تشابك الفوتونات

على الطاولة ترقد طبقات متراكمة من رقائق نتريد البورون السداسي، وهو مادة تشبه الغرافيت لكنها مكونة من ذرات البورون والنيتروجين. تُنقل رقيقة واحدة بعناية فوق أخرى، وفي موضع تراكبهما، بعد التسخين في الأكسجين، تولد مصادر ضوء مفردة ساطعة. وتزداد كثافتها بما يصل إلى خمسة عشر ضعفًا مقارنة بالمناطق العادية، بينما تبقى الجودة كما هي.

أمين مكتبة في مستودع الكتب النادرة يأخذ مجلدًا من الرف ويعيده إلى مكانه دون أن يوقظ قطة نائمة بالقرب منه. هذا تقريبًا ما تفعله الذاكرة الكمومية الجديدة: تلتقط فوتونًا، تخفيه في اهتزاز ميكانيكي لجسر سيليكوني صغير، وتعيده عند أول طلب. الشبكات الكمومية تعد باتصالات آمنة وحوسبة موزعة، لكنها تفتقر إلى عقدة قادرة على تخزين الفوتونات عند طول موجة الألياف البصرية.

الشبكة العشوائية العادية — مثل خريطة طرق حيث ترتبط المدن بطرق سريعة — تخضع لمنطق بديهي: لكي تشكّل أربع عقد تقاطعًا معقدًا بروابط متعددة، يجب مدّ خطوط فيزيائية كثيرة. لكن في العالم الكمومي تسري قواعد مختلفة.

شبكات الكمومية المستقبلية تشبه برج بابل: كل عقدة تتحدث لغتها الخاصة. بعضها يخزن المعلومات في استقطاب الفوتون — أي اتجاه اهتزاز موجة الضوء. والبعض الآخر في بتات زمنية، أي في اللحظة التي يصل فيها النبض. وحتى الأطوال الموجية مختلفة: فالذرات تصدر في النطاق المرئي، بينما الألياف البصرية تنقل الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل. نحتاج إلى مترجم عالمي.

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.

كل عملية فناء بوزيترون تشبه ظهور راقصين يتحركان بتناغم، مربوطين بخيط غير مرئي من الاستقطاب. ينطلق فوتونا أشعة غاما بعيداً، لكن حالتيهما تظلان متشابكتين: قياس أحدهما يحدد الآخر فوراً – كما لو أن أحدهما يستشعر حركة الآخر فوراً مهما كانت المسافة.

تبعث الخلية الحية باستمرار إشارات مغناطيسية ضعيفة، كأنها تهمس. يتنصت العلماء على هذا الهمس بواسطة "ميكروفونين" مجهريين - هما مستشعران للمجال المغناطيسي. أحدهما صُنع من الطبيعة (بروتين)، والآخر ذرة غبار ماسية من صنع الإنسان فيها عيب (من الكربون النقي) يحولها إلى هوائي.

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.

من المرجح أن تتواصل حواسيب المستقبل الكمومية عبر الضوء. تخزن الذرة المعلومات، بينما ينقلها الفوتون عبر الشبكة. لكن الذرة لا تعلق بلا حراك، بل تهتز وتتذبذب، وهذه الحركة قد تفسد الإشارة. في السابق، كان المهندسون قادرين على حساب ذرة ساكنة فقط. ولأول مرة، بنى مؤلفو العمل الجديد نظرية كاملة تأخذ في الاعتبار اهتزاز الذرة. لقد اشتقوا معادلة بسيطة، يمكن اعتبارها بمثابة «مترجم» بين حركة الذرة وحالة الفوتون المنعكس.

راكب الأمواج ينزلق على سطح المحيط حتى تأتي موجة كبيرة - وهكذا يندفع إلى الأمام. بنفس الطريقة تقريبًا، يتفاعل الإلكترون الحر مع الضوء: عادة ما يكون تبادل الطاقة بالكاد ملحوظًا، ولكن إذا بدأ الوسط المحيط يتغير بشكل إيقاعي، فإن كل قمة موجة تدفع الجسيم بقوة أكبر. درس مؤلفو العمل التفاعل الكمومي بين الإلكترونات والفوتونات في وسط تتأرجح خصائصه بشكل دوري.

