النقل الآني الكمومي

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.

في عام 1996، تساءل الفيزيائيون: ما مقدار الضوضاء التي يمكن أن تتحملها القناة الكمومية قبل أن تتوقف عن نقل المعلومات؟ تخيل مكالمة هاتفية حيث يتم استبدال كل كلمة ثالثة بضوضاء عشوائية — لا يزال من الممكن فهم المعنى.

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.

في سحابة ذرات فائقة البرودة، مبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تنشأ مناطق ذات اتجاهات مختلفة للمغزل المغزلي — العزم الزاوي الذاتي للجسيمات، الذي يمكن تصوره كمغناطيسات صغيرة. تشبه هذه المناطق مناطق ذات مغنطة مختلفة، وتسمى الحدود بينها بالجدران المجالية.

تحضّر أليس جسيمًا كموميًا في إحدى حالات متعددة محتملة وترسله إلى بوب. القناة التي ينتقل عبرها الجسيم ليست مثالية: فهي تُحدث ضوضاء، وتشتت، وتتفاعل مع المحيط — مثل نهر عكر تفقد فيه ملامح الجسم المُلقى. يستقبل بوب الإشارة ويحاول فهم ما أرسلته أليس بالضبط. هذا هو المخطط الكلاسيكي "حضّر وأرسل وقِس"، وفيه دائمًا خطر فقدان شيء ما.

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.

في عالم الجسيمات الكمومية، هناك "انطوائيون" — وهم الإنيونات. هذه شبه جسيمات لا تشبه الإلكترونات أو البروتونات المألوفة: إذا تم تبادل مكاني اثنين من هؤلاء "الانطوائيين"، فإنهما يتذكران هذه المناورة، وكأنهما يتركان أثرًا غير مرئي في الحالة الكمومية للنظام.

في مركز نجم يحتضر، عندما ينضغط نواته إلى كرة نيوترونية، تولد عاصفة غير مرئية. تريليونات من النيوترينوات — جسيمات شبحية لا تتفاعل تقريبًا مع المادة — تندفع في البلازما شديدة الحرارة. وهي كثيرة جدًا لدرجة أنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض، مغيرًة "نكهاتها" (الأنواع: إلكتروني، ميوني، تاو-نيوترينو) مثل الحرباء.

سبعة راقصين يصعدون إلى المسرح. يتكاتفون بحيث تتحرك أي مجموعة من ثلاثة أو أربعة في تناغم تام مع البقية — لا تخرج أي مجموعة عن الإيقاع العام. في العالم الكمومي، يُسمى هذا حالة التشابك الأقصى المطلق (اختصارًا AME). إنها عقدة مثالية يعرف فيها كل جزء كل شيء عن الكل.

الكمبيوتر الكمومي القائم على الذرات المتعادلة يشبه مدينةً يقوم فيها سعاة البريد — وهم الملاقط الليزرية — بنقل الطرود فعليًا بين العناوين. بينما يحمل أحد السعاة ذرةً عبر الشريحة بأكملها، يظل الباقون في انتظار. هذا بطيء ويولّد أخطاءً. البنية الجديدة تستبدل السعاة بموجة راديو مشتركة.

تخيّل خدمة بريدية يتوقف فيها سعاة البريد فجأة عن الحركة. يبدو أن الرسائل لن تصل بعد الآن، وأن التواصل بين المدن سينقطع. ولكن ماذا لو اكتسبت الأظرف نفسها فجأة القدرة على تغيير شكلها ونقل الرسائل عبر شبكة عنكبوتية مشتركة، دون أن تتحرك من مكانها؟ هذا هو بالضبط ما اكتشفه الفيزيائيون في عالم المواد الكمومية.

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.

الشاي الساخن يبرد، والآيس كريم يذوب — فالحرارة تنتقل دائمًا من الدافئ إلى البارد، وقد بدا هذا القانون وكأنه لا يقبل الجدل. لكن في العالم الكمومي، يمكن إعادة كتابة حتى القواعد المألوفة. وضع الفيزيائيون مرنانًا ميكانيكيًا صغيرًا (جسرًا مهتزًا بحجم ميكروب) داخل تجويف بصري بين مرآتين.

المترجم ينشغل بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين. هكذا تقريبًا يزعج الضجيج الحراري النقل الآني الكمومي: تفقد الجسيمات الناقلة تزامنها، ويتلف الرسالة. في العمل الجديد، درس الفيزيائيون ما سيحدث إذا بدأ أحد الطرفين — جهاز الاستقبال المسمى روب — بالتسارع بسرعة، مثل متسابق عند الانطلاق، بينما تبقى المرسلة أليس في مكانها.

