تم قياس سرعة التشابك الكمومي لأول مرة – إنها أسرع من أن تُفهم.
في عالم الفيزياء الكمومية، تتكشف أحداث مذهلة بسرعات مذهلة. العمليات التي كان يُعتقد أنها تحدث بشكل فوري، مثل التشابك الكمومي، يتم قياسها الآن بشكل مباشر في أجزاء متناهية الصغر من الثانية – الأتوثانية.
يشبه الأمر تجميد لحظة عابرة للكشف عن التفاصيل الدقيقة المخفية في وضح النهار.
بالتعاون مع فريق من الباحثين من الصين، يقوم البروفيسور يواكيم بورغدورفر وزملاؤه من معهد الفيزياء النظرية في جامعة فيينا التقنية بقياس هذه اللحظات العابرة لفهم كيفية حدوث التشابك الكمي في الواقع.
لا يركز هؤلاء العلماء على وجود التشابك الكمي، لكنهم حريصون على الكشف عن كيفية حدوثه – كيف يصبح جسيمان متشابكين كميًا بالضبط؟
فهم التشابك الكمي
باستخدام عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة، تمكنوا من إلقاء نظرة خاطفة على العمليات التي تحدث على نطاق زمني أتوثانية – جزء من مليار من مليار من الثانية.
التشابك الكمي هو ظاهرة غريبة ورائعة حيث يصبح جسيمان مترابطين لدرجة أنهما يشتركان في حالة واحدة.
الأمر أشبه بامتلاك عملتين سحريتين تهبطان دائمًا على نفس الجانب – اقلب إحداهما، وستظهر الأخرى بشكل غامض نفس النتيجة، حتى لو كانت على بعد أميال.
“يمكنك القول إن الجسيمات ليس لها خصائص فردية، بل لها خصائص مشتركة فقط. من وجهة نظر رياضية، فإنها تنتمي معًا بقوة، حتى لو كانت في مكانين مختلفين تمامًا”، يوضح البروفيسور بورغدورفر.
وهذا يعني أن قياس جسيم واحد يؤثر على الفور على حالة الجسيم الآخر، بغض النظر عن مدى بعدهما عن بعضهما البعض.
ببساطة، تتشارك الجسيمات المتشابكة رابطاً يسمح لها “بالتواصل” مع بعضها البعض فوراً. قم بقياس جسيم واحد، وستعرف على الفور شيئاً عن شريكه.
يتحدى هذا السلوك الغريب فهمنا اليومي لكيفية عمل العالم، مما يجعل التشابك أحد أكثر المفاهيم إثارة للدهشة في الفيزياء الكمية.
القياس باستخدام الليزر والإلكترونات
على الرغم من أن مفهوم التشابك الكمي يبدو غير مفهوم، إلا أنه لم يعد موضع نقاش ما إذا كان صحيحًا أم لا، وهذا ليس موضوع هذه الدراسة.
“من ناحية أخرى، نحن مهتمون بشيء آخر – وهو معرفة كيف يتطور هذا التشابك في المقام الأول وما هي التأثيرات الفيزيائية التي تلعب دورًا على نطاقات زمنية قصيرة للغاية”، كما تقول البروفيسورة إيفا بريزينوفا، إحدى مؤلفي المنشور الحالي.
لاستكشاف هذا الأمر، قام الفريق بدراسة الذرات التي تعرضت لنبضة ليزر شديدة الكثافة وعالية التردد. تخيل تسليط ضوء كشاف فائق القوة على ذرة.
يُثار إلكترون واحد بشدة لدرجة أنه ينفصل وينطلق بعيدًا. وإذا كان الليزر قويًا بما يكفي، فإن إلكترونًا ثانيًا داخل الذرة يتعرض أيضًا لصدمة، فينتقل إلى مستوى طاقة أعلى ويغير مداره حول النواة.
لذا، بعد هذا الانفجار الضوئي الشديد، ينطلق إلكترون واحد بمفرده، ويبقى آخر خلفه ولكنه ليس تمامًا كما كان من قبل.