ألقِ حفنة من الفوسفور في السيليكون، وعند تركيز معين من الشوائب، يبدأ المادة فجأة في توصيل التيار. هذا هو الانتقال الطوري من معدن إلى عازل، ويحدث فجأة. ولكن ما الذي يتغير بالضبط في الدوال الموجية للإلكترونات عندما يتحول العازل إلى معدن؟ يمكن استخلاص الإجابة من كيفية امتصاص المادة للضوء.

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.

لقطة واحدة من الكاميرا تخزّن في الوقت نفسه الصورة العادية وخريطة خفية لكيفية انتشار الضوء كموجات عبر المشهد. هذا يصبح ممكنًا بفضل التشابك الكمومي — وهي ظاهرة يرتبط فيها جسيمان بحيث تحدد حالة أحدهما حالة الآخر فورًا، بغض النظر عن المسافة. يتم توليد أزواج من الفوتونات المتشابكة: يُوجَّه أحدهما نحو الجسم، بينما يسلك توأمه مسارًا جانبيًا.

الضوء بطبيعته متناظر: في القناة المفتوحة، يتدفق في كلا الاتجاهين بالتساوي. لدفعه في اتجاه واحد، غالبًا ما يستخدم الفيزيائيون المغناطيس. نهج جديد يستغني عنها، باستخدام الدوران — بسرعة تكفي لقرص فينيل — وتداخل ذرّتين. يغيّر الدوران «حدّة» الضوء للاتجاهات المختلفة — مثلما تعتمد نغمة صفارة الإنذار على ما إذا كانت السيارة تقترب أم تبتعد.

الضوء عبارة عن تدفق من الجسيمات الأولية — الفوتونات. في دليل ضوئي خاص، يمكن تصوره كممر ضيق، عادةً ما تسمح الذرة-«الحارس» بمرور الفوتونات واحدًا تلو الآخر. هذا التأثير يدرسه التحليل الطيفي للجسيمات المفردة — وهي طريقة تسمح بدراسة تفاعل الضوء مع المادة على مستوى الكمات الفردية.

يجلس مترجمان فوريان في كابينة واحدة. الأول يترجم من الإنجليزية إلى العربية، لكنه يبتلع نصف الكلمات. والثاني يترجم من العربية إلى الفرنسية، وهو أيضًا يفقد نصف الكلمات. إذا جلسا معًا، يبدو أن النتيجة ستكون فوضى: ستتراكم الخسائر، ولن يصل إلى المستمع سوى ربع المعنى. ولكن ماذا لو بدآ بتصحيح أخطاء بعضهما البعض؟ أحدهما يسمع جزءًا من الجملة، والآخر يكمله بالتخمين. الدقة النهائية تكون أعلى من دقة كل منهما على حدة.

يسير الضوء في الألياف البصرية عبر القلب، ولا يكاد يخرج إلى الخارج. ولكن إذا اقتربت كثيرًا، يمكنك أن تشعر باهتزاز ضعيف للحقل على السطح — موجة خاملة. في هذا "الضباب الضوئي" فوق سطح حلقة سيليكونية صغيرة، تمكن الفيزيائيون من التقاط ذرة روبيديوم واحدة. تعمل المصيدة كيد خفية تخمد سرعة الذرة بلمسة واحدة.

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.

كاميرا فائقة السرعة قادرة على تصوير حركة الإلكترونات هي مقياس التداخل الأتوثاني (attosecond interferometer). يرسل نبضتي ليزر إلى المادة بفاصل زمني ضئيل. الأولى، فوق البنفسجية، مثل وميض، تنزع إلكترونًا من الجزيء. الثانية، تحت الحمراء، كيد خفية، تدفع أو تبطئ هذا الإلكترون أثناء طيرانه.

جزيء الديوتيريوم — ذرتان من الهيدروجين الثقيل — يتفكك تحت وطأة الليزر. يُقتلع إلكترون واحد، تاركًا أيونًا خلفه. في تلك اللحظة، ما زالا مرتبطين: اتجاه أحدهما يخبرك فورًا أين ذهب الآخر. هذا الارتباط يُسمى التشابك الكمومي.