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.

في العالم الكمي، هناك رقصته الخاصة. حلقتان فائقتا التوصيل، تحتفظ كل منهما بتدفقها المغناطيسي المُكمَّى، تتمايلان في فالس متزامن. بينهما فراغ، لا خطوط قوة، لكنهما تتبعان حركات بعضهما بدقة. تجسّد هذه الكوريغرافيا العجيبة حلماً قديماً: اختبار إمكانية نقل المعلومات الكمومية دون نقل طاقة، بالاعتماد فقط على الجهد الاتجاهي المتغلغل في كل شيء.

البحث عن الأنيونات غير الأبيلية هو مطاردة شبح كمومي لا يترك سوى دليل واحد: الإنتروبيا. تعيش هذه الجسيمات في أنظمة ثنائية الأبعاد عند درجات حرارة فائقة الانخفاض. تبادلها لا يقتصر على تغيير إشارة الدالة الموجية، بل يُشابك الحالات، خالقاً نظاماً طوبولوجياً.

إنشاء عقدة لشبكة كمومية أشبه بتعليم بهلوان التوازن على حبل كربوني فوق هوة. قدم واحدة يجب أن تنفصل بسهولة عن الحبل، راميةً فوتوناتٍ كرسل إلى العالم الخارجي. والأخرى تتشبث بقوة، خازنةً المعلومات الكمومية الثمينة.

النفق الكمومي — قدرة الجسيمات على عبور حواجز تمنعها الفيزياء الكلاسيكية — يغذي النجوم عبر الاندماج النووي الحراري، ويشعل التخليق النووي البدائي، ويهبنا ذاكرة الفلاش. لكن عندما يتسرب عبر الحاجز ليس فرداً واحداً، بل مجموعة كاملة من الجسيمات، فإن سلوكها يشبه حشداً يحاول الضغط عبر ممر ضيق: التفاعل بينها يغير الصورة جذرياً.

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.

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.

البيانات في الإنترنت تسافر بسرعة الضوء سرعة الضوء عبر الألياف الضوئية. في الشبكات التقليدية، التأخيرات ليست حرجة، لكن الاتصال الكمومي يحتاج إلى تزامن مثالي: يجب أن تصل جسيمات الضوء المحملة بالمعلومات المشفرة إلى الكاشف في نفس اللحظة. المشكلة هي أنها بعد أن تسلك مسارات مختلفة، تفقد التزامن - تمامًا كمكونات طبق يتم إعدادها في أوقات مختلفة وتنتظر بعضها البعض.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث يجب على كل عازف — وهو الكيوبت — أن يعزف دوره بدقة وفي الوقت المناسب. عادةً ما يُجلَس العازفون في أماكن ثابتة وتُربط بينهم أسلاك تشبه منصات القيادة.

ذرة بوتاسيوم وحيدة تدخل سحابة كثيفة من ذرات الصوديوم، مبردة إلى ما يقارب الصفر المطلق. تسمى هذه البيئة مكثف بوز-أينشتاين — إذ تندمج كل الجسيمات فيه في موجة كمية واحدة. كان يمكن توقع أن تلتقط الشائبة جارًا واحدًا فقط وتشكل زوجًا. لكن التجربة أظهرت شيئًا آخر. باستخدام موجات الراديو، استشعر الفيزيائيون مستويات الطاقة في النظام.

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.

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.

التشابك الكمومي شيء هشّ. صديقان يتفرقان في مدينتين مختلفتين، ويحمل كلٌّ منهما صندوقاً يحتوي زوجاً من القفازات: إذا كانت في أحد الصندوقين قفازاً أيسر، ففي الآخر أيمن. تتصرف الجسيمات المتشابكة بشكل مشابه، لكن لا أحد يعرف أيهما في أي مكان قبل القياس. لكن بينما تنتقل، تهتز الصناديق، وتتشوش الحالات الكمومية الرقيقة — ضوضاء القناة تفسد الاتصال. المنهج المعتاد هو تنظيف ما تم استلامه بالفعل.

