تشابك ثلاثة فوتونات

كعكة طبقات من ثنائي كبريتيد الموليبدينوم MoS2 موضوعة على طاولة المختبر. تُحضَّر بالطريقة المألوفة: شريط لاصق يزيل الطبقات العليا للحصول على عينة رقيقة. لكن تحت الشريط تبقى فجوة غير مرئية، حيث لم تعد الطوابق الذرية ملتصقة ببعضها البعض. هناك تحديدًا تبدأ الإلكترونات في التصرف بشكل مختلف عن سلوكها في عمق البلورة.

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.

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.

الأنظمة الكمومية المكونة من العديد من الجسيمات هي أساس أجهزة الكمبيوتر الكمومية المستقبلية وشبكات الاتصالات الآمنة. ومع ذلك، مع زيادة عدد الجسيمات، يزداد تعقيد وصفها بشكل أسي: عدد الحالات المحتملة للنظام يتزايد بشكل هائل. الطريقة التقليدية — القياس الكامل لجميع المعلمات — تتطلب وقتًا هائلاً.

في غشاء رقيق من البيروفسكايت — وهي مادة واعدة للخلايا الشمسية الرخيصة — يولد الضوء أزواجًا من الشحنات: إلكترون سالب الشحنة و«ثقب» موجب الشحنة (فجوة إلكترون في الشبكة البلورية تتصرف كجسيم). عليهما الوصول إلى الأقطاب الكهربائية وإنتاج تيار، لكن في الطريق يختفي الكثير منهما. أين بالضبط؟ هذا هو السؤال الذي يحدد مدى كفاءة البطارية.

ضوء الشمس يشبه تيارًا متواصلًا من الكرات المتجهة نحو جدار. بروتينات الهوائيات في البكتيريا الممتصة للضوء تلتقط هذه "الكرات" — الفوتونات، لكن في بعض الأحيان تكون الضربة قوية جدًا، وفي "الجدار" — جزيء الكلوروفيل — تنشأ حالة مثارة خطيرة، الحالة الثلاثية.

ثلاث كرات بلياردو بعد اصطدامها تتناثر على الطاولة — مساراتها تعتمد فقط على الدفعة الأولية. لكن في عالم النوى الذرية، الأمور أكثر تعقيدًا: الجسيمات تشعر ببعضها البعض أثناء الحركة، حتى لو لم تكن مرتبطة في كل واحد. لفترة طويلة، تمكن الفيزيائيون من قياس التفاعلات الثنائية فقط، أما ما يحدث عندما يلتقي ثلاثة أجسام فبقي خارج الإطار.

يصلنا الضوء القادم من أشد مراحل الكون حرارة منذ ما يقرب من 14 مليار سنة. هذا هو إشعاع الخلفية الكونية الميكروي — توهج خافت يملأ السماء كلها، أشبه بـ«صدى» الانفجار العظيم. مؤخرًا، لاحظ الفلكيون أمرًا غريبًا: استقطابه الاستقطاب — أي اتجاه اهتزاز المجال الكهربائي — يبدو منعطفًا بنحو 0.3 درجة. وكأن أحدهم أدار مقبضًا خفيًا قليلًا.

في صفٍّ متقارب من الذرات، تصطف على مسافات أصغر من طول موجة الضوء، تكمن حالة مدهشة. يتوزع الإثارة على جميع الجسيمات بحيث يلغي إشعاعها نفسه بنفسه — هذه حالة دون إشعاعية، "صمت" كمومي جماعي. إنها خزنة مثالية لـ فوتون — كمية الضوء: يمكن أن يبقى فيها أطول بمئات المرات من المعتاد.

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.

ثلاثة أشعة ليزر تتشابك في مثلث. كل شعاع مرتبط بالآخرين — هكذا تعمل البنية الجديدة التي يسميها الفيزيائيون «الفراغ المضغوط ثلاثي الأنماط كامل الترابط». هذه ليست مجرد ثلاثة مصادر ضوء مستقلة: داخل بلورة خاصة تولد ثلاثيات من الفوتونات المتشابكة، والترابط بينها يشبه رسمًا بيانيًا كاملًا من ثلاث نقاط حيث رسمت كل الخطوط الممكنة.