يمكن استخدام الضوء كحامل للرسائل السرية، تمامًا كحامل يَنقل الرسائل. ولكن لضمان عدم فقدان أي حرف، يجب استقباله والتحقق منه بسرعة فائقة. الشريحة الجديدة المصنوعة من غشاء رقيق من نيوبات الليثيوم تعمل كبوابة دوّارة تُفتح وتُغلق في أجزاء من المليار من الثانية، مما يسمح بمرور النبضات الضوئية في اللحظة المناسبة. في السابق، كانت هذه البوابات ضخمة وبطيئة.

المظروف البريدي العادي له شكل مستطيل، والرسالة بداخله لا تغيّر خصائص المظروف. أما مع الفوتونات — جسيمات الضوء — فالأمر مختلف: فـ«شكلها» الزمني يمكن أن يكون مختلفًا، وهذا الشكل بحد ذاته يحمل معلومات.

تخيل بندولين على طاولة صلبة، كل منهما يتأرجح بمفرده دون أن يلاحظ الآخر. لكن عند وضعهما على لوح مهتز مشترك، تنتقل الاهتزازات عبر الدعامة، فيبدأ البندان في التأرجح بشكل متزامن. مبدأ مشابه تم تحقيقه مؤخرًا في المجال الكمومي، على شريحة سيليكون مع فوتونات، وهي كمات الضوء. في التجربة، تم إنشاء مصدرين مستقلين يصدران أزواجًا من الفوتونات.

الضوء والذرات، مثل راقصين، يمكن أن يتحركا بتناغم أو بشكل متفرق. عندما يكون تفاعلهما اتجاهيًا — أي يعتمد على الاتجاه — يصبح الرقص أكثر تعقيدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون في نموذج حيث تتفاعل مجموعة من الذرات (كيوبتات) بشكل جماعي مع مجال ضوئي اتجاهي، وكل مكوّن متصل بمستودع حراري. اتضح أن التباين الاتجاهي يمكن أن يغير جذريًا تدفق الحرارة عبر النظام.

تُلقى عملتان معدنيتان في مدينتين مختلفتين، لكنهما تسقطان دائمًا بنفس الطريقة. يسمي الفيزيائيون هذا بالتشابك (entanglement): تتصرف الجسيمات وكأن بينها خيطًا غير مرئي. ولكن ماذا لو لم يكن الخيط فوريًا، بل سريعًا جدًا، لكنه مع ذلك ليس أسرع من الضوء؟ عندها قد تتسلل إشارة ما بين القياسات، وتُفسَّر التطابقات دون أي سحر.

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.

في غرفة مظلمة، يُحبس ذرة وضوء معًا داخل صندوق مرآة. الصندوق صغير جدًا لدرجة أن الذرة لا تستطيع إطلاق الضوء ببساطة؛ فهما يتبادلان الطاقة باستمرار، مثل راقصَين لا يتركان أيدي بعضهما. هذا الاقتران فائق القوة يغيّر قواعد اللعبة نفسها: تُعاد هيكلة مستويات الطاقة، ويخرج الضوء ليس في دفعات منفردة عادية، بل في مجموعات نجمية كاملة.

في نظرية الكم، يمكن للجسيم أن يمر عبر مسارين في آنٍ واحد. وعند القياس نرصده على مسار واحد فقط. وفقًا لـنيلز بور، تختفي كل الاحتمالات الأخرى فورًا — مثل غصن يُكسر من الشجرة.

الطباخ الماهر يتذوق الحساء ثم يضيف رشة ملح. الميزان العادي لن يلاحظ هذه الرشة، لكن الميزان الحساس سيلاحظها. في العالم الكمومي، تلعب أزواج الجسيمات المرتبطة ببعضها دور هذه الموازين. كان يُعتقد سابقًا أن الارتباط يجب أن يكون في أقصى درجات القوة، وإلا فلن تتحسن الدقة. لكن العمل الجديد يُظهر أن حتى شريطًا مطاطيًا ضعيفًا بين الجسيمات يكفي.

الرسائل العادية تُعترض، ولا يلاحظ أحد. ابتكر الفيزيائيون وسيلة لإنشاء سر مشترك يتحطم فورًا بنظرة دخيلة. بدلاً من الورق، تُستخدم جسيمات الضوء المفردة. هذا الارتباط الكمومي يستغل القانون: أي قياس يغير الجسم الكمومي. يشبه ذلك عملتين مرتبطتين ارتباطًا لا ينفصم. ترمي الأولى — والثانية، حتى على بُعد 100 كم، تسقط دائمًا على نفس الوجه.

