زوج فوتوني

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.

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.

للنظر أعمق في بنية الكون، يقوم الفيزيائيون بتسريع الإلكترونات وتصادمها مع بعضها البعض. يمتلك الإلكترون العادي زخمًا زاويًا ذاتيًا يسمى السبين، ويمكن تخيله كمحور دوران لقمة دوارة صغيرة. في الحزمة العادية، تكون هذه المحاور موجهة بشكل عشوائي. للتجارب الدقيقة، نحتاج إلى جسيمات ذات سبينات مرتبة — وتسمى هذه الحالة استقطابًا.

الرنان الفارغ ليس فارغًا تمامًا. حتى في الفراغ المطلق، حيث لا يوجد فوتون واحد فوتون - وهو كم الضوء - توجد تقلبات كمومية: ولادة واختفاء مستمران لجسيمات افتراضية. هذا يشبه تموجات على سطح الماء في هدوء تام: يبدو السطح أملسًا، لكن الجزيئات تستمر في الاهتزاز. تعلم الفيزيائيون تحويل هذا الاهتزاز إلى موجات حقيقية - فوتونات حقيقية.

الحجر الملقى في الماء يترك دوائر تنتشر. الموجة الثقالية هي تموّج مماثل، لكن في نسيج الزمكان. تُنتج، على سبيل المثال، عن اندماج ثقبين أسودين. في الفيزياء الكلاسيكية، هذا التموّج أبدي: بمجرد أن ينشأ، يطير عبر الكون دون أن يخمد. لكن الجاذبية تخضع للقوانين الكمومية. تتكون الموجة من حِزَم صغيرة تسمى الغرافيتونات (الجسيمات الحاملة للجاذبية).

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.

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.

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.

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.

ينطلق شعاعا الليزر الذريان المتوازيان من مكثفات بوز-أينشتاين في رحلة سقوط حر. في الصورة الكلاسيكية، تبقى المسافة بينهما ثابتة، كقطارين يسيران على سكك متوازية. لكن إذا كان الزمكان ليس جليداً جامداً، بل غشاءً حياً متموجاً، فإن كل ارتجافة فيه تنتقل إلى المادة. تستشعر الذرات دفعات ميكروسكوبية ناتجة عن التقلبات الكمومية، فتبدأ مساراتها بالانحراف قليلاً.

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.

مصباح يضيء عبر ضباب كثيف. يتشتت الضوء على قطرات الماء، فيبدو المصباح مشوشًا. حول الثقب الأسود يحدث شيء مشابه: غاز ساخن، مثل الضباب، يلفه، وأشعة سينية من الأجزاء الداخلية للقرص تخترق هذه السحابة. فقط «القطرات» هنا هي الإلكترونات، و«الضباب» نفسه يسمى الهالة.

في المسرّع الضخم، تصطدم الجسيمات ببعضها البعض، وأحيانًا لا يتبقى بعد الاصطدام سوى فوتونين — جسيمَي الضوء. يعرف الفيزيائيون كيفية التنبؤ بعدد مرات حدوث ذلك، لكن حساباتهم ظلت لفترة طويلة لا تتوافق مع ما تراه الكواشف. كل تحسين في النظرية كان يغيّر الإجابة، ولم يكن هناك اتفاق. قام مؤلفو العمل الجديد بخطوة إضافية في الدقة — أضافوا إلى الحساب المستوى التالي من التصحيحات.

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.

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.

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.

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.

عادةً ما يمرر ديود أشباه الموصلات التيار في اتجاه واحد فقط، مثل باب بنابض: في اتجاه يُفتح بسهولة، وفي الاتجاه الآخر يصطدم. لكن إذا أشبعنا البلورة بالشوائب بشدة، يبدأ الباب في التصرف بغرابة: عند الجهد العكسي، لا يتدفق التيار فحسب، بل يقفز فجأة. تسمى هذه الديودات بديودات النفق لأنه كان يُعتقد أن الإلكترونات تخترق الحاجز مثل الأشباح عبر الجدار — وهذا هو النفق الكمومي. يقترح مؤلفو الدراسة الجديدة آلية أخرى أكثر واقعية.

الليزر العادي يشبه جوقة يغني فيها كل فرد بمفرده — الصوت عالٍ لكن مع خشونة لا مفر منها. في الليزر الكمومي الجديد، يسمع المغنون بعضهم البعض ويضبطون أصواتهم. هذا التنسيق يقلل من الإنتروبيا (مستوى الفوضى) ويكبت الضوضاء الكمومية — الاهتزاز الحتمي للضوء على المستوى الدقيق.

يضرب ليزر قوي شبه الموصل، فيستجيب بضوء بترددات متعددة — مثل وتر يصدر جوقة من النغمات التوافقية. استُخدم هذا سابقًا في التحليل الطيفي لمراقبة العمليات فائقة السرعة. لكن الفيزيائيين لاحظوا الآن: النغمات التوافقية ليست مستقلة، بل تتصرف وكأنها مربوطة بخيوط غير مرئية.

