أزواج فوتونات متشابكة

يشبه الاتصال الكمي إرسال رسالة سرية تتمزق عند أي محاولة للاطلاع عليها. حتى الآن، لا يمكن إرسال مثل هذه الرسالة إلا عبر طريق واحد، وهذا بطيء. ابتكر العلماء طريقة لإرسال 16 ساعيًا عبر 16 طريقًا متوازيًا — ترددات ضوئية مختلفة — وتأكدوا من وصول الرسائل سليمة.

عندما تنشطر نواة ذرية ثقيلة إلى شظيتين، يبقى بينهما خيط كمومي غير مرئي. هذا الخيط هو التشابك: حالة إحدى الشظيتين مرتبطة فورًا بحالة الأخرى، وكأنهما ما زالتا كيانًا واحدًا. ولأول مرة، تمكن الفيزيائيون من حساب مدى طول هذا الخيط ومتانته بدقة، بتتبعهم خطوة بخطوة لعملية انشطار النواة. التشابك هو أن يتصرف جسيمان كجسيم واحد، حتى عبر المسافات.

ألقِ حصاتين في الماء على مسافة بينهما. ستجري الأمواج باتجاه بعضهما وتُلغي بعضهما في مواضع معينة — فيصبح الماء أملس، رغم أن كل حصاة بمفردها كانت ستُحدث تموجات. بطريقة مشابهة، يتصرف زوج من الفوتونات — كَمّات الضوء المولودة في بلورة واحدة والمتطايرة في اتجاهين مختلفين. لكن بدلاً من أمواج الماء، تتداخل هنا دوالها الموجية.

القمة الدوّارة تدور بسرعة كبيرة لدرجة أن الهواء حولها يبدأ بالدوران بتناغم معها. تقريبًا بنفس الطريقة يتصرف الثقب الأسود: إذا كان دوّارًا، فيمكنه نقل طاقته إلى الجسيمات القريبة منه. تُسمى هذه العملية بالإشعاع الفائق (superradiance) — وهي تشبه صدى الصوت في الجبال، لكن بدلًا من الصوت تولد جسيمات جديدة.

على الجدار — شرائط مضيئة وأخرى معتمة. هكذا يبدو الضوء وهو يطفئ نفسه. يعود إلى القرن السابع عشر افتراض Christiaan Huygens أن الضوء موجة. لكن تجارب أراغو وفرينل في بداية القرن التاسع عشر فقط أظهرت أن شعاعين يُنتجان هذه الشرائط فقط إذا كانت اهتزازاتهما في مستوى واحد. ساعد هذا الاكتشاف في فهم الاستقطاب — الاتجاه الذي تهتز فيه الموجة.

في عام 1956، وجّه تلسكوبان راديويان في جودريل بانك نحو النجم سيريوس، ليس لالتقاط صورة، بل لرصد ارتعاشات الشدة الضوئية. كشفت تجربة هانبري براون وتويس (HBT) عن أمر مذهل: يمكن لارتباطات الفوتونات الواردة أن تخبرنا عن إحصاء المصدر — هل هو عشوائي كمصباح حراري، أم مترابط كالليزر. كان الأمر أشبه باستنتاج شخصية راقص من إيقاع خطواته.

يعتمد الكمبيوتر الكمومي على قوتين: التشابك (حيث تتصرف الجسيمات ككيان واحد) و"السحر" - وهو مقياس لمدى ابتعاد الحالة عن الفيزياء الكلاسيكية المألوفة. لكن كيف يرتبط هذان الموردان عندما يتغير نظام متعدد الجسيمات بمرور الوقت، ظل لغزًا. نظر مؤلفو الدراسة إلى المشكلة من خلال الزمن.

التشابك الكمي — ظاهرة ترتبط فيها حالات جسيمين أو أكثر ببعضها البعض بغض النظر عن المسافة بينهما — عادةً ما يربط الخصائص الداخلية مثل اللف المغزلي أو الاستقطاب. ومع ذلك، في العمل الجديد، تم لأول مرة تحقيق تشابك للمواضع نفسها لذرتين في الفضاء.

