كيف نقيس «جسيمية» الجسم الكمومي؟ ✛ ✎

الأصل: "Quantifying the particle aspect of quantum systems"
arXiv:1812.08656 · 2018-12-20 · arXiv non-exclusive · تحليل مستقل · 1 دقيقة
فيزيائيون يبتكرون رقمًا يبيّن مدى تشابه الجسم الكمومي بالجسيم بدل الموجة.

يسقط الضوء على معدن فينتزع منه إلكترونات. هذا هو التأثير الكهروضوئي، وهو لا يحدث إلا إذا كانت طاقة الضوء كافية لتجاوز العتبة التي تُمسك الإلكترونات داخل المعدن. لطالما عرف الفيزيائيون كيفية قياس الخصائص الموجية للأجسام الكمومية عبر التماسك الكمومي (quantum coherence)، أي قدرة الحالة على أن تكون تراكبًا. أما مدى تشابه الجسم بالجسيم فلم يكن قابلاً للقياس حتى الآن.

يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة اعتبار الجسيمية هي تحديدًا القدرة على تجاوز مثل هذه العتبة. يبنون نموذجًا مبسطًا: النظام الكمومي له عدة مستويات طاقة، بينما المادة التي يُنتزع منها الإلكترون لها مستويان بينهما فجوة طاقية. تمتلك الحالةُ جسيميةً إذا كان متوسط طاقتها أعلى من هذه الفجوة. مقياس الجسيمية هو المسافة إلى الحالات التي لا تمتلك جسيمية، أي تلك التي لا تكفي طاقتها لانتزاع إلكترون.

في هذا النموذج، أبسط نظام ثنائي المستويات، وهو الكيوبت (qubit)، لا يمتلك جسيمية أبدًا. نحتاج على الأقل إلى نظام ثلاثي المستويات، وهو الكيوتريت (qutrit)، لكي تتمكن الطاقة من تجاوز العتبة.

أظهرت تجربة عددية أنه إذا قِسنا الجسيمية والتماسك لنفس الحالة، فإن مجموعهما بمعامل 1,3 لا يتجاوز أبدًا 1,8. كلما زادت الجسيمية، قلّ التماسك، والعكس صحيح. هذه صياغة جديدة لمبدأ قديم: لا يمكن لجسم أن يكون موجة كاملة وجسيمًا كاملاً في آن واحد. قد يفيد هذا المقياس في تطوير كاشفات الضوء والخلايا الشمسية، حيث يكون من المهم معرفة مدى كفاءة الضوء في انتزاع الإلكترونات.

في نموذج المؤلفين، لا يمتلك الكيوبت جسيمية أبدًا، بينما يمكن للكيوتريت (نظام ثلاثي المستويات) أن يمتلكها. وهذا يذكرنا بحالة التشابك، الذي يتطلب أيضًا جزأين على الأقل.

العلماء
Albert EinsteinJohn Archibald WheelerNiels BohrPhilippe GrangierArthur ComptonDavid Deutsch
المفاهيم
الحالة الكمومية مبدأ التكامل ازدواجية الموجة والجسيم حالة عدد الجسيمات الدالة الموجية عدم يقين مبدأ عدم اليقين شبه جسيم (quasiparticle) قاعدة بورن فيزياء الجسيمات تماسك مادة تصوير مقطعي المتصل المجال فاينمان فوتون تكافؤ الحالة المترابطة