حالة ثلاثية

ذرة إربيوم مفردة مثبتة على ركيزة فضية تخزن المعلومات الكمومية في دورانها – الزخم الزاوي الذاتي للإلكترون، والذي يمكن تصوره كدوران داخلي. حتى وقت قريب، كان قلب هذا الدوران يتطلب نبضة مغناطيسية – أداة خشنة تؤثر على الذرات المجاورة وتعمل ببطء. الآن، أظهر فيزيائيون من ألمانيا وكوريا أن جهدًا كهربائيًا واحدًا يكفي.

بلورة PbCuTe₂O₆ عبارة عن شبكة ثلاثية الأبعاد من ذرات النحاس والتيلوريوم والأكسجين. بداخلها، العزوم المغناطيسية — أسهم صغيرة مرتبطة بـلفات الإلكترونات — متشابكة بحيث لا يمكنها الاصطفاف في ترتيب معتاد حتى بالقرب من الصفر المطلق. تُعرف هذه الحالة بالسائل الكمومي المغزلي: الأسهم المغناطيسية تتقلب باستمرار لكنها لا تتجمد أبدًا.

خيط فضي رفيع طوله تقريبًا سُمك شعرة — وفيه تسكن قوانين كمومية نقية. بنى الفيزيائيون موصلًا لا تستطيع الإلكترونات فيه التحرك إلا للأمام أو للخلف، كما لو كانت على طريق أحادي المسار مستقيم تمامًا بلا جوانب. على مثل هذا الطريق، عادةً ما تدمر أي حفرة أو حصاة صغيرة الحالة الكمومية الهشة. لكن هنا، اتضح أن الطريق أملس بشكل مدهش.

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.

مجال مغناطيسي شدته 42 تسلا — أقوى بنحو مليون مرة من مجال الأرض. في مثل هذا المجال، تتصرف بلورة SrCu₂(BO₃)₂ بشكل غير اعتيادي: فمغنطتها لا تزداد بتدرج سلس، بل تقفز قفزاتٍ، متوقفةً عند قيم محددة. كان يُعتقد سابقًا أن هذه الهضاب تنشأ عندما تصطفّ لفات الإلكترونات (إبرها المغناطيسية الصغيرة) وفق نمط هندسي صارم — مثل جنود في طابور.

النواة الذرية ليست مجرد كرة من البروتونات والنيوترونات. لها شكل، وهذا الشكل يمكن أن يتغير. نواة القصدير-116 اعتُبرت لفترة طويلة شبه كروية مثالية: فهي تحتوي على 50 بروتونًا — عدد "سحري" يمنح النواة عادةً تناظرًا كرويًا. لكن قياسًا جديدًا فائق الدقة أظهر خلاف ذلك. طبق الفيزيائيون طريقة الإثارة الكولومبية. تم تسريع حزمة من نوى القصدير-116 وتوجيهها نحو هدف، مما أجبر النوى على "الاهتزاز" تحت تأثير المجال الكهربائي.

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.

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.

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.

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.

الماء الساخن يتجمد أحيانًا قبل البارد — هذه هي ظاهرة مبيمبا. في العالم الكمومي، نلاحظ مفارقة مشابهة: كلما زاد اختلال التوازن، زادت سرعة استعادته. هذا يشبه الهروب من الفوضى (الإنتروبيا) في الاتجاه المعاكس: إذ يسارع النظام بنفسه نحو الانتظام، ويساعده الاختلال الأولي الكبير في ذلك. لكن الجسيمات الكمومية تخضع لقواعد حفظ صارمة — مثل قوانين النموذج المعياري.

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.

الموصل الفائق ينقل التيار دون مقاومة — مثل الماء الجاري في أنبوب دون احتكاك. السر يكمن في أزواج الإلكترونات: إلكترونان يلتصقان معًا ككيان واحد، رغم أنهما عادةً يتنافران. في الموصل الفائق العادي، يتجه لَفّا الإلكترونين في الزوج إلى اتجاهين مختلفين — وهذه حالة مفردة (singlet). يمكن تشبيهها بمتزلجين فنيين يدوران ظهرًا لظهر.