يسقط الضوء على جزيء عضوي — فيولد داخله زوج من التوأمين المثارين. يطلق عليهما اسم الأزواج الثلاثية. في جزيئات البنتاسين المنفردة، تعرف هذه الأزواج منذ زمن كيف تتقاسم طاقتها مع الجيران — وهذا أساس الانشطار المفرد الذي يرفع كفاءة الخلايا الشمسية.

الإلكترون وجسيمه المضاد — البوزيترون، الذي تنبأ بوجوده بول ديراك — عند لقائهما يشكلان لحظة وجيزة نظامًا مرتبطًا — البوزيترونيوم. وهو شبيه بالذرة، لكن بدون نواة: يدور الجسيمان حول مركز الكتلة المشترك قبل أن يفنيا.

التشابك الكمومي ظاهرة تتصرف فيها الجسيمات كشريكين في رقصة متزامنة، لكنها لا تُرى إلا من زاوية معينة. بمجرد تغيير طريقة الرصد، يختفي تناسقها، مما يحد من استخداماتها في الاتصالات الآمنة. الآن حصل الفيزيائيون على زوج من الفوتونات — كَمّات الضوء — التي تكون «رقصتها» مثالية من جميع الزوايا.

العالم الكمومي مليء بالمفاجآت. في مذبذب كير البارامتري — وهو جهاز يُحبس فيه الضوء في حلقة ويتأرجح بفعل مجال خارجي — لاحظوا مؤخرًا أمرًا غريبًا: أزواج من مستويات الطاقة تندمج في عناق. أطلق الفيزيائيون على هذا "القبلة الطيفية" التحليل الطيفي. اندماج المستويات هو علامة على انتقال طوري كمومي في حالة مثارة.

النيوترينوات هي أشباح العالم الصغير حقًا. فهي بلا كتلة تقريبًا وبلا شحنة، تخترق الكواكب كما لو كانت فراغًا. لكن داخل كل نيوترينو تختبئ ليست جسيمًا واحدًا بل ثلاثة — ثلاثة «نكهات» (الإلكترونية، والميونية، والتاوية) التي تتحول باستمرار إلى بعضها البعض. تُسمى هذه الرقصة بالتذبذبات. اعتبر مؤلفو العمل هذه الرقصة تشابكًا كموميًا بين النكهات الثلاث.

تخيل عوامتين على سطح بركة. حجر يُلقى يولّد دوائر تصل إلى العوامات ليس في الوقت نفسه، بل تباعًا، مما يجعلها تتمايل الواحدة تلو الأخرى. في العالم الكمومي، نظير هذا "التمايل" هو التشابك: الجسيمات، مثل تلك العوامات، تدخل في حركة منسقة. هنا، تلعب الجاذبية دور الماء، حيث تحمل ارتجافاتها المجهرية — التقلبات الكمومية — التأثير من جسيم إلى آخر.

تخيل ثلاثة راقصين يتحركون ككيان واحد: كل واحد منهم يشعر بالآخرين، والانسجام العام لا يختزل إلى التفاعلات الفردية. هذا التشبيه، رغم أنه يبسط الواقع الكمومي، يساعد على فهم سلوك ثلاثة جسيمات تنشأ عند اصطدام إلكترون وبوزيترون بسرعة الضوء سرعة الضوء. يتعلق الأمر بكوارك القمة كوارك القمة، وجسيمه المضاد — كوارك القمة المضاد — وبوزون Z.

يمكن تخيل الزمكان كنسيج مشدود بإحكام. الجسم الضخم يحدث فيه انبعاجًا، مما يوجه الضوء. أما الدوران فيلوي النسيج بشكل حلزوني. هذا القمع الجذبي قادر على تشابك الفوتون العابر مع مصدر الدوران نفسه — مثلاً، مرآة صغيرة. ينشأ تشابك كمومي: خيط غير مرئي يربط مصيريهما. حتى أضعف قوى الجاذبية تربط جسيم الضوء بجسم ملموس بإحكام.

