العشوائية

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 العالم الكمومي، تصبح الحقيقة موضوعية عندما تُطبع قيمتها في أجزاء مستقلة متعددة من المحيط — مثل إعلان يُلصق على مئات اللوحات في جميع أنحاء المدينة. كل نسخة بحد ذاتها لا تضيف معلومات جديدة، لكنها تغير قواعد اللعبة لمن يحاول محو هذه المعلومات. درس مؤلفو العمل سحابة من سجلات الإنتروبيا — مقياس عدم اليقين أو الفوضى في النظام — وقسموها إلى كتل لا يمكن التحكم بها بشكل مشترك.

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.

خدمة سحابية تصدر أوامر إلى سرب من الطائرات المسيرة دون أن تعرف شيئاً عن تحركاتها. الإشارات مشفرة، ولكن كل مناورة تترك أثراً خفيفاً في الشيفرة — مثل الحبر الذي يتسرب عبر الورقة من ضغط القلم. مع مرور الزمن، تتراكم هذه بقع الحبر لتشكل نمطاً، وتصبح البيانات المخفية عن الأعين غير سرية بعد ذلك. يشبّه الباحثون هذه المواجهة بلعبة صبر.

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.

اختيار شريحة معطوبة واحدة من بين مليون، دون أي فكرة مسبقة عن شكل العيب، هو تحدٍ كلاسيكي يشبه البحث عن إبرة في كومة قش. يختبر الحاسوب التقليدي كل شريحة واحدة تلو الأخرى. أما الحاسوب الكمومي فيعمل مثل مصفاة ذاتية الضبط: تصب الدفعة الكاملة، ولا تظهر إلا الشوائب النادرة المعطوبة - دون الحاجة إلى وصف مسبق.

تخيل مكتبة لا تحتوي على كتب، بل على جميع التركيبات الممكنة لعشرات الجسيمات الكمومية. عدد هذه التركيبات يتضاعف ككرة الثلج: أضف جسيمًا واحدًا فيتضاعف الحجم. لخمسين جسيمًا، عدد الأرفف يتجاوز عدد الذرات في الكون المرئي. كان يُعتقد سابقًا أن البحث في هذه الفوضى عن حالات مناسبة للقياسات فائقة الدقة هو بمثابة الفوز باليانصيب.

العالم الكمومي تعتريه لاحتمالات أساسية: على سبيل المثال، مبدأ اللايقين لهايزنبرغ يمنع القياس المتزامن الدقيق لموضع جسيم وزخمه.

عادةً ما يُرسم عالم الكم بنقاط، لكن الأجهزة الحقيقية لا ترى سوى بقع ضبابية. لطالما شك هايزنبرغ و فون نويمان في أن الدقة غير قابلة للتحقيق. تقترح النظرية الجديدة التفكير في الحالات على أنها «قطرات كم» – مناطق من القيم الممكنة، مثل قطرة ماء تحت المجهر ذات حدود غير واضحة.

ارمِ حجرًا في بركة ماء — ستنتشر دوائر على سطح الماء. وإذا رميت حجرين متجاورين، ستتقاطع الدوائر مكوّنة نمطًا من موجات معززة وأخرى مطفأة. هذا هو التداخل (interference). في العالم الكمومي، تلعب موجات الاحتمال دور هذه الدوائر، وتُسمى قدرة الجسيم على إحداث التداخل بالترابط (coherence).

في فيزياء الجسيمات الأولية، من المعتاد منذ زمن طويل اعتبار أن قوى الطبيعة — الكهرومغناطيسية، والتفاعل الضعيف، والتفاعل القوي — تخضع لتناظر صارم يسمى التناظر المعياري (gauge symmetry). إنه بمثابة مجموعة قواعد تتبادل بها الجسيمات ناقلات القوى. ولكن من أين تأتي القواعد نفسها؟ عادةً ما تُدخل يدويًا، ثم يُتحقق من أن كل شيء متسق.

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.

يشبه التشابك الكمومي شبكة عنكبوت غير مرئية تربط الجسيمات حتى لو كانت متباعدة جدًا عن بعضها البعض. في الأنظمة الكبيرة — مثل قطعة من مادة — يمكن لهذه الشبكة إما أن تنسج بسرعة حول جميع الذرات، أو أن تتشابك في كتلة وتبقى في مكانها. الحالة الأولى تسمى الفوضى الكمومية (quantum chaos)، والثانية تسمى التموضع (localization). فهم متى ولماذا يحدث الانتقال من حالة إلى أخرى أمر مهم لتطوير مواد جديدة وأجهزة كمبيوتر كمومية.

