حالة قطة شرودنغر

عند درجات حرارة منخفضة، تصبح العديد من المواد موصلات فائقة — حيث يتدفق التيار الكهربائي دون مقاومة. ولكن كيف ينشأ هذا السلوك إذا كانت الإلكترونات محبوسة في البداية في عازل؟ قبل نصف قرن، افترض فيليب أندرسون أن الإجابة تكمن في رقصة كمومية خاصة للجسيمات.

في قاعة صاخبة، يحاول مترجم التقاط كل كلمة، لكن الحفيف والصدى يشوشان المعنى. هكذا تقريبًا تحسب الطرق الحاسوبية التقليدية الأنظمة الكمومية المعقدة: كلما زاد عدد الجسيمات وقويت ارتباطاتها، زادت سرعة غرق الحسابات في الضوضاء. اقترحت مجموعة من الفيزيائيين نهجًا جديدًا — "مولّد شرودنغر". فهو لا يكتفي بالاستماع، بل يتعلم تفكيك التداخلات المتقاطعة، مستخرجًا الإشارة النقية.

وصلة جوزيفسون هي جسر من مادة فائقة التوصيل يفصل بين طرفيه طبقة عازلة رقيقة جدًا. يمر عبره تيار حتى في غياب الجهد الكهربائي. لكن عندما يصبح التيار كبيرًا جدًا، يبدأ الجسر في التذبذب، وتظهر على منحنى الجهد درجات منتظمة — درجات شابيرو. بين هذه الدرجات تختبئ فجوات غير مرئية حيث يتصرف النظام بشكل غريب. في السابق، كان يُنظر إليها على أنها مجرد فضول رياضي. مؤلفو الدراسة كشفوا في هذا الفضول ارتباطًا عميقًا.

أفق الثقب الأسود ليس جدارًا، بل هو أشبه بغشاء أحادي الاتجاه. كل ما يعبره يختفي إلى الأبد. أظهر ستيفن هوكينج أن هذه الحدود يجب أن تتوهج بشكل خافت، مُصدرةً جسيمات. لكن التقاط هذا التوهج من ثقب أسود حقيقي مستحيل — فهو بعيد جدًا وخافت جدًا. وجد الفيزيائيون طريقًا ملتويًا: بناء ثقب أسود «لعبة» من ذرات مغناطيسية.

تخيّل أنك تحاول تصوير أجنحة طائر طنّان بكاميرا عادية — لن تحصل إلا على بقعة ضبابية. للحصول على صورة واضحة، تُلتقط لقطات سريعة متعددة من زوايا مختلفة ثم تُدمج في صورة واحدة. مبدأ مشابه يقوم عليه التصوير المقطعي الكمومي (quantum tomography): يعيد العلماء بناء الحالة الكمومية لجسم ما بدمج العديد من «اللقطات» — نتائج القياسات. في المختبر، يتم ذلك عبر «جسّ» اهتزازات مرآة صغيرة جدًا بشعاع ليزر.

القطة الكمومية هي حالة خاصة من الضوء، اقترح فكرتها إرفين شرودنغر في تجربته الفكرية الشهيرة. هنا، تتصرف الفوتونات مثل عملة تدور، يراها الراصد في الوقت نفسه على وجهها وظهرها — وهذا تشبيه واضح لـالتراكب الكمومي، حيث يكون النظام في حالتين متناقضتين في آن واحد.

المغناطيس العادي يشبه البوصلة: الإبرة تشير إلى الشمال. لكن البوصلة الكمومية قادرة على النظر في كلا الاتجاهين في وقت واحد. إذا تم تدوير مغناطيس عائم في الفراغ بحذر، فإن إلكتروناته التي تشبه 'الدوامات' تتزامن بحيث تبدأ قطعة المعدن بأكملها بالعيش وفق قوانين العالم الصغير - تستقر في حالة تراكب، كمؤشر منقسم.

حتى في حالة السكون التام، تصدر الذرات ضوضاء خافتة — وهي ارتجافة كمومية حتمية، تنبأ بها الجدل الشهير بين أينشتاين وبور. هذه الضوضاء، التي تشبه همسًا لا ينقطع، تعمل على تشويش أهداب التداخل الناشئة عند مرور الذرات عبر شق، وكان يُعتقد لفترة طويلة أن تجاوز هذا الحد الأساسي أمر مستحيل.

سلسلة طويلة من الذرات، وكل ذرة عبارة عن مغناطيس صغير. تتحاور هذه المغناطيسات مع بعضها البعض ومع المجال الخارجي، مثل موسيقيين في أوركسترا يسمعون قائد الأوركسترا وجيرانهم في آن واحد. عندما يتغير المجال الخارجي، إما أن تعزف الأوركسترا بشكل غير منسجم، أو تدخل جميع الآلات في تناغم تام — وهذا هو الانتقال الكمومي. عادةً ما يكون هذا الانتقال سلسًا، مثل زيادة تدريجية في شدة الصوت.