يقول البروفيسور بورغدورفر: “يمكننا أن نثبت أن هذين الإلكترونين متشابكان كمياً الآن. لا يمكنك تحليلهما إلا معاً – ويمكنك إجراء قياس على أحد الإلكترونين ومعرفة شيء عن الإلكترون الآخر في نفس الوقت.”
يصبح الزمن ضبابيًا في أجزاء من الثانية
وهنا يصبح الأمر مثيراً للاهتمام حقاً . فالإلكترون الذي ينطلق بعيداً ليس له لحظة محددة غادر فيها الذرة.
ويشير البروفيسور بورغدورفر إلى أن “هذا يعني أن وقت ولادة الإلكترون الذي ينطلق غير معروف من حيث المبدأ. ويمكن القول إن الإلكترون نفسه لا يعرف متى غادر الذرة”.
إنها في ما يسمى بالتراكب الكمي ، مما يعني أنها موجودة في حالات متعددة في وقت واحد.
لكن الأمر لا يتوقف عند هذا الحد. فالوقت الذي يغادر فيه الإلكترون مرتبط بحالة الطاقة للإلكترون الذي يبقى في مكانه.
إذا كان الإلكترون المتبقي يتمتع بطاقة أعلى، فمن المرجح أن يكون الإلكترون المغادر قد غادر في وقت أبكر. أما إذا كان في حالة طاقة أقل، فمن المرجح أن يكون قد غادر لاحقًا – في المتوسط حوالي 232 أتوثانية.
قياس ما لا يُقاس
الأتوثانية وحدة زمنية قصيرة للغاية لدرجة أنها تتجاوز قدرة معظم الناس على فهمها . ومع ذلك، فإن هذه الاختلافات الصغيرة ليست مجرد اختلافات نظرية.
يقول البروفيسور بورغدورفر: “لا يمكن حساب هذه الاختلافات فحسب، بل يمكن قياسها أيضًا في التجارب”.
قام الفريق بوضع بروتوكول قياس يجمع بين شعاعين ليزريين مختلفين لالتقاط هذا التوقيت المراوغ.
إنهم يتعاونون بالفعل مع باحثين آخرين حريصين على اختبار ومراقبة هذه التشابكات فائقة السرعة في المختبر .
أهمية التشابك الكمي
إن فهم كيفية تشكل التشابك يمكن أن يكون له آثار كبيرة على التقنيات الكمومية مثل التشفير والحوسبة.
بدلاً من مجرد محاولة الحفاظ على التشابك الكمومي، أصبح بإمكان العلماء الآن دراسة نشأته. وهذا قد يؤدي إلى طرق جديدة للتحكم في الأنظمة الكمومية وتعزيز أمن الاتصالات الكمومية.
الرحلة لا تنتهي هنا. البروفيسور بورغدورفر وفريقه متحمسون للخطوات القادمة.
ويقول: “نحن بالفعل في محادثات مع فرق بحثية ترغب في إثبات مثل هذه التشابكات فائقة السرعة”.
من خلال الاستكشاف في هذه النطاقات الزمنية القصيرة للغاية، فإنهم لا يلاحظون التأثيرات الكمومية فحسب، بل يعيدون تعريف كيفية فهمنا لنسيج الواقع نفسه .
التشابك الكمي والمستقبل
من الواضح أنه في عالم الكم، حتى اللحظات القصيرة تحمل ثروة من المعلومات.
“إن الإلكترون لا يقفز من الذرة فحسب. إنها موجة تتسرب من الذرة، إذا جاز التعبير – وهذا يستغرق فترة زمنية معينة”، كما توضح إيفا بريزينوفا.
وتختتم قائلة: “بالتحديد خلال هذه المرحلة يحدث التشابك، ويمكن قياس تأثيره بدقة لاحقاً من خلال مراقبة الإلكترونين”.
لذا في المرة القادمة التي ترمش فيها، تذكر أنه في أقل من جزء من تريليون من ذلك الوقت، تتكشف أحداث كمومية كاملة، كاشفة عن أسرار يمكن أن تغير مستقبل التكنولوجيا وفهمنا للكون.
نُشرت الدراسة الكاملة في مجلة Physical Review Letters .