كل عملية فناء بوزيترون تشبه ظهور راقصين يتحركان بتناغم، مربوطين بخيط غير مرئي من الاستقطاب. ينطلق فوتونا أشعة غاما بعيداً، لكن حالتيهما تظلان متشابكتين: قياس أحدهما يحدد الآخر فوراً – كما لو أن أحدهما يستشعر حركة الآخر فوراً مهما كانت المسافة.

في قلب حاسوب كمومي مستقبلي قد يكون جزيء عضوي صغير يشبه المثلث. يمتلك هذا الجزيء إلكترونين "إضافيين" لا يجدان لهما زوجًا. تسمى هذه الجزيئات بالجذور الثنائية (diradicals)، وإلكتروناتها قادرة على تخزين المعلومات بطريقة خاصة، وهي الطريقة الكمومية.

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.

يسقط الضوء على جزيء عضوي — فيولد داخله زوج من التوأمين المثارين. يطلق عليهما اسم الأزواج الثلاثية. في جزيئات البنتاسين المنفردة، تعرف هذه الأزواج منذ زمن كيف تتقاسم طاقتها مع الجيران — وهذا أساس الانشطار المفرد الذي يرفع كفاءة الخلايا الشمسية.

لطالما تخيلنا نواة الكربون ككرة متجانسة من البروتونات والنيوترونات المختلطة بالتساوي، مثل العجين. لكن الفيزيائي جورجي جاموف شك في ذلك: فربما تتجمع الجسيمات داخلها في كتل صغيرة متماسكة — نوى الهيليوم، أو جسيمات ألفا. هذه الكتل، مثل قطع البناء، تتشابك معاً لتشكّل عناصر أثقل. تم التحقق من هذه الفكرة بإعادة النظر في تجارب قديمة.

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.

تخيل ثلاثة راقصين يتحركون ككيان واحد: كل واحد منهم يشعر بالآخرين، والانسجام العام لا يختزل إلى التفاعلات الفردية. هذا التشبيه، رغم أنه يبسط الواقع الكمومي، يساعد على فهم سلوك ثلاثة جسيمات تنشأ عند اصطدام إلكترون وبوزيترون بسرعة الضوء سرعة الضوء. يتعلق الأمر بكوارك القمة كوارك القمة، وجسيمه المضاد — كوارك القمة المضاد — وبوزون Z.

إسفنجة مطبخ مشبعة بشراب سكري: في بعض الأماكن يكون الشراب أكثر، فيلتصق الإصبع فورًا، وفي أماكن أخرى يكاد لا يلمس. هكذا تقريبًا يبدو سطح الحفّاز. لا تتفاعل الجزيئات في كل مكان، بل في نقاط شديدة الالتصاق — المراكز النشطة. لعقود، بحث الكيميائيون عنها بناءً على ترتيب الذرات، مثل باحثي الكنوز مع خريطة. لكن الخريطة تكذب.

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.

نوى الذرات ليست دائمًا ككرات البلياردو — فهذا التشبيه نستخدمه فقط للتبسيط. في الواقع، بعض النوى ممدودة كالسجائر، وبعضها الآخر مفلطحة كالأقراص. أما نواة الزينون-129 فشكلها يشبه حبة البطاطا — فهي مجسّم إهليلجي ثلاثي المحاور (triaxial ellipsoid)، أي شكل تختلف أطوال محاوره الثلاثة.

يمكن تشبيه مصدر الفوتونات الاعتيادي بمدخل مبنى يحرسه بواب واحد. يحاول أن يسمح بمرور الزوار فرداً فرداً، لكن أحياناً تتسلل ثنائيات. يسمي الفيزيائيون هذه معضلة النقاء: يجب أن تأتي الفوتونات منفردة بدقة، وإلا تتعطل الحسابات الكمومية. كانت الطرق القديمة تمنع الأزواج بشدة، لكن السطوع ينخفض آنذاك - كما لو أن البواب يدقق طويلاً على كل شخص فتتكدس طوابير. يضيف الأسلوب الجديد بوابين اثنين يعملان بتناغم.