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.

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.

فوتونان متشابكان يطيران في اتجاهين متعاكسين، لكنهما يظلان يتصرفان ككيان واحد: قياس أحدهما يحدد فورًا حالة الآخر. هذا هو التشابك الكمومي. لكنه أحيانًا يشبه جاسوسًا محترفًا — لا يترك أثرًا تراه الفحوصات العادية. هذا التشابك «المقيد» (bound entanglement) لا يصلح للاتصالات فائقة الأمان، لكن اكتشافه مهمة مهمة لفهم العالم الكمومي. وجد مؤلفو المقال طريقة لكشف هذا التشابك.

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.

عندما يسقط ضوء الشمس على جزيئات البكتيريا الشمسية، فإنها تتصرف مثل مضارب الخفق في الخلاط المنزلي: تلتقط الطاقة وتدور الإلكترونات في اتجاه محدد بدقة. ومع ذلك، قد يضطرب هذا الدوران أحيانًا، مما يؤدي إلى حالات ثلاثية، وهي جسيمات "عالقة" يمكن تشبيهها بمضرب خفق يتجمد للحظة ثم يهتز في الاتجاه المعاكس. هذا الاضطراب يهدد بتناثر طاقة زائدة قد تلحق الضرر بمكونات الكربون في الخلية.

في قطعة من مغناطيس عادي، جميع لفات الإلكترونات — الإبر المغناطيسية الصغيرة — تشير في اتجاه واحد. إنه كطابور جنود يستديرون لمواجهة القائد. يُسمى هذا الترتيب مغناطيسًا بديلًا خطيًا. لكن الفيزيائيين وجدوا طريقة لجعل الطابور «يرقص»: باستخدام شعاعي ليزر بلونين مختلفين يضربان المادة بتناغم تام، يمكن إنشاء نوع جديد من النمط المغناطيسي في المادة.

في صمت الكون، ترتجف نسيجة الزمكان ارتجافاً خافتاً - هذا همس كمومي بمقياس 10⁻³⁵ م، كان يُعتبر حتى الآن بعيد المنال من حيث المبدأ. لكن تصادمات الثقوب السوداء يمكن أن تحوّله إلى صرخة تصمّ الآذان. اكتشف الفيزيائيون أن إشعاع الغرافيتونات في مثل هذه الكوارث ليس دفقة عشوائية، بل حالة كمومية مضغوطة.

النقطتان الكموميتان هما بمثابة جيبين صغيرين في قطعة سيليكون، حيث يمكن للإلكترون أن يستقر ككرة في حفرة. عندما تكون الجيوب بعيدة عن بعضها، يعيش كل إلكترون بمفرده، وتكون طاقته مشابهة لمستويات ذرة منعزلة. ولكن عندما تقترب الجيوب من بعضها، يبدأ الإلكترون بالإحساس بجاره، فتنقسم المستويات — وينتج ما يشبه الجزيء بحالات مشتركة ومنفصلة.

العالم الكمومي يحب النظام، لكن الواقع غالبًا ما يُدخل الفوضى. في هذا العمل، يدرس الفيزيائيون سلاسل أحادية البعد من السبينات — وهي أسهم مغناطيسية صغيرة يمكن أن تتجه لأعلى أو لأسفل. عادةً، تُعرَّف الأطوار الطوبولوجية (حالات مستقرة محمية بالتناظر) للحالات النقية، حيث يكون كل سهم معروفًا بدقة.