يخرج فوتونان من صندوق صغير — ويتصرفان مثل توأمين يرتديان دائمًا نفس الملابس. إذا أدرت أحدهما، فسيدور الآخر فورًا بنفس الطريقة، حتى لو فصلت بينهما كيلومترات. هذه ليست خدعة، بل تشابك كمومي: ارتباط بين الجسيمات لا يعتمد على المسافة. بنى الباحثون مصدرًا مدمجًا لهذه الأزواج. إنه يوضع على طاولة وينتج فوتونات يكاد يكون من المستحيل تمييزها عن بعضها — مثل كرتين مصبوبتين في نفس القالب.

شعاع الضوء المُرسل من الأرض إلى القمر الصناعي يتشتت في الغلاف الجوي — مثل مصباح يدوي في الضباب. لكي لا يضيع الإشارة، نحتاج إلى ضوء ذي طول موجي قصير، يتشتت بشكل أقل. هذا الضوء يُولد في بلورات خاصة، لكن من الصعب تصغيرها إلى حجم شريحة. صنعت مجموعة من الباحثين شريحة من نيتريد السيليكون — مادة شفافة تشبه الزجاج لكنها أقوى.

جهاز بحجم حبة رمل: مرآة صغيرة على شكل طبق تحمل ذرة روبيديوم منفردة وتجمع التوهج الذي تبعثه تحت شعاع الليزر. تُرسل جسيمات الضوء المُلتقطة إلى ألياف بصرية — التصميم بأكمله دقيق ولا يضطرب حتى مع الاهتزاز. الإنجاز الرئيسي هو التشابك الموثوق بين الذرة وكم الضوء.

فوتونان، مثل نصفي عملة واحدة، يتباعدان لعشرات الكيلومترات، لكنهما يبقيان مرتبطين: قِس أحدهما فتعرف حالة الآخر فورًا. هذه الخاصية تسمى التشابك، وهي أساس الاتصال الكمي.

داخل تجويف مرآوي صغير، أصغر من سمك الشعرة، يُحبس الضوء وينعكس مرارًا عن الجدران. إذا وُضعت فيه مادة قادرة على امتصاص الضوء وإصداره، تبدأ جسيمات الضوء (الفوتونات) في «الارتداء» بإثارات المادة — وهكذا تولد أنماط بولاريتونية (polaritonic modes). عادةً ما يهيمن على هذا التجويف ضوء متماسك ساطع، يشبه شعاع ليزر قوي.

تخيل حجرَي ألماس اصطناعيين، يعمل كل منهما كشوكة رنانة عالية الدقة. داخل الشبكة البلورية لكل ألماسة توجد ذرة كربون-13 — وهي بت كمومي، أو كيوبت، أصغر وحدة من المعلومات الكمومية.

الفوتونات المتشابكة مثل توأمين: التأثير على أحدهما ينعكس فورًا على الآخر، حتى لو تفصل بينهما كيلومترات. حتى وقت قريب، لم تكن مراقبة هذا الرابط ممكنة إلا باستخدام كواشف تعد كل فوتون بمفرده في ظلام تام. بسّط الفيزيائيون المهمة باستبدالها بكاميرا علمية عادية.

طرح فكرة الانتقال الكمي تشارلز بينيت، وحققها أنتون تسايلينغر. وهي تعتمد على التشابك — حيث تكون جسيمتان متزامنتين، كصفحتين تنسخان رسمًا واحدًا فورًا. لكن سابقًا كان «الحبر» ينتشر فيفسد المخطط. أما الآن فقد استخدم الفيزيائيون ضوءًا ذا تموجات خاصة (حالات غير غاوسية) لا يُشوش الخطوط. وصلت دقة النسخة إلى 97.3%.

تهاجر الطيور مستعينةً بالمجال المغناطيسي. يوجد في عيونها بروتين الكريبتوكروم. يلتقط الضوء الشمسي، وخاصة الأزرق، ويبدأ التفاعل. يؤدي امتصاص الضوء إلى تكوين زوج من الجسيمات شديدة الحساسية للمجال المغناطيسي. تحت تأثير المجال، تغير هذه الجسيمات مواقعها النسبية، مما يسبب تيارًا كهربائيًا ضعيفًا في البروتين.