ثقبان أسودان ثقبان أسودان يضربان بعضهما بسرعة، بينما يدور ثالث قريب. في الحياة العادية، كان من شأن هذا الاصطدام أن يولّد دفقة من الموجات الثقالية (تموجات في الفضاء، مثل تموجات حجر يُلقى في بركة). لكن هنا، يمر جزء من التموجات بجوار الجار الضخم - ويتغير، مثل الضوء في مرآة مشوهة.

الضوء عبارة عن تدفق من الجسيمات الأولية — الفوتونات. في دليل ضوئي خاص، يمكن تصوره كممر ضيق، عادةً ما تسمح الذرة-«الحارس» بمرور الفوتونات واحدًا تلو الآخر. هذا التأثير يدرسه التحليل الطيفي للجسيمات المفردة — وهي طريقة تسمح بدراسة تفاعل الضوء مع المادة على مستوى الكمات الفردية.

شعاع مصباح يدوي موجه عبر زجاج مصنفر يتحول مع كل ملليمتر إضافي من السماكة إلى بقعة ضبابية. هذا هو تقريبًا سلوك الوميضات (scintillators) — المواد التي تحول أشعة إكس إلى ضوء مرئي. وهي أساس التصوير الطبي، وتفتيش الأمتعة، وكواشف المسرعات. وميض سميك يلتقط تقريبًا كل كمات الأشعة السينية (جسيمات الضوء)، لكن الضوء المتولد داخله يتشتت جانبًا، وتفقد التفاصيل الدقيقة في الصورة.

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.

تحتاج الشبكات الكمومية إلى وسيط بين وحدة التخزين – السِبين – والناقل – الضوء. لم يسبق لأي جزيء منفرد أن اضطلع بهذه المهمة. لكن الفيزيائيين وجدوا الآن حلاً. فقد وضعوا جزيء الكاربين داخل بلورة وبرّدوها إلى -269 درجة مئوية.

جزر صغيرة من أشباه الموصلات، نبتت مباشرة على السيليكون، تطلق فوتونات مفردة — مثل آلة توزيع كرات تخرج كرة واحدة بدقة. تُسمى هذه الجزر بالنقاط الكمومية. وهي قادرة على إصدار الضوء على دفعات، وهو ما تحتاجه حماية المعلومات في الشبكات الكمومية. لكن حتى الآن كان من الصعب دمجها مع الإلكترونيات السيليكونية وجعلها تعمل في درجات حرارة ليست منخفضة جدًا.

ينطلق فوتونان من نقطة واحدة في صدر المريض. إنهما توأمان: إذا غيّرت أحدهما، عرفت حال الآخر فورًا. هذا الارتباط يسمى التشابك الكمومي. أثناء التصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني (PET)، تولد هذه الأزواج داخل الجسم عندما تلتقي المادة المشعة المحقونة بإلكترونات الأنسجة. درجة هذا التشابك ليست ثابتة. إنها تضعف إذا تفاعلت الفوتونات مع جزيئات الأكسجين في طريقها.

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.

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.

صنبور لا يتدفق منه الماء كتيار، بل قطرة قطرة بدقة — هكذا يمكن وصف مصدر الفوتونات المفردة الذي يتحدث عنه المؤلفون. في الضوء العادي، تطير الفوتونات في جماعات، مثل الماء من صنبور مفتوح. أما بالنسبة للتقنيات الكمومية، فنحن بحاجة إلى فوتونات مفردة — «قطرات» من الضوء يمكن استخدامها ككيوبتات أو كرسل للاتصالات الآمنة.

الضوء والذرات، مثل راقصين، يمكن أن يتحركا بتناغم أو بشكل متفرق. عندما يكون تفاعلهما اتجاهيًا — أي يعتمد على الاتجاه — يصبح الرقص أكثر تعقيدًا. في العمل الجديد، نظر الفيزيائيون في نموذج حيث تتفاعل مجموعة من الذرات (كيوبتات) بشكل جماعي مع مجال ضوئي اتجاهي، وكل مكوّن متصل بمستودع حراري. اتضح أن التباين الاتجاهي يمكن أن يغير جذريًا تدفق الحرارة عبر النظام.