نردان موضوعان في غرفتين مختلفتين. إذا كان بينهما «تشابك»، فإن رمي أحدهما يحدد فورًا نتيجة الآخر — حتى عبر المسافات. في العالم الكمومي، تُسمى هذه العلاقة بالقابلية للتوجيه: طرف واحد، بإجراء قياسات لديه، يبدو وكأنه يملي الحالة على شريكه.

أي جهاز قياس يفسده الضوضاء الكمومية - الاهتزاز العشوائي للجسيمات الأولية. لتهدئته، طبق الفيزيائيون على جزيئات فلوريد الكالسيوم حيلة تشبه ضغط البالون: تضغط في مكان واحد فينتفخ في آخر. هنا نفس الفكرة: يتم تحويل عدم اليقين الكمومي إلى معلمة غير مهمة للقياس، ويصبح المقدار المطلوب أكثر دقة بثلاث مرات. البالون المضغوط: ضُغط في مكان فانتفخ في آخر.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره دون أن يستمع إلى الآخرين. فجأة، دون أمرٍ ظاهر، يبدأ الجيران المتجاورون في التزامن التام، لكن اللحن العام لم يكتمل بعد. شيء مشابه يحدث في بعض المواد عند التبريد: تفقد الإلكترونات طاقتها وكأنها تستعد للتوصيل الفائق، لكنها لا تنتقل إليه أبدًا. هذه الحالة تُعرف باسم الفجوة الزائفة، وظلت لغزًا محيرًا لعقود.

مرآتان دقيقتان في الفراغ، تشبهان بندولين متزامنين. اهتزازاتهما تتزامن بخيط جاذبية غير مرئي. عند تبريدهما إلى أجزاء من مليون من الدرجة فوق الصفر، يحولهما هذا الخيط إلى رابط كمومي واحد — حركة إحداهما تنتقل فوراً إلى الأخرى. يسجل الليزر الحالة الكمومية على المرآة اليسرى.

في بلورة نيتريد البورون، الشبكة الذرية المثالية تتعطل في بعض الأماكن: في موضعٍ ما ينقص ذرة، وفي موضعٍ آخر يحل محله ذرة غريبة. تحت المجهر القوي، تظهر هذه العيوب الصغيرة كمصائد للإلكترونات — فهي تلتقط الجسيمات وتبدأ في التوهج، كما تستجيب للمجال المغناطيسي.

يمكن للجسيم الكمومي أن يكون في حالتين في آنٍ واحد — مثل عملة تدور، تحمل الوجهين معًا. بالقرب من ثقب أسود، يعمل أفق الحدث — حيث انحناء الزمكان يثني المكان والزمان إلى أقصى حد — كبوابة باتجاه واحد. فوتون عابر يلامس هذه الحدود 'يلتقط صورة' للعملة، مجبرًا إياها على الاستقرار على وجه واحد.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، ومعاً يصنعون لحناً معقداً — هكذا تبدو سحابة ذرية تدور سبيناتها (لفاتها الذاتية، مثل قمم دوارة صغيرة) بشكل متزامن. عادةً، تتصرف هذه القمم الدوارة باستقلالية. لكن بمجرد وضعها بين مرآتين وإضاءتها، يحدث أمر مدهش: يبدأ الضوء والذرات في «الغناء» بتناغم، متشابكين مع بعضهما البعض.

فوتونان متشابكان يطيران في اتجاهين متعاكسين، لكنهما يظلان يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر. هذا هو التشابك الكمومي. لكنه أحيانًا يشبه جاسوسًا محترفًا — لا يترك أثرًا تراه الفحوصات العادية. هذا التشابك «المقيد» (bound entanglement) لا يصلح للاتصالات فائقة الأمان، لكن اكتشافه مهمة مهمة لفهم العالم الكمومي. وجد مؤلفو المقال طريقة لكشف هذا التشابك.

