العالم الكمي ليس منفصلاً كما كنا نظن وبالتالي من الممكن إنقاذ قطة شرودنغر

هل وصل الصراع بين عظماء فيزياء الكم، بور وشرودنجر، إلى الحل أخيراً؟ وقد نشر باحثون من جامعة ييل مؤخرا في مجلة نيتشر الشهيرة مقالا يشير إلى أن القفزة الكمية هي في الواقع متواصلة كما ادعى شرودنغر وليست لحظية كما يعتقد بور

تخفي الأنظمة الذرية في الطبيعة ظواهر منفصلة ناشئة عن نظرية الكم. ومن الأمثلة الشهيرة على ذلك طيف الضوء المنبعث من الأجسام الساخنة. الذرات المثارة، أو بمعنى آخر الذرات التي امتصت الطاقة، تبعث بشكل عشوائي وفي أوقات قصيرة الطاقة التي امتصتها مرة أخرى إلى البيئة. تنبعث هذه الطاقة بجرعات منفصلة تتوافق مع مستويات الطاقة المنفصلة لكل ذرة. لسنوات حاول الفيزيائيون في جميع أنحاء العالم الإجابة على سؤال ما إذا كان من الممكن التنبؤ بموعد بعث الذرة للطاقة مرة أخرى؟ فهل يمكن التعرف على العلامات الأولية التي ستشهد على إطلاق سراحها؟ في بداية القرن العشرين، انقسم الفيزيائيون إلى معسكرين - أولئك الذين انحازوا إلى بور في ادعاء أن تحول الطاقة يحدث بشكل فوري، ومن هنا جاء اسم "القفزة الكمية" (بين مستويات مختلفة من الطاقة)،

أو بمفهوم شرودنغر الذي زعم أنه انتقال مستمر ومتماسك. على مر السنين، نما الدعم لمفهوم شرودنغر وتلقى تعزيزًا نظريًا من خلال "نظرية المسار الكمي". المشكلة الرياضية مشابهة للمشكلة الكلاسيكية للتنبؤات بالتسونامي. فمن ناحية، من الصعب التنبؤ

وبمرور الوقت، سيضرب التسونامي التالي الساحل، ولكن هناك علامات مبكرة قد تشير إلى ما إذا كان سيحدث التسونامي ومتى. وإلى جانب التطورات الرياضية، لم يتم إجراء سوى عدد قليل جدًا من التجارب لقياس القفزة الكمية في المختبر. المرة الأولى التي لوحظ فيها انتقال كمي بين مستويات الطاقة في الذرة في المختبر كانت في عام 1986، لكن لسوء الحظ لم تكن أنظمة القياس حساسة بما يكفي للإجابة على سؤال ما إذا كان انتقالًا لحظيًا أم انتقالًا مستمرًا.

والآن بعد أن أصبحت التقنيات الحساسة تحت تصرفنا، قرر الباحثون في جامعة ييل محاولة الإجابة على هذه الأسئلة الأساسية. وباستخدام موصل فائق، قاموا بتجميع نظام يحاكي الذرة بثلاثة مستويات طاقة مختلفة. وبموجب هذا النظام التجريبي، تمكن الباحثون من إظهار انتقال مستمر ومتماسك بين مستويات الطاقة وتعزيز نظرية المسار الكمي. بالإضافة إلى ذلك، وتحت نبضات كهربائية، تمكن الباحثون من إيقاف العملية قبل اكتمالها وإعادة الذرة الوهمية إلى الحالة المثارة.

ذرة وهمية

بالنسبة للقارئ الفضولي، ما يلي هو طريقة القياس بشكل عام: تحتوي الذرة المحاكاة على ثلاثة مستويات للطاقة. هذه المستويات كانت تسمى G [من الكلمة الإنجليزية ground (المستوى الأساسي)]، D [من الكلمة الإنجليزية dark]، والمستوى B [من الكلمة الإنجليزية Bright أيضًا]. يسمى المستوى الساطع لأنه عند الانتقال منه إلى الحالة الأرضية سوف ينبعث فوتون (جسيم ضوئي) يمكن قياسه. ويشار إلى الحالة المظلمة على هذا النحو لأنه لا يمكن اكتشافها مباشرة عن طريق انبعاث الضوء. عندما يضيء النظام، يعلم الباحثون أن هناك انتقالًا بين B وG. إن تفرد هذه التجربة يأتي من حقيقة أن المجربين يمكنهم الآن قياس الفوتونات الفردية (بشكل غير مباشر) المنبعثة من الذرة الوهمية. أثناء الانتقال، "يبلغ" النظام، إذا جاز التعبير، عن الانتقال عن طريق تخفيف شدة الإضاءة. وبمجرد عدم ملاحظة أي فوتونات، أكمل النظام الانتقال إلى الحالة المظلمة.

وفقًا لباحثي ميل، "تبدو القفزات الكمية عشوائية ومنفصلة مع مرور الوقت، ولكن حقيقة أن مثل هذه القفزة يمكن أن تكون ثابتة تعني أن تطورها الزمني يتميز، بطريقة ما، بقوانين حتمية. القفزة تحدث دائمًا بنفس الطريقة وبنفس النمط." ويضيف الباحثون أن "النتيجة التجريبية ستكون بمثابة أساس للطرق التكنولوجية التي يمكنها التحكم في الأنظمة الكمومية وتصحيح الأخطاء في أجهزة الكمبيوتر الكمومية بسرعة". يمكن للقفزات الكمومية غير المقصودة أن تشير إلى أخطاء حسابية. إذا تمكن الباحثون من اكتشاف مثل هذه القفزات وهم على قيد الحياة

مرة أخرى، ستفتح لك طريقة أخرى لبناء حواسيب كمومية متعددة الكيوبت.

للمقالة العلمية في الطبيعة:

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1287-z

• المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
• التقط صورة لقط شرودنغر
• النموذج القياسي وما بعده - كل ما تحتاج إلى معرفته
• التهديد الكمي للنسبية الخاصة