فقدان الترابط الكمومي

لا يزحف المدّ على الشاطئ بجبهة مستوية، بل بألسنة من الزبد تتّحد تارة وتتباعد تارة أخرى. والمجالات المغناطيسية داخل المواد تشبهه في ذلك: إنها تتنفّس على شكل أمواج، ولم يرها أحد من قبل كاملةً. وقد جمع فيزيائيون من برينستون جهازًا يلتقط هذه الأمواج للمرة الأولى بالطريقة التي يلتقط بها الرادار الطائرات، أي أنه يحدّد لا قوة الإشارة فحسب، بل اتجاهها وطولها وسرعتها أيضًا.

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.

في قاعة تضم ألف متفرج، تندمج التصفيقات في ضجيج واحد، لكن بمجرد أن يخرج أحدهم عن الإيقاع، تموج موجة من الاضطراب عبر القاعة. العالم الكمومي مشابه: الذرات المحاصرة قد تتصرف ككل واحد، أو قد تتفرق إلى أفراد مستقلين. لم يكن من السهل رؤية هذا التزامن حتى آخر ذرة — فالمجاهر كانت تُظهر فقط أين تقف الجسيمات، وليس كيف تتناسق اهتزازاتها. الأداة الجديدة تنظر أعمق.

الماء الساخن أحيانًا يتجمد أسرع من الماء الدافئ — هذه الظاهرة المتناقضة تُعرف بتأثير ميمبا. الآن، اكتشفوا شيئًا مشابهًا في الفيزياء الكمومية: حالة ذات تشابك ضعيف (ارتباط كمومي خاص بين الجسيمات، حيث تكون حالاتها مرتبطة بغض النظر عن المسافة) قد تصل إلى الهدف أسرع من حالة ذات تشابك أقوى في البداية.

الحاسوب الكمومي — آلة حسابية تستخدم الحالات الكمومية لمعالجة المعلومات — يشبه ندفة ثلج هشة موضوعة على راحة يد دافئة. أدنى نَفَس من الحرارة أو اهتزاز خفيف يحولها إلى قطرة ماء. ولكي تبقى الندفة على قيد الحياة، يتم تصحيحها باستمرار وإعادة تشكيلها كما كانت.

عيب صغير في بلورة الألماس — مركز النيتروجين-الشاغر، حيث تشكل ذرة نيتروجين وشاغر مجاور (فراغ) نظامًا كموميًا — يعمل كمستشعر فائق الحساسية للمجالات المغناطيسية، مثل ميكروفون حساس يلتقط أدق الاهتزازات. لسماع "همس" الجزيئات الفردية، يوضع المستشعر بالقرب من سطح البلورة.

الفراغ الكمومي ليس فراغًا خاويًا، بل وسط ممتلئ بالتشابك الكمومي: حالات الجسيمات في مناطق بعيدة تكون مترابطة. ومع ذلك، فإن محاولات حساب مقدار هذا التشابك كانت تصطدم باللانهاية. مصدر المشكلة هو جسيمات ذات طاقة منخفضة جدًا، والتي تشبه أمواجًا بلا شواطئ، إذ يمكنها أن «تتمدد» على حجم كبير بشكل تعسفي، مما يجعل مساهمتها في التشابك غير محدودة.

في فجر الزمن، مرّ الكون بلحظة وجيزة من التمدد العنيف — التضخم. تمددت الاهتزازات الكمومية الصغيرة للزمكان إلى مقاييس كونية. هذه الاهتزازات — الاضطرابات الأولية — أصبحت البذور التي نمت منها المجرات والنجوم لاحقًا. العالم الكمومي هشّ: الجسيمات توجد في تراكب من الحالات، مثل عملة تكون في نفس الوقت وجهًا وكتفًا حتى يُنظر إليها.

الأفق الكوني — حافة الكون المرئي الذي يتوسع بتسارع — يشبه خزنة بمؤقت. المعلومات عن كل ما يعبر هذه الحدود لا تختفي، بل تعود بعد تأخير. حسب الفيزيائيون مدة هذا التوقف. بنى العلماء نموذجًا للزمكان المنحني وتتبعوا ولادة زوج من الجسيمات الكمومية: أحدهما يطير بعيدًا والآخر يسقط إلى الداخل.

العالم الكمي يعشق التوازن. عندما يُجبر جسيم ضخم على الانقسام – أي السير في مسارين في وقت واحد – فلا بد أن يتأرجح شيء ما استجابةً لذلك. وهذا «الشيء» هو الجهاز نفسه الذي قام بتقسيم الجسيم. تنشأ الركلة من قانون حفظ الزخم: لا يمكن لعزم ثنائي القطب الكتلي الكلي لنظام الجسيم-الجهاز أن يتغير قفزة واحدة. منصة ثقيلة موضوعة على نوابض لينة.