حلبة الرقص ممتلئة بالناس: كل واحد يتحرك بمفرده، لا أحد يمسك بيد الآخر. فجأة تعلو الموسيقى ويزداد إيقاعها — يبدأ الجيران في التمسك ببعضهم البعض، مشكلين أزواجًا تدور بتناغم. هكذا تقريبًا بدت التجربة في المختبر، حيث جُعلت سحابة من ذرات الليثيوم، المبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تزيد فجأة من تجاذبها المتبادل.

قمتان صغيرتان تدوران وتتباعدان بعد الاصطدام. دورانهما غير محدد مسبقًا — بل يصبح محددًا فقط لحظة القياس. هذا هو التشابك الكمي: حالة إحدى القمتين تستجيب فورًا لحالة الأخرى، مهما كانت المسافة بينهما. في عالم الجسيمات الأولية، تلعب لبتونات التاو دور هذه القمم — وهي أقارب ثقيلة وغير مستقرة للإلكترون.

صندوقان بريديان في طرفي مدينة. تضع رسالة في أحدهما، فتظهر رسالة مطابقة فورًا في الآخر. هكذا تقريبًا يعمل التشابك الكمي: جسيمان يتصرفان ككيان واحد حتى لو فُصلا عن بعضهما مسافات شاسعة. لكن حتى وقت قريب، كان الحفاظ على هذا الارتباط ممكنًا فقط داخل غرفة واحدة أو على طاولة مختبر. بمجرد أن تُبعد الجسيمات حقًا، كان الارتباط ينقطع.

الضوء ينحني حول الأجسام الضخمة — وهذا معروف منذ زمن أينشتاين. ولكن ماذا لو كانت الجاذبية نفسها ليست نسيجًا أملسًا للفضاء، بل تيارًا من جسيمات ناقلة متناهية الصغر؟ عندها، يجب أن لا ينحني الشعاع عند مروره بجسيم فحسب، بل أن يدخل معه في علاقات كمومية خاصة. هذه العلاقات تُسمى التشابك. مثل بيانوين في غرفتين مختلفتين: تضغط على مفتاح في الأول — فيستجيب الوتر في الثاني فورًا، دون أي أسلاك.

الضوء ليس مجرد أشعة مستقيمة، بل موجات كهرومغناطيسية قادرة على الالتفاف في الفضاء، مثل ثنائي يؤدي رقصة الفالس. الفيزيائيون يسمون هذا اللف الكلي بالزخم الزاوي المداري، وكان يُعتقد لفترة طويلة أنه يخضع لـقانون الحفظ — مبدأ أساسي ينبثق من تماثلات الطبيعة التي اكتشفتها إيمي نويثر.

تخيّل جوقتين في غرفتين عازلتين للصوت على مسرح مهتز. إنهما تغنيان لكن لا تسمعان بعضهما البعض — فالهواء لا ينقل اللحن. ومع ذلك، إذا اهتز المسرح، فإن اهتزازاته تربط بين أغنيتهما. على هذه الفكرة تقوم اختبارات جديدة لـالجاذبية الكمومية.

الجاذبية تشبه قطعة قماش مشدودة (مثل الترامبولين): الأجسام الضخمة تضغط عليها، مما يجعل الأجسام الأخرى تنجذب نحوها. هذا الانحناء العام للفضاء — الجاذبية — يؤثر على الجميع، لكنه لا ينقل رسائل سرية. لكي يحدث التشابك الكمي، يلزم تبادل جسيمات خاصة، كما لو أن الكرات على الترامبولين تتبادل كرات صغيرة للتزامن.

عازفان يعزفان ثنائيًا. في قاعة مثالية، يسمع كل منهما الآخر بوضوح ويدخلان تدريجيًا في حالة رنين. لكن جرّب العزف في غرفة يغلق فيها أحدهم الباب باستمرار. يبدو أن الإيقاع سيختل. لكن لا: أحيانًا تكون هذه الضجة العشوائية هي ما يجعل الاثنين يتوافقان فورًا. تقريبًا هكذا تتصرف جسيمتان كموميتان — كيوبتات قناة أيونية — عندما تكون البيئة من حولهما صاخبة.