اقترح الفيزيائيون تجربة: يؤدي فيها شعاع الليزر دور كاشف كمومي وينقسم إلى شعاعين - أذنين. تُوجَّه كل أذن عبر غيمة صغيرة من الذرات فائقة البرودة - في هذه الحالة، تندمج الذرات في موجة واحدة. الغيمتان متباعدتان، بحيث يصبح الكاشف في حالة تراكب - وكأنه يستمع إلى الحقل من موقعين في آنٍ واحد.

أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص، ومعاً يصنعون لحناً معقداً — هكذا تبدو سحابة ذرية تدور سبيناتها (لفاتها الذاتية، مثل قمم دوارة صغيرة) بشكل متزامن. عادةً، تتصرف هذه القمم الدوارة باستقلالية. لكن بمجرد وضعها بين مرآتين وإضاءتها، يحدث أمر مدهش: يبدأ الضوء والذرات في «الغناء» بتناغم، متشابكين مع بعضهما البعض.

في ملعب كرة القدم، تنشأ مشاعر الجمهور من أحاديث المشجعين الأفراد. لو كان باستطاعة المزاج أن يكون فرحًا وحزينًا في آنٍ واحد، لتشكل تراكب كمومي. لكن همسات آلاف الأصوات تُحيل هذا المزيج فورًا إلى حالة واحدة محددة.

تنقسم قطعة ألماس نانوية ثقيلة في جهاز تداخل كمومي إلى قسمين، ساحبة على نفسها واقعين. جاذبيتها - الضئيلة وشبه الملموسة - تثير الحقل الكمومي للفراغ، فتتولد سحب مترابطة من الجرافيتونات. هذه ظلال الجاذبية التي تلقيها كل موضع من مواضع الكتلة. أما للأجسام الخفيفة، فالظلال تكاد تنصهر معًا - حيث يقترب التباين من الواحد، والعالم لا يزال لم يتشظَّ إلى فروع مستقلة.

يغلي قدر من الماء، وتبدأ الجزيئات في رقصة فوضوية. لا يمكن إيقاف هذه اللحظة أو تجميد الرقصة، لكن في العالم الكمومي يوجد طريق ملتوي: يمكن إنشاء "توأم" للنظام يحمل كل المعلومات عن حالته الحرارية. يُطلق على هذا التوأم اسم الحالة الحرارية الميدانية — حيث يتشابك نسختان من النظام بحيث يكشف القياس في إحداهما فورًا عن الأخرى.

الحاسوب الكمومي يشبه أوركسترا يعزف فيها كل موسيقي دوره الخاص. إذا أخطأ قائد الأوركسترا، تتدمر الموسيقى. في المحاكاة الكمومية الرقمية، يقوم قائد الأوركسترا بدور تسلسل العمليات البسيطة، وتتراكم الأخطاء مثل النغمات الخاطئة. لكن في بعض الأحيان تعزف الأوركسترا بشكل نقي حتى لو لم يكن قائدها مثاليًا. وجد مؤلفو المقالة تفسيرًا لهذا الحظ.

شعاع الليزر، عند مروره عبر بلورة غير خطية قادرة على مضاعفة تردد الضوء (محولة، مثلاً، الأحمر إلى الأزرق)، ينتقل تلقائيًا إلى حالة «قطة شرودنغر» — تراكبًا كموميًا لحالتين قابلتين للتمييز عيانيًا. إرفين شرودنغر اقترح هذه المفارقة في الأصل لذرة منفردة، لكن الفيزيائيين الآن يرصدونها لتدفق كامل من الفوتونات.

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.

بموجب قوانين الكم، يمكن لقطّ شرودنغر أن يكون حيًا وميتًا في الوقت نفسه. لكن هذه الحيلة لا تنجح مع جسم كالطاولة. فعندما يحاول جسم ضخم التواجد في مكانين، تؤدي كتلته إلى انحناء الفضاء بقوة شديدة لدرجة أنه بدلاً من نقطتين تنشأ هوّة عميقة واحدة — وينزلق إليها الجسم. الأمر أشبه بحجر ثقيل على قمة جبلية: أقل هبة ريح كفيلة بإسقاطه في الوادي الوحيد.

في العالم الميكروي، هناك ضوضاء دائمًا. حتى في الفراغ التام، ثمة شيء يرتجف، وهذه التذبذبات الكمومية تعيق القياسات الدقيقة. لكن يمكن «ضغط» الضوضاء، مثل بالون منفوخ: إذا ضُغط من الجوانب، يصبح أحد الجوانب أرق، بينما ينتفخ الآخر. هكذا فإن مبدأ عدم اليقين الذي اكتشفه هايزنبرغ لا يختفي، بل يُعاد توزيعه.

الفوتون يشبه مركبة في موقف متعدد الطوابق، حيث يمثل كل طابق تردده (لونه). عادةً ما يعلق في طابق واحد، لكن العلماء أضافوا مصعدًا — مُعدِّلًا قابلًا للبرمجة ينقل الفوتون بين الطوابق حسب الأوامر. يخلق هذا المصعد روابط بين الترددات، محولًا إياها إلى ما يشبه شبكة اصطناعية، تُذكّر بطريقة دراسة الضوء بتحليل تردداته — المطيافية.