الجرس بعد الضربة يطن بصوت يخفت أكثر فأكثر. رنينه يتلاشى بنعومة، مثل الأمواج على الماء بعد رمي حجر. تقريبًا هكذا يتصرف الثقب الأسود بعد اصطدامه بثقب آخر: إنه يهتز، وهذه الاهتزازات — الموجات الثقالية — تنطلق في الفضاء وتضعف تدريجيًا.

الليزر الذي عادةً ما يعطي شعاعًا ثابتًا، يبدأ قرب عتبة التوليد (lasing threshold) بالاهتزاز مثل وتر آلة موسيقية قبل أن يصدر صوته. هذه الاهتزازات ليست عيبًا، بل هي ضجيج كمومي: الذرات داخل الليزر تُصدر الضوء بشكل عشوائي دون أي سبب خارجي.

تضرب شعاع الليزر غشاءً من الذهب والفضة لبضع نانوثوانٍ فقط — خلال هذا الوقت يقطع الضوء مسافة أقل من متر. عند نقطة الاصطدام، يغلي المعدن ويتناثر ويتجمد في نمط عشوائي من جسيمات صغيرة. كل نمط من هذه الأنماط فريد مثل الشقوق على الجليد أو أغصان الأشجار. لا يمكن تكراره عمدًا: أدنى اهتزاز في الشعاع أو ذرة غبار تغيّر الصورة.

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.

رمي عملة معدنية يبدو عشوائيًا، لكن في الحقيقة الفيزياء هي التي تحسم الأمر: قوة الرمية، مقاومة الهواء، مرونة السطح. إذا عرفنا كل التفاصيل، يمكن توقع النتيجة. العشوائية الحقيقية أعمق من ذلك، إنها في العالم الكمومي. هناك، لا يمتلك الجسيم حالة محددة حتى نقيسه، ونتيجة القياس يستحيل توقعها مسبقًا.

قطعة النقد المقلوبة هي أبسط مولّد للعشوائية. لكن إذا عُدّلت القطعة، فإنها تبدأ بالغش. في العالم الكمومي، يلعب الضوء دور القطعة: فخصائصه غير قابلة للتنبؤ من حيث المبدأ. المشكلة أن الجهاز الذي «يقلب» القطعة الكمومية قد يكون معطوبًا أو حتى مستبدلًا من قبل مخرب. بَنى مؤلفو الدراسة مولّدًا لا يتطلب ثقة كاملة في مكوناته. يكفي فقط تقييد طاقة الحالات الضوئية المنبعثة — كما لو كنا نراقب ألا تكون القطعة ثقيلة جدًا.

تنقل الألياف البصرية الضوء، لكنه يهتز ويخفت على طول الطريق. ولكي يحصل الطرفان على نفس المجموعة العشوائية من الأرقام للتشفير، يعمل في جهاز الاستقبال مصحح رقمي — مثل مانع الضوضاء في سماعات الرأس الذي يطرح ضجيج الشارع، لكنه أحيانًا يبتلع معه النغمات الهادئة من الموسيقى. في توزيع المفاتيح الكمومية، هذا المصحح هو خوارزمية ديناميكية: فهو يتكيف باستمرار مع الظروف المتغيرة للقناة.

العالم الكمومي مليء بالمفاجآت: حتى مجرد ملاحظة جسيم يغيّر سلوكه. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن القياس المستمر للطاقة يمكن أن يجعل الفوضى الكمومية أكثر وضوحًا. استخدموا كمية تُظهر كم تبقى الحالة الكمومية مشابهة لنفسها عند تكرار القياسات. بندول يتأرجح بشكل فوضوي، وأنت تراقبه وتقيس طاقته باستمرار.

وفقًا للقوانين الأساسية للفيزياء، لا يمكن لأي شيء أن يتحرك أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. إذا وُجدت إشارة أسرع من الضوء، فإنها ستصل لدى بعض المراقبين قبل أن تُرسل — فتسبق النتيجة السبب. درس الفيزيائيان آرثر إيكرت وأندريه دراغان هذا الموقف الافتراضي واكتشفا أنه يولّد عدم يقين يذكرنا بشكل مذهل بعدم اليقين الكمومي.