الإلكترون في سلك عادي مثل ساعي بريد يحمل الطرد وتوقيع المستلم معًا: شحنته وسبينه دائمًا معًا. لكن إذا جعلنا السلك بسماكة ذرة واحدة، يصبح الساعي في ضيق. في مثل هذا الأنبوب أحادي البعد، لا تستطيع الإلكترونات تجاوز بعضها البعض، ويتغير سلوكها الجماعي بشكل لا يمكن التعرف عليه. ميكانيكا الكم تسمح للجسيمات بالتفكك إلى مكونات تعيش حياتها الخاصة.

في بعض المواد، ترفض العزوم المغناطيسية للذرات — أسهمها الصغيرة — أن تتجمد حتى عند درجات حرارة منخفضة للغاية درجات الحرارة. فبدلاً من النظام المألوف، تشكل سائلًا مغزليًا: حالة تتلألأ فيها السبينات باستمرار، لكنها تفعل ذلك بتناغم، مثل راقصين يؤدون خطوة معقدة.

النقطة الكمومية (quantum dot) هي كجزيرة صغيرة يمكن أن يستقر عليها إلكترون واحد أو عدة إلكترونات. في العمل الجديد، رُبطت هذه الجزيرة بـ«بحرين» من الإلكترونات: أحدهما مسطح كالفطيرة، والآخر حجمي كالمحيط. يمكن للإلكترونات أن تقفز من الجزيرة إلى البحرين وبالعكس، وتعتمد هذه القفزة على شكل موجة الإلكترون على الجزيرة.

الحلقة المكونة من ذرات مغناطيسية تشبه رقصة دائرية يمسك فيها كل مشارك بيدي جاريه. في المغناطيسات العادية، تمتلك كل ذرة عزمًا مغناطيسيًا دائمًا خاصًا بها، وتتفاعل هذه العزوم مثل أسهم صغيرة تسعى للاصطفاف بشكل متعاكس.

قطرة ماء على الطاولة تبدو هادئة، لكن داخلها تغلي حياة كمومية. البروتونات في ذرات الهيدروجين تشبه قممًا دوّارة صغيرة تدور باستمرار. لكل منها اتجاه دوران خاص. في مجال مغناطيسي، تصطف هذه القمم، وإذا بدأ المجال يتذبذب، تبدأ في "الرقص". لطالما أتقن الفيزيائيون التحكم في هذه الرقصة، لكن المجال عادة ما يكون ضعيفًا، فتنقلب القمم ببساطة.

الذرات المغناطيسية في الأجسام الصلبة تشبه إبر البوصلة: عادةً عند التبريد، تستقيم في اتجاه واحد — وهكذا ينشأ المغناطيسية. لكن في مادة TbInO3، تجلس إبر التربيوم على شبكة مثلثية حيث يستحيل إرضاء جميع الجيران في آنٍ واحد. إبرة تريد أن تتجه نحو الشمال، وأخرى نحو الجنوب، وفي النهاية لا تستطيع أيٌّ منها أن تستقر في وضع ثابت.

الحاسوب الكمومي القائم على دوران الإلكترونات يشبه صفًّا من القمم الصغيرة الدوّارة. كل قمة تدور إما مع عقارب الساعة أو عكسها — وهذا هو الكيوبت. لمعرفة نتيجة الحساب، عادةً ما تُوقف القمة ويُنظر إلى أين سقطت. لكن إذا كان هناك قمم كثيرة، فكل واحدة تحتاج إلى «عين» منفصلة — كيوبتًا مساعدًا إضافيًا. هذا مثل إبقاء أمين صندوق ثانٍ فقط ليخبرك أن الأول قد أتم العد.

ألماسة صغيرة تطفو في الهواء، مثبتة بمجال كهربائي، مثل ذرة غبار في شعاع ضوء. داخلها عيوب خفية — أماكن استُبدل فيها ذرة كربون بذرة نيتروجين، وبجانبها فراغ. تتصرف هذه العيوب كمغناطيسات يمكن قلبها بالليزر وأشعة الميكروويف. عندما تنقلب المغناطيسات، تدفع الألماسة قليلاً. الدفعة صغيرة جداً — كما لو أن نملة نفخت على كرة قدم. لكن الألماسة خفيفة جداً ومعلقة بشكل جيد لدرجة أن هذا يكفي لتدور.