البندول يتأرجح يمينًا ويسارًا في نفس الوقت. هذه الحالة "المزدوجة" في عالم الذرات تُسمى قطة شرودنغر: الجسيم يعيش في حالتين مختلفتين في آن واحد، مثل القطة في التجربة الفكرية — حية وميتة في نفس الوقت. وجد العلماء طريقة لتجميع مثل هذه الحالات من عدد كبير من الذرات باستخدام نبضات ضوئية قصيرة. تعمل النبضات بسرعة على "تدوير" و"سحق" سحابة الذرات، كما يخفق الطباخ العجين بحركات سريعة بالمضرب.

الضوء المحبوس في تجويف صغير يشبه بندولًا يُدفع بقوة متزايدة. في البداية يتأرجح بنعومة وانتظام، كساعة تقليدية. لكن إذا هززناه بقوة كافية، تصبح الحركة غريبة: يبدو البندول وكأنه في نقطتين متطرفتين في آن واحد. هكذا هي الفوتونات في مرنان غير خطي: عند الإثارة الضعيفة تتصرف كموجة كلاسيكية، وعند الإثارة القوية تمتزج حالتان مختلفتان. وجد مؤلفو العمل أن هناك منطقة خاصة بين هذين الطرفين.

قطة شرودنغر عادة ما تختبئ في التجارب الفكرية — حية وميتة في آن واحد. لكن هذه المرة تم التقاطها في المختبر: جُعلت نبضة ضوئية في حالتين متعارضتين في الوقت نفسه، مثل عملة معلقة في الهواء بين الوجه والكتابة معًا. لتحقيق ذلك، أُخذ فوتونان مفردان — جسيمات ضوء يمكن عدّها واحدة واحدة، مثل التفاح في سلة. كان أحدهما «مفردًا» والآخر «مزدوجًا».

مكعبات الثلج في الكأس تذوب، والماء يختلط من تلقاء نفسه. هكذا تتصرف العديد من الأنظمة الكمومية: تتبادل الجسيمات الطاقة، وبعد فترة يختفي النظام. ولكن إذا أضفت ملعقة من العسل إلى الكأس، يتباطأ الاختلاط، ومع البرد الشديد يتجمد الماء إلى زجاج — دون شبكة بلورية، ولكن أيضًا دون سيولة.

في عالم الذرات، أي تأثير خارجي يمكن أن يحول النظام المتناسق إلى فوضى. عادةً، تزيد خسائر الطاقة فقط من الإنتروبيا — مقياس الفوضى. لكن الفيزيائيين اكتشفوا العكس: أحيانًا تساعد الخسائر النظام على الحفاظ على استقراره. يشبه الأمر رقصة معقدة حيث يكون الشركاء مرتبطين بشدة لدرجة أن أي انحراف عارض من أحدهم يُعوّض فورًا من قبل الآخرين.

يمكن للجسيم الكمومي أن يتواجد في مكانين في آن واحد، لكن الأجسام الكبيرة لا تفعل ذلك أبدًا. هل السبب هو التشويشات التي تحول النظام إلى فوضى وتزيد من الإنتروبيا؟ أم أن الطبيعة نفسها تمنع العالم الكبير من القيام بحيل كمومية؟ تفترض إحدى النظريات أن «التشوش» الكمومي يختفي تلقائيًا، ويزداد اختفاؤه سرعة كلما زادت كتلة الجسم.

استعارة لمجموعة كمومية قياسية: مئة وعشرون موسيقيًا يعزفون بتناغم بحيث أن أدنى نشاز يفسد الانسجام. قام الفيزيائيون لأول مرة بتشابك 120 كيوبت فائق التوصيل — هي عناصر حاسوب المستقبل، تعمل فقط عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق، وتشبه هوائيات مصغرة يمكن رؤيتها بالعين المجردة.

في المختبر، عادةً ما يدق الزمن على الحائط: عقارب، أرقام، معيار تردد. لكن بالنسبة للكون لا توجد ساعات خارجية. معادلة ويلر-ديويت (Wheeler-DeWitt)، القانون الرئيسي للجاذبية الكمية، لا تتضمن الزمن إطلاقًا، وجميع النظريات الأساسية لا تملك سهم زمن مدمجًا.

يهتز الرنان بتردد 100 ميغاهرتز، بينما يكون التخميد الميكانيكي له 15 هرتز فقط. هذا يشبه جرسًا يظل يرن لآلاف السنين بعد ضربة واحدة. وبجانبه يوجد كويبت، وهو عنصر كمومي ثنائي المستوى، يتلاشى خلال ميلي ثانية. هذا التباين في الأعمار هو الذي يفتح الباب أمام قط شرودنغر. المترجم الفوري ينشغل بكل حفيف في القاعة، فتتحول ساعة الاجتماع إلى ساعتين.