الضوء العادي يشبه حشدًا في ساحة: كل فوتون يتحرك بمفرده، يتصادم ويتفرق. لكن في بعض الأوساط، تبدأ الفوتونات، كقطيع من الكلاب، بالركض معًا — تتجمّع. ابتكر العلماء ليزرًا على ألياف عشوائية، حيث تتجمع جسيمات الضوء في أسراب كثيفة بشكل خاص. هذه الظاهرة تسمى التجمّع الفائق للفوتونات.

في غرفة مظلمة، يُحبس ذرة وضوء معًا داخل صندوق مرآة. الصندوق صغير جدًا لدرجة أن الذرة لا تستطيع إطلاق الضوء ببساطة؛ فهما يتبادلان الطاقة باستمرار، مثل راقصَين لا يتركان أيدي بعضهما. هذا الاقتران فائق القوة يغيّر قواعد اللعبة نفسها: تُعاد هيكلة مستويات الطاقة، ويخرج الضوء ليس في دفعات منفردة عادية، بل في مجموعات نجمية كاملة.

ليزر يضرب ذرة سترونشيوم، فيخرج منها إلكترونان في نفس اللحظة. كان يُعتقد سابقًا أنه في مثل هذا التأين المزدوج، يتصرف كل إلكترون بمفرده: يُقذف الأول أولاً، ثم الثاني لاحقًا، بشكل عشوائي. التجربة الجديدة مع الذرات الباردة أظهرت العكس: الإلكترونان يغادران الذرة بشكل منسق، مثل زوج من الراقصين ممسكين بأيدي بعضهما.

في غرفتين متقابلتين تقفان بشكل متعامد، تعيش سحابة من الذرات. كل ذرة مثل مغنٍّ في جوقة: بمفردها قد تلتزم الصمت، لكن عندما يبدأ الجيران بالغناء، تشارك هي أيضًا. هنا، تلعب الهندسة دور قائد الأوركسترا: إحدى الغرفتين تساعد الذرات على إصدار الضوء بشكل جماعي، بينما الأخرى تدفعها بلطف نحو ذلك، ليس بشكل مباشر، بل عبر مناورة التفافية ذكية. النماذج شبه الكمومية تسمح للذرات بالتصرف ككيان واحد.

الضوء الصادر من بلورات البيروفسكايت النانوية يشبه أداء جوقة، حيث تتردد الأصوات تارةً منفردة وتارةً كثنائي متناغم. سابقًا، لم يكن يُسمع هذا الثنائي إلا مع تبريد شديد، يقارب برودة الفضاء الخارجي. أما الآن، فقد غنّت الجوقة في درجة حرارة الغرفة.

الضوء الكمومي ليس مجرد تدفق من الجسيمات، بل هو نمط معقد من المكان والزمان. يمكن للفوتون الواحد أن يتمدد أو ينضغط أو ينتشر في اتجاهات مختلفة. لكن رؤية هذا النمط كاملاً بكل تقوساته لم تكن ممكنة حتى الآن: فالكاشفات التقليدية تلتقط فقط أجزاءً منفردة من الصورة، كما لو كنت تنظر إلى شكل ثلاثي الأبعاد من خلال شق في السياج. لقد ابتكر الفيزيائيون طريقة لتجاوز هذا الشق.

الضوء العادي هو تيار من الجسيمات المستقلة: تمر الفوتونات عبر بعضها البعض دون أن تلاحظ جيرانها. لكن في الدوائر فائقة التوصيل، المبردة إلى ما يقرب من الصفر المطلق، يتغير الوضع. هناك، تسافر الفوتونات عبر مسارات ضيقة من المعدن، وإذا تم دمج عناصر صغيرة تسمى وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) في هذه المسارات، يبدأ الضوء في «إدراك» نفسه.