الضوء الصادر من بلورات البيروفسكايت النانوية يشبه أداء جوقة، حيث تتردد الأصوات تارةً منفردة وتارةً كثنائي متناغم. سابقًا، لم يكن يُسمع هذا الثنائي إلا مع تبريد شديد، يقارب برودة الفضاء الخارجي. أما الآن، فقد غنّت الجوقة في درجة حرارة الغرفة.

المصباح اليدوي في الضباب الكثيف عديم الفائدة: الشعاع يتشتت، والضوء المنعكس يغرق في التشويش. لكن إذا ربطت فوتونين بخيط غير مرئي، يمكن لأحدهما أن يعبر الضباب ويعود بينما يبقى الآخر في أمان. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي (quantum entanglement) — عندما تتصرف جسيمتان ككيان واحد حتى لو كانتا بعيدتين عن بعضهما. في التجربة الجديدة، وُلدت أزواج من الفوتونات المتشابكة في دائرة بصرية خاصة.

مصدر الضوء المفرد في طبقة رقيقة من نيتريد البورون يومض وينطفئ خلال نانوثانيتين. يمكن إنشاء العديد من هذه المصادر في المادة، لكن كل واحد منها كان يعمل بمفرده لفترة طويلة. في العمل الجديد، جُعلت تتوهج معاً، مثل الموسيقيين الذين يعزفون في انسجام. لتحقيق ذلك، وُضعت المصادر على مسافة أقل من طول موجة الضوء المنبعث.

في مصادم الهادرونات الكبير، يقوم الفيزيائيون بتسريع البروتونات إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء ثم يصادمونها. عادةً، تشارك البروتونات نفسها في هذه التصادمات، لكن في بعض الأحيان تمر بالقرب من بعضها دون أن تلامس، وتتفاعل مجالاتها الكهربائية. يمكن تصور هذه المجالات كسحب من الفوتونات — جسيمات الضوء — التي تحيط بكل بروتون.

في العالم الكمومي، لا يدمر تصادم الجسيمات فرديتها بل ينسجها في عقدة لا تنفصم: تتشابك الحالات الداخلية والحركات كخيوط في نسيج معقد. طور الباحثون طريقة عامة تسمح بقياس هذا التشابك — الظاهرة التي وصفها ألبرت أينشتاين بأنها "تأثير شبحي عن بعد" — مباشرة من بيانات التصادمات.

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.

داخل كل خلية حية تحدث تحولات كيميائية باستمرار. بعضها ينتج جسيمات غير مستقرة، تتصرف إلكتروناتها مثل مغناطيسات صغيرة مزدوجة. تفاعلها يشبه رقصة: كل حركة للزوج تستجيب للمجالات المغناطيسية الخارجية، كإيقاع متغير. كانت رؤية هذه الرقصة مباشرة متعذرة بسبب خفائها. أما الآن، فيقوم العلماء بتسليط زوج من ومضات الليزر فائقة القصر على الخلية.

في سبتمبر 2024، لم يكن على خشبة المسرح في قاعة الحفلات في لينتس سوى الأوركسترا فحسب. فإلى جانب الموسيقيين، عملت منشأة تولد أزواجًا من الفوتونات المتشابكة: ليزر بطول موجة 405 نانومتر يصطدم ببلورة غير خطية وينقسم إلى فوتونين بطول موجة 810 نانومتر، ينطلقان إلى محطتي قياس: أليس وبوب.

ليزر على بلورة نيتوبات الليثيوم ينشط بتيار 40 ملي أمبير. ينقسم ضوءه إلى شعاعين، يمر كل منهما عبر دليل موجي بطول ستة ملليمترات، حيث تتولد أزواج من الفوتونات التوأم. يقوم أحد الشعاعين بتدوير استقطاب توائمه، ثم يندمج المساران في قناة واحدة. عند المخرج: مصنع كمومي في راحة اليد، ينتج 45 مليار زوج متشابك في الثانية بقدرة لا تتجاوز 18.8 ميكروواط.

ضوء الشمس، الذي جُمع بعدسة فريسنل ومُرر عبر 20 متراً من الألياف البلاستيكية، كانت قدرته 3 ميكروواط فقط، أي أقل بمليون مرة من قدرة مؤشر ليزري نموذجي. كان ذلك كافياً لتوليد أزواج فوتونات مترابطة موضعياً داخل بلورة غير خطية. يمر فوتون واحد من الزوج عبر الجسم، بينما يُمسح الثاني بواسطة كاشف، والتوافقات ترسم الصورة. هكذا يعمل التصوير الكمومي. الشمس هنا مضخة كمومية مجانية.

الانبعاث التلقائي — تلك العملية التي تشعل المصابيح والنجوم — طالما اعتُبر في فيزياء الكم ضوضاء مزعجة. نشاز الفوتونات العشوائي يحطم بلا رحمة التشابك الكمومي الهش، مثل طقطقة التشويش في الراديو تغمر لحناً بعيداً. لكن عملاً نظرياً جديداً يظهر: إذا أعطينا الذرات نوتة موسيقية صارمة، فإن الضوضاء نفسها يمكن أن تتحول إلى تناغم مثالي — تشابك شبه تام بين حزم ضوئية ساطعة.