في البلورات، يأسرنا النظام المكاني المثالي: ذرات مجمدة في عقد الشبكة، كحبات خرز على خيط غير مرئي. لكن ماذا لو تجلت هذه التماثلية في الزمن؟ البلورات الزمنية هي أنظمة تبدأ، دون مؤثر خارجي، بتكرار حالاتها دوريًا، كساعة ملهمة من الطبيعة ذاتها. في عمق هذا الإيقاع الذي لا يكل، يبدو أنه لا مكان للعشوائية.

في العالم المصغر، الضوضاء — التقلبات العشوائية — عادةً ما تدمر الحالات الكمومية الهشة، تمامًا كما تكسر تموجات الماء انعكاس الصورة في بركة ماء. ومع ذلك، في بعض الأنظمة، تولد الضوضاء الجماعية المنسقة لتعدد الجسيمات تأثيرًا معاكسًا: ينشأ تدفق أحادي الاتجاه مستقر.

التضخم هو التوسع السريع للكون الوليد، عندما تمددت التقلبات الكمومية إلى مقاييس كونية. إشعاع الخلفية الكونية — الضوء المتحجر لتلك الحقبة، ظلال على جدار كهفنا الكوني. كان آلان غوث قد أدرك أن التضخم يحل ألغاز الانفجار العظيم، بينما قدم لنا إدوين هابل المفتاح — قانون التوسع.

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.

النواة الذرية أشبه بحافلة مزدحمة. لتوفير مساحة، تخرج مجموعة من بروتونين ونيوترونين - نواة الهيليوم، أي جسيم ألفا - عبر الباب الأمامي: هذا هو اضمحلال ألفا، الذي وصفه جورج غامو بأنه نفق عبر حاجز الطاقة.

يتجمد الماء العادي بشكل متوقع: كلما كان أبرد، تحول إلى جليد أسرع. ومع ذلك، في بعض الأحيان يتجمد الماء الساخن بشكل أسرع من البارد — وهذه مفارقة تُعرف بتأثير ميمبا.

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.

يمكن تشبيه البتات الكمومية — الكيوبتات — بموسيقى هشة تُعزف وسط ورشة صاخبة. فالمجالات المغناطيسية، التي لا يمكن تجنبها في البيئة المحيطة، تعمل باستمرار على "إسكات" حالتها الكمومية، محولة الإشارة المنتظمة إلى نشاز.

تستخدم البطاريات الكمومية التأثيرات الكمومية لتجاوز الحدود التي تواجهها الأجهزة التقليدية والمرتبطة بـ الإنتروبيا — أي مقياس الفوضى وفقدان الطاقة. يمكن تشبيه ذلك بدلوٍ تحت تيار ماء قوي: يمتلئ بسرعة هائلة. لكنّ الدلو مثقوب: فالبيئة المحيطة تمتص الطاقة باستمرار. أدرك العلماء أنه بدلاً من سد الثقوب، يمكن جعل الماء غير مرئي لها.

دوامة القهوة يمكن أن تشغل نقطتين في فنجان — ضبابية من سائل دوّار. تتصرف الجسيمات الكمومية بشكل مشابه: دوامة في الزمكان حيث تتواجد في مكانين في آنٍ واحد. لكن الجاذبية تعمل كالملعقة التي تحرك نسيج المكان والزمان. كتلة الجسيم تولد تموجات صغيرة — موجات جاذبية — تستنزف طاقة الدوامة.

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.

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.

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.

تعد الحواسيب الكمومية بحل مشاكل لا تستطيع الحواسيب العادية حلها. لكن مكوناتها — البتات الكمومية — حساسة للغاية. أحد أنواع هذه البتات هو دارة تذبذبية يمكن أن تتواجد في حالتين، مثل بندول يتأرجح يسارًا أو يمينًا. وهاتان الحالتان تخزنان المعلومات. ومع ذلك، عندما تعمل عدة بتات بجانب بعضها البعض، فإنها تبدأ في التأثير على بعضها البعض.

الضوء الذي تبعثه الذرة ليس مجرد وميض. إنه يحمل بصمة الحالة التي كانت عليها الذرة لحظة الانبعاث. أخذ الفيزيائيون كيوبتًا فائق التوصيل — ذرة اصطناعية بحجم رقاقة إلكترونية — وجعلوه يضيء في دليل موجي مفتوح، مثل مصباح في ممر طويل. ثم التقطوا كل فوتون وراقبوا كيف يتغير طوره.

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.

البت الكمومي العادي ينهار من أقل تأثير — حرارة، مجال مغناطيسي. استخدم الفيزيائيون ذرتين تعملان بحيث لا تمحو الفوضى التسجيل. لم تُشفّر المعلومات في كل ذرة على حدة، بل في الفرق بين حالتيهما — مثل شد حبل بين عوامتين. أي تشويش يهز العوامتين معاً، لذا تظل المسافة بينهما ثابتة. باستخدام تتبع ليزري دقيق تابع العلماء هذا الفرق.

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.