على الطاولة حفنة من مغناطيسات دائرية. ما دامت لا تُلمس، تبقى مبعثرة كما هي. لكن بمجرد تمرير نبضة تيار قصيرة عبرها، ينقلب كل قرص: يتبادل القطب الشمالي مكانه مع الجنوبي. وفي أثناء ذلك، تدفع الأقراص المتجاورة بعضها بحقولها، مثل أشخاص في طابور مزدحم، فتترتب الحفنة كلها في نمط يعتمد على الجهة التي هبت منها الرياح المغناطيسية ومدى دفء الجو.

يمكن تقطيع النبضة الضوئية إلى نوافذ زمنية قصيرة، مثلما يُقسَّم القطار إلى عربات. إذا وُلد فوتونان معًا وكانت عربتاهما مرتبطتين ارتباطًا صارمًا — وصول أحدهما إلى نافذة معينة يضمن أن الثاني وصل إلى النافذة المقابلة — فإن هذا الارتباط يُسمى تشابكًا زمنيًا. هذا التشابك لا يخشى القناة الباهتة: حتى عندما تُفقد بعض النبضات، تحتفظ الأزواج المتبقية بترابطها.

الحاسوب الكمومي كالطبق الفاخر. هناك وصفات للمطبخ العادي، ولكن الحالات الكمومية الخاصة هي المكونات السرية التي تحوّل الطبق إلى تحفة فنية. أحد هذه المكونات هو «السحر». وقد صاغ المصطلح جون بريسكيل في عام 2018. يمكن أن يكون السحر محليًا — حيث يمكن إزالته بتغيير المكونات — وغير محلي، وهو كالصلصة التي تتخلل الطبق بأكمله وتحافظ على النكهة مهما فعلت بالأجزاء.

الجسيم الكمومي الجسيم الكمومي قادر على إظهار حركة عكسية حتى لو كان اتجاهه العام إلى الأمام. تخيل نهرًا: التيار الرئيسي يندفع نحو المصب، لكن بعض التيارات الفرعية تلتف فجأة وتندفع للحظة ضد التيار، مما يولد اضطرابًا محليًا.

تعتمد البروتوكولات التشفيرية الحديثة بشكل حاسم على توليد أعداد عشوائية حقيقية. ومع ذلك، فإن مصادر الإنتروبيا القياسية قد تكون معرضة للخطر — إما بسبب عيوب داخلية أو نتيجة هجوم متعمد.

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.

في قاعة حفلات فارغة، يعزف عازفان مقطوعة واحدة. أولًا الكمان، ثم التشيلو، أو العكس. هكذا كان الأمر دائمًا: لكل نغمة مكانها في الزمن، "قبل" و"بعد" خاصان بها. لكن ماذا لو استطاعت الأوركسترا أن تعزف النسختين معًا، في تراكب كمومي لترتيبين؟ هذا بالضبط ما ترسمه ميكانيكا الكم، والآن لديها تأكيد تجريبي. في تجربة أُجريت في نانجينغ، لعب الفوتونات دور العازفين: جسيمات الضوء.

اضرب جرسًا — وسيذوب الصوت طبقات: يبقى الدمدمة المنخفضة أطول، تختفي النغمات العليا أولاً، تاركة وراءها صمتًا. هكذا الكيوبت، وهو يعيش حياته الكمومية، لا يترك صدى واحدًا، بل ثلاثة أصداء من ماضيه. أسماؤها — اللاماكروواقعية، التحكم الزمني، وعدم القابلية للفصل الزمني — تبدو معقدة، لكن جوهرها بسيط: إنها ثلاثة أوجه لكيفية تذكر النظام الكمومي لحالته قبل لحظة.

السير الكمومي ليس خطوات عشوائية، بل مقطوعة موسيقية حيث يرن بيانو الفضاء تحت عصا قائد الحالة الداخلية. تضبط العملة النغمة. حتى الآن، كان يُعتقد أن المفاتيح الناشزة (اضطراب الطور) تخمد أي لحن، مؤدية إلى توضع أندرسون — صمت رنان. لكن المحاكاة التقطت البوميرانج الكمومي: الحزمة الموجية، تمامًا كلحن الفوغا، تذهب في تنافرات، ثم يعيدها الصدى منقولة — إلى الطرف الآخر.