في غرفة مظلمة، يومض ليزر تحت أحمر، وتصبح قطعة من مسحوق K3C60 الأسود، لجزء من الثانية، موصلة للتيار دون مقاومة. يضرب الضوء بتردد 10 تيراهرتز، وهو أسرع بألف مرة من عمل فرن الميكروويف. ويتضاعف التأثير مئة مرة مقارنة بالترددات الأخرى. لماذا هذا التردد تحديدًا؟ بنى العلماء نموذجًا حاسوبيًا ووجدوا الإجابة. تتحرك الإلكترونات في المادة عادةً منفردة، لكن في حالة التوصيل الفائق تتحد في أزواج، مثل راقصين يمسكان بأيدي بعضهما.

قارع الطبل يصمت، لكن من خلال فترات الصمت يمكن معرفة أين لم يضرب. وهكذا بنى الفيزيائيون الصورة، ليس بالتقاط الضوء، بل بالتقاط لحظات الظلام المطلق. صورة ظهرت من الصمت. في التجربة، وُجّه ضوء مصباح عادي إلى الجسم. ثم استُبعدت بلا رحمة جميع الومضات التي انعكست فيها الفوتونات عن الجسم.

جسيمان يبتعدان في اتجاهين متعاكسين يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد حالة الآخر فورًا. هذا التشابك الكمومي معروف منذ زمن طويل للجسيمات الخفيفة، لكنه الآن رُصد لأول مرة في بوزونات Z الثقيلة — حاملات القوة الضعيفة.

النقطة الكمومية تشبه مصباحًا مفردًا يُضاء ويُطفأ بأمر من الليزر، ويصدر فوتونًا واحدًا بالضبط في كل مرة. لكن لهذا الضوء خصوصية: الفوتونات لا تتفاعل مع بعضها، بل تطير باستقلالية، مثل قطرات عشوائية من صنبور. مرّر العلماء هذا الضوء عبر جهاز من مرآتين وفاصلَي حزمة — مقياس ماخ-تسندر التداخلي.

الفوتونات المتشابكة الفوتونات هما رسولان يسيران بخطى متزامنة: حالاتهما الكمومية، وخاصة الاستقطاب، مترابطة بحيث أن قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر، حتى عبر المسافات. في المادة، يختل هذا التزامن. من خلال طبيعة الاضطراب، يمكن تحديد ما وُجد في الطريق: مفترق طرق بدد المسارات، أو دوامة مغناطيسية لوت الخطى.

نقطة كمومية بحجم فيروس، محصورة بين مرآتين، تولد فوتونين عند ومضة ضوء قصيرة. يخرج هذان الفوتونان كزوج، ويكون استقطاباهما – أي اتجاهي اهتزاز الموجتين – مرتبطين بحيث أن معرفة أحدهما تعرف الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي، وهو ضروري للاتصالات الكمومية والحوسبة الكمومية. العدو الرئيسي لهذا الارتباط هو اهتزاز ذرات البلورة بسبب الحرارة.

الحلقة المكونة من ذرات مغناطيسية تشبه رقصة دائرية يمسك فيها كل مشارك بيدي جاريه. في المغناطيسات العادية، تمتلك كل ذرة عزمًا مغناطيسيًا دائمًا خاصًا بها، وتتفاعل هذه العزوم مثل أسهم صغيرة تسعى للاصطفاف بشكل متعاكس.

حدد الفيزيائيون قوانين كمية دقيقة تحكم نمو التشابك الكمومي في الأنظمة الفوضوية. في نموذج نظري يخضع فيه النظام لنَبضات دورية — مثلما يعجن الطاهي العجين بإيقاع منتظم — تتبع الباحثون تطور إنتروبيا التشابك، وهو مقياس الاضطراب الكمومي.