مظاهر التشابك الكمومي

ثلاثة أصوات تندمج في وتر واحد. في فيزياء المواد الكمومية، يكتسب هذا التعبير معنى حرفيًا: ثلاث طبقات من الغرافين، مفصولة بفواصل رقيقة، تجعل الإلكترونات والثقوب من طبقات مختلفة تتحرك كسائل واحد. مكثف إكسيتوني هو حالة تتدفق فيها أزواج الإلكترون-ثقب دون مقاومة، وقد لوحظ سابقًا فقط في أنظمة ثنائية الطبقة.

مراقبان، أليس وبوب، يجلسان في طرفي مختبر واحد. بينهما مصدر يطلق نبضتين بالتناوب. كل نبضة تولد حزمة موجية تتجه نحو كاشفها. حتى الآن يبدو الأمر كتجربة عادية مع جسيمات كمية. لكن إذا كان الزمكان غير تبديلي حقًا — أي أن الإحداثيات فيه لا تُضرب بأي ترتيب، مثل المصفوفات — فعندما تتبادل الجسيمات أماكنها، يتسلل إلى دالتها الموجية دوران إضافي، طور يعتمد على عزمها.

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.

إذا قمت بتسريع أحد الجسيمات الأربعة المتشابكة إلى سرعة هائلة، فإن تشابكها الكمومي لا يذوب فحسب، بل يضعف أولاً ثم يقوى مرة أخرى. هذا التحول غير المتوقع اكتشفه الفيزيائيون أثناء دراسة سلوك حالة خاصة تسمى حالة ديكي في عالم تخضع فيه قوانين النظرية النسبية. التشابك الكمومي يشبه خيطًا غير مرئي يربط الجسيمات بحيث يؤثر قياس أحدهما فورًا على الآخر، حتى لو كانا بعيدين عن بعضهما البعض.

سلسلة لا نهائية من الذرات مرتبة على مسافات متساوية. انزلق السلسلة بأكملها خطوة واحدة، ولن يتغير المشهد. هذا هو التناظر الانتقالي: يبدو العالم متشابهًا أينما نظرت. قد يبدو أن مثل هذه القاعدة البسيطة يجب أن تولد حالات بسيطة، مثل شبكة بلورية مبنية من لبنات بناء متطابقة. لكن مؤلفي الدراسة أعادوا حساب هذه اللبنات.

يشبه العالم الكمومي أوركسترا، حيث يعزف كل موسيقي — وهو جسيم — دوره الخاص، ومعًا يصنعون سيمفونية متناغمة. ولكن بمجرد ظهور ضوضاء في القاعة — نقرات واضطرابات عشوائية — يبدأ اللحن في التذبذب. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن مثل هذه الضوضاء (التي يسميها الفيزيائيون بفقدان الترابط الكمومي) تدمر ببساطة أي حالات كمومية هشة، محولة إياها إلى فوضى كلاسيكية عادية.

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.

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.

سلسلة من أربع وعشرين ذرة، مصفوفة بدقة بصرية، تبدأ تطورها من حالة تشبه رقعة الشطرنج: كل ذرة ثانية مثارة، والتهييجات المتجاورة ممنوعة. بعد بضعة ميكروثانية، تصبح الصورة الكلية متشابكة لدرجة يصعب معها تمييز النمط الأصلي. لكن إذا نظرنا عن كثب إلى الذرات الفردية، نجد أن حالاتها الموضعية تظل تقريبًا كما كانت في اللحظة الأولى. هذا التباين بين الفوضى الكلية والاستقرار الموضعي هو اللغز الرئيسي للعمل.

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.

مقياس الحرارة المغمور في عينة ما يخبرنا عادةً بدرجة الحرارة فقط. لكن إذا كانت درجة الحرارة تتأرجح قليلًا، واستجابت العينة بتأخّر، فإن هذه الاستجابة تخفي أكثر من ذلك: الجزء التخيلي من السعة الحرارية، والذي تبيّن أنه قادر على سماع صدى الزمن الكمومي.

يبدأ جسيمان رقصتهما في استقلال تام. لا يعلم أيٌّ منهما بوجود الآخر. لكن تحت موسيقى الزمكان المشوه غير المرئية، تتزامن حركاتهما تدريجياً: يولد في النظام تشابك، وهو ذلك الارتباط الكمومي الذي وصفه أينشتاين بأنه «تأثير شبحي عن بُعد». في العالم العادي، تُجمع الطاقات ببساطة: تأخذ طاقة جسيم، تضيف طاقة الآخر، فتحصل على طاقة الزوج.