها القياس، ولكن أيضًا بالنسبة إلى نظام المحاور التي يتم فيها القياس. للعالم أجمع وخاصة للإعداد التجريبي.
واليوم، إذا نظرنا إلى الوراء، فإن المنافسين، أينشتاين وبور، يبرزان باعتبارهما من ساعدا الآخرين على فهم المعاني الأعمق للتوراة الجديدة. وفي مقالة شهيرة كتبها أينشتاين عام 1935 مع زميليه بودولسكي وروزن، ادعى أن المعنى العميق لادعاء بور هو أن نظرية الكم تسمح بـ "الحدث عن بعد"، أي أن الحدث الذي يقع في مكان واحد يمكن أن يحدث. تؤثر فورًا على حدث آخر – على عكس ما هو متوقع من مبادئ النسبية. وفي رد بور على المقال، ادعى أن هذا ليس تأثيرًا "ميكانيكيًا" من خلال القوة أو أي مجال فيزيائي، ولكنه "تأثير على الظروف المنطقية للغاية التي تحدد نوع التنبؤات المحتملة فيما يتعلق بالسلوك المستقبلي للنظام". قياس. إن وضع الإعداد التجريبي المناسب يؤثر على نتائج التجربة وبالتالي يبدو كما لو أنه يؤثر "من مسافة بعيدة".
بالنسبة لأينشتاين، كان هذا كافيا للنظر بعين الشك إلى تفسير بور، الذي وصفه بأنه "هراء تلمودي". وتوقع أنه مع مرور الوقت سيتم الكشف عن عدم صحة ذلك. ولكن مع مرور السنين وصمود نظرية الكم أمام اختبار التجربة، دارت العجلة: ربما كان بور وآينشتاين على حق؟ ربما من الممكن حقا التأثير من بعيد؟
ثورة في الحوسبة
وجاءت الثورة في أعقاب عمل الفيزيائي الأيرلندي جون بيل الذي أظهر في عام 1962 طريقة لاختبار ذلك تجريبيا. بالمناسبة، يعتمد عمل بيل على الفيزيائي ديفيد بوم، الذي هرب في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي من مطاردة الساحرات المناهضة للشيوعية للسيناتور مكارثي في الولايات المتحدة الأمريكية. أمضى بوم عدة سنوات في التخنيون، حيث اكتشف مع تلميذه الإسرائيلي أهارونوف تأثير بوم-أهارونوف، والذي يشير أيضًا إلى التأثير "على مسافة".
بعد حوالي عشرين عامًا من بيل، في عام 1984، نجح آلان آسبكت وأصدقاؤه في جامعة السوربون لأول مرة في إجراء تجربة أثبتت أن العمل عن بعد ممكن. من هنا يكون الطريق إلى النقل الآني قصيراً، أي إلى فكرة نقل الأجسام من مكان إلى آخر في زمن صفر. أولاً، تم إجراء مثل هذه التجارب على جسيمات الضوء (الفوتونات)، والآن، كما ذكرنا، على الذرة.
من المهم التأكيد على أنه من حيث فيزياء الكم لا يوجد فرق بين الضوء والمادة، والتجارب على جسيمات الضوء أسهل في الأداء (في عام 1997 تم إثبات النقل الآني لجسيمات الضوء إلى مسافة حوالي 10 كيلومترات)، ولكن التجارب مع الجسم المادي لها وزن نفسي كبير على الأقل. ومن المهم أيضًا التأكيد على أن الذرة في تجربة النقل الآني لم تعبر الطريق بين نقطة الإطلاق والوجهة. اختفت في مكان، وظهرت خصائصها في ذرة أخرى كانت في الوجهة. ولذلك فهو نقل آني للخصائص وليس "للمادة".
هل سنتمكن مستقبلاً من السفر إلى الولايات المتحدة بالطريقة التي أحبها أبطال "ستار تريك"؟ هل يمكننا الدخول إلى مقصورة خاصة في مطار بن غوريون والذهاب فورًا إلى مطار كينيدي دون إضاعة الوقت ودون اضطراب الرحلات الجوية الطويلة؟
الجواب في الأساس هو نعم، ولكن قد يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يصبح الأمر عمليًا. والسبب الرئيسي في ذلك هو أن الجسم الكبير (المجهري) يحتوي على عدد هائل من الذرات، كل منها تتصرف بطريقة تكاد تكون مستقلة عن الذرات الأخرى. لكي نجعل مثل هذا الجسم يختفي في مكان واحد ونتسبب في نسخ جميع خصائصه تمامًا إلى جسم موجود في مكان آخر، يجب أن تتصرف جميع ذراته بنفس الطريقة. وللقيام بذلك سيتعين علينا عزل الجسم بشكل كامل عن المؤثرات الخارجية، بما في ذلك الإشعاع الكوني، وعن المؤثرات الداخلية، بما في ذلك الاصطدامات بين الذرات في الجسم وفيما بينها، واليوم ليس لدينا أي فكرة عن كيفية القيام بذلك.
وإذا كان الأمر كذلك، فهل سيكون لكل ما ذكر أعلاه أي تأثير على حياتنا على المدى القريب؟ قطعا نعم. يمكنك استخدام نفس الظاهرة لإجراء العديد من العمليات الحسابية في نفس الوقت. تعتمد أجهزة الكمبيوتر التي نستخدمها اليوم على معالجة حركات الإلكترونات. لكن إذا لم يكن الإلكترون "جسما" محدد موضعه بدقة، ومن الممكن نقل المعلومات التي يحملها إلى مكان آخر في زمن صفر، فما الذي يمنعنا من إجراء عدة حسابات في نفس الوقت؟
واليوم بالفعل تعمل العديد من المجموعات في العالم بقوة على تطبيق هذا المبدأ في تكنولوجيا الكمبيوتر. توجد بالفعل أجهزة بدائية قادرة على إجراء حسابات محدودة. عندما تظهر أجهزة الكمبيوتر الكمومية الأولى في العالم التجاري (يقدر البعض أن هذا سيحدث بعد 20 إلى 10 سنة من الآن)، سيُنظر إلى أجهزة الكمبيوتر الحالية على أنها بدائية للغاية. وبحسب بعض التوقعات فإن سرعة حواسيبنا اليوم ستكون أقل من جزء من مليار من مليار من هذه الحواسيب.
البروفيسور بن إسرائيل هو رئيس "ورشة تل أبيب للعلوم والتكنولوجيا والأمن" في جامعة تل أبيب