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.

الموصل الفائق العادي يشبه صفًا من الجنود يسيرون في أزواج: تتحد الإلكترونات وتتجه سبيناتها (وهي «قمم دوارة» داخلية) في اتجاهين متعاكسين. المجال المغناطيسي يقلب هذه الأزواج بسهولة، مدمرًا خاصية التوصيل الفائق. في UTe₂ الأمر مختلف. هناك، أزواج الإلكترونات لها سبينات موجهة في نفس الاتجاه — مثل شريكي رقص يمسكان بأيدي بعضهما ويدوران بنفس الإيقاع.

على رقاقة سيليكون تشبه حيًا سكنيًا، تعيش الكيوبتات — إلكترونات ذات سبين — في «منازل» منفصلة. سابقًا، كان الجيران يتواصلون فقط عبر السياج، أما الآن فقد شُقّ طريق بينهم: عبره ينتقل الكيوبت إلى أي من المحطات الأربع. الطريق هو ناقل يُنقل عبره الإلكترون دون فقدان حالته الكمومية. في المحطة، تلتقي الكيوبتات وتنفذ عمليات: واحد يدير سبين الآخر، كمفتاح في قفل.

الجرس لا يطنّ بنغمة واحدة — بعد الضربة، تصدر عنه عدة نغمات توافقية في آن واحد. وبالمثل تقريبًا تهتز النواة الذرية: بعد التصادم، يمكن أن تتذبذب، وهذه التذبذبات تُرى من خلال أشعة غاما المنبعثة. لكن في نواة النيوبيوم-104، التي تحتوي على 41 بروتونًا و63 نيوترونًا، وُجدت نغمات توافقية أكثر مما كان متوقعًا.

عادةً ما تجلس الذرات في البلورة في أماكنها المحددة، مثل ركاب الطائرة حسب تذاكرهم. لكن في هذه المادة، احتل النحاس والتنتالوم أماكنهما بشكل عشوائي — وكأن التذاكر قد خُلطت. نظر العلماء إلى داخل البلورة باستخدام الأشعة السينية ورأوا: الاضطراب ليس مجرد افتراض نظري، بل هو حقيقي في ترتيب الذرات نفسه.

بوصلة مغناطيسية في أنبوب اختبار — يبدو وكأنه خدعة سحرية، لكنه فيزياء خالصة. في محلول الفومارات (ملح حمض الماليك)، تتصرف نوى الكربون-13 وكأنها قمم دوارة صغيرة. عندما ينخفض المجال المغناطيسي الخارجي إلى 400 نانو تسلا — أي أضعف بمئة ألف مرة من مجال الأرض — يكاد مستويا الطاقة لهذه القمم يندمجان.

في المسرّع، تتصادم جسيمات هيغز. للحظة وجيزة، تتشابك مصائرهما ثم تفترق، حاملةً معلومات عن اللقاء. عادةً، يصف الفيزيائي ذلك بالمخططات والسعات، لكن هنا يُنظر إلى التبعثر كحساب كمومي: كل جسيم هو كيوبت، والتصادم هو عملية تحوّل الحالة الكمومية. السحر الكمومي كقائد خفي يضبط سيمفونية التناظرات.

ألماسة صغيرة تحتوي عيوبًا — ذرات نيتروجين حلت محل الكربون — تخفي في طياتها خاصية غير عادية. حول كل عيب يدور إلكترون إضافي، مثل قمة دوارة يمكن إمالتها بنبضات راديوية. هذه القمة الدوارة في حد ذاتها هادئة جدًا بحيث لا يمكنها أن تصل بصوتها إلى الكوبيت فائق التوصيل — الذرة الاصطناعية التي تعمل في درجات حرارة أبرد من الفضاء الخارجي.