عادةً ما يكون التيار الكهربائي متساوياً في كلا الاتجاهين، كالماء في أنبوب مستقيم. ولكن عند الحد الفاصل بين معدن عادي وموصل فائق، تنكسر هذه القاعدة. موجتان على الماء، عند التفافهما حول عائق عريض من جانبين مختلفين، قد تصلان بتأخير مختلف وتلتقيان 'خارج التزامن'. بنفس الطريقة، تتصرف الإلكترونات ونظيراتها المرآتية – الفجوات – داخل منطقة التلامس.

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.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا، حيث كل كيوبت هو عازف يؤدي دوره. لكن بين الحين والآخر يقتحم القاعة شعاع كوني، فيجفل عازف الكمان ويخرج عن الإيقاع. هذه الجسيمات القادمة من أعماق الفضاء تخترق الرقاقة، وتطلق إلكترونات زائدة، وتفسد الموسيقى الكمومية الهشّة. لمواجهة هذه الاضطرابات، بنى الفيزيائيون منصة اختبار خاصة.

عادةً ما يستغرق الشاي الساخن وقتًا أطول ليبرد مقارنةً بالشاي الفاتر، لكن الماء يكسر هذه القاعدة أحيانًا: ففي ستينيات القرن الماضي، لاحظ التلميذ إراستو مبيمبا أن المثلجات الساخنة تتجمد أسرع من الباردة. انتقلت هذه المفارقة إلى العالم الكمومي: إذ يمكن لمجموعة من الجسيمات أن تهدأ بسرعة أكبر إذا كانت في البداية أكثر إثارة.

استخدم الفيزيائيون حاسوبًا كموميًا من نوع ريتشارد فاينمان — جهازًا يتعامل مع البتات الكمومية (qubits) بدلًا من البتات التقليدية — لتتبع 28 قمة دوارة كمومية. هذا هو الاسم المجازي للجسيمات التي تمتلك دورانًا مغزليًا (spin) — عزم دوران ذاتي، خاصية أساسية مثل الشحنة.

في العالم الكمي يوجد حظر أساسي: من المستحيل إنشاء نسخة طبق الأصل من حالة كمية غير معروفة. هذا المبدأ، المعروف باسم نظرية منع الاستنساخ (no-cloning theorem)، تم إثباته بدقة من قبل ويليام ووترز و فويتشخ زوريك في عام 1982. لاحقًا، حول تشارلز بينيت هذا الحظر النظري إلى أداة عملية لحماية المعلومات.

الكيوبت، وهو خلية الحوسبة في الحاسوب الكمومي، يعيش لجزء من الألف من الثانية ثم ينسى حالته. أحد الأسباب هو وصلة صغيرة بداخله: طبقتان من الألومنيوم بينهما طبقة من أكسيد الألومنيوم بسمك نانومترين. تُسمى هذه الشطيرة وصلة جوزيفسون (Josephson junction)، ومن خلالها يتدفق تيار فائق التوصيل دون مقاومة.

المعلومات الكمومية هشّة: فأدنى ضجيج يمكن أن يدمرها. لذلك ابتُكرت طريقتان للحماية. الأولى هي الفصل الديناميكي: تُرسل نبضات سريعة إلى الكيوبتات تعمل على متوسط الضجيج حتى يصل إلى الصفر. هذا يشبه هز صندوق يحتوي على أشياء قابلة للكسر لمنعها من الاصطدام بالجدران.

ضوء الشمس تيارٌ هائج يحمل أزواجًا لا تنفصل من القطرات. هكذا يبدو التشابك الكمي: جسيمان مرتبطان بشدة لدرجة أن اهتزاز أحدهما ينعكس فورًا في الآخر. في السابق، كان إنتاج هذه الأزواج يتطلب ’بركة هادئة‘ – شعاع ليزر مضبوط بدقة.

على مصادم الهادرونات الكبير، بتسريع الجسيمات إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء، تُنتج الكواركات القمية — أثقل لبنات النموذج المعياري. تعيش لجزء ضئيل من الثانية، لكنها تتمكن من إظهار ترابطات كمومية معقدة. هذه الترابطات تشبه مستويات التناغم في فرقة موسيقية.

في الدوائر فائقة التوصيل التي تُبنى منها الحواسيب الكمومية، تولد من وقت لآخر جسيمات زائدة — جسيمات شبه كمومية (quasiparticles). تشبه هذه الجسيمات المارة العشوائيين الذين يقتحمون عمل المعالج ويفسدون الحسابات. تعلم العلماء التقاط هذه الأحداث في الزمن الحقيقي على كيوبتين متجاورين — عنصرين فائقَي التوصيل حساسين للشحنة.

تخيّل سطح بحيرة هادئًا الماء: أدنى تموج يطمس إدراك العمق. في المستشعرات الكمومية، تلعب الضوضاء دور هذا التموج — تقلبات عشوائية تولّد الإنتروبيا (مقياس الاضطراب) وتقلل الدقة. اكتشف الفيزيائيون مسارًا ذكيًا: استخدام التراكب الكمومي لترتيب الأحداث.