إذا حملتَ فنجان قهوة بهدوء وثبات عبر الغرفة ثم عدت إلى نفس المكان، فلن يحدث شيء للمشروب. لكن في العالم الكمومي، الأمر مختلف: جسيم يقطع دائرة مماثلة لا يعود كما كان تمامًا. يكتسب "زيادة" خفية — طورًا هندسيًا يسميه الفيزيائيون طور بيري. هذه الإضافة تعتمد فقط على شكل المسار، وليس على زمن الرحلة.

أجهزة الكمبيوتر الكمومية في السحابة تشبه مكتب البريد: ترسل رسالة، ويقرأ شخص آخر العنوان والمحتوى. في الحوسبة التقليدية، يرى الخادم بياناتك وخوارزميتك. أما الحوسبة الكمومية العمياء فهي مغلف لا يمكن فتحه: الخادم يؤدي العمل لكنه لا يعرف ما يفعله بالضبط. بنى المؤلفون نظامًا من شريحتين فائقتين للتوصيل متصلتين وجهًا لوجه.

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.

جسيمان كموميان يتصرفان كزوج من النرد الغريب: يفصل بينهما طرفا الكون، ومع ذلك يظهران نفس النتيجة عند كل قياس. الفيزيائي جون ستيوارت بيل حسب رياضيًا: إذا كانت للجسيمات قواعد خفية — خصائص محددة مسبقًا — فإن تكرار هذه التطابقات سيكون له حد صارم، يُعرف بمتباينة بيل.

ثلاثة أشخاص يجلسون في زوايا غرفة ثلاث. يتلقى كل واحد منهم ظرفًا مختومًا من ساعي غير مرئي — لكن السعاة لا يتواطؤون ولم يلتقوا أبدًا. يفتح الأشخاص الأظرف ويجدون ورقة بكلمة واحدة: «نعم» أو «لا». هم أنفسهم لا يختارون شيئًا — يقرؤون فقط. بعد آلاف الجولات، يتبين أن مجموعات الإجابات تخضع لإحصاءات لا يمكن الحصول عليها دون تواطؤ سري بين السعاة. إلا إذا افترضنا أن الأوراق تؤثر على بعضها البعض فورًا، عبر الغرفة بأكملها.

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.

عقدة الذاكرة الكمومية هي ماسة صغيرة تحتوي على عيب قادر على تخزين وإصدار فوتونات مفردة. لكن ضوءها له طول موجة 637 نانومتر: أحمر مثل الياقوت، ويُمتص بالكامل تقريبًا بعد بضعة أمتار فقط من الألياف البصرية القياسية. للاتصال بعيد المدى، نحتاج إلى «مترجم» يعيد تلوين الفوتون إلى نطاق الاتصالات تحت الأحمر، حيث يكون الزجاج شبه شفاف. جمع العلماء محول تردد مدمجًا داخل الألياف البصرية نفسها.

قطرة كريمة تسقط في فنجان قهوة — وبعد دقيقة يصبح المشروب كله بلون البيج. يمكن قياس عملية الخلط هذه: ما مقدار "التحريك" المطلوب لتحويل توزيع جسيمات إلى آخر؟ في الرياضيات، يُسمى هذا الأسلوب النقل الأمثل (optimal transport)، ومقياس الجهد المبذول هو مسافة فاسرشتاين (Wasserstein distance). طبق مؤلفو الدراسة هذه الفكرة على الأنظمة الكمومية.

بين المغناطيسات هناك أساتذة هادئون في التحول. المغناطيس العادي يجذب المشابك الورقية وله قطان — شمال وجنوب. وهناك مواد مصممة داخليًا مثل رقعة شطرنج مغناطيسية: ذراتها مرتبة بانتظام صارم، لكن خارجيًا تتصرف المادة بشكل محايد، وكأن المغناطيس غير موجود إطلاقًا. تسمى هذه المواد بالمغناطيسات التبادلية (alternmagnets). درس الفيزيائيون 135 مادة من هذا القبيل من قاعدة بيانات مفتوحة.

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.

الضوء هو أسرع رسول، لكنه لا يجيد الانتظار. لكي تتمكن الحواسيب الكمومية من تبادل الرسائل، نحتاج إلى ذاكرة تلتقط الفوتون وتحتفظ به حتى يتفرغ المستلم. في بخار المعدن الدافئ، تندفع الذرات كالنحل في الخلية، وكل حركة منها تفسد التسجيل. ولهذا، يتحول الضوء الذي تمكنا من إيقافه بسرعة إلى فوضى. وجد العلماء طريقة لـ«إرجاع» هذه الفوضى إلى الوراء.