فريق من الباحثين في مختبر الضوء المنظم جامعة ويتواترسراندلقد حققت جنوب أفريقيا تقدماً كبيراً فيما يتصل بمشكلة الكم.
بقيادة البروفيسور أندرو فوربس، بالتعاون مع عالم الأوتار الشهير روبرت دي ميلو كوخ، الآن جامعة هوتشو وفي الصين، أثبت الفريق بنجاح طريقة جديدة للتعامل مع الجسيمات المتشابكة الكمومية دون تغيير خصائصها الجوهرية.
يمثل هذا الإنجاز خطوة هائلة إلى الأمام في فهمنا وتطبيقنا للتشابك الكمي.
طوبولوجيا في التشابك الكمي
يوضح بيدرو أورنيلاس، طالب الدراسات العليا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لقد حققنا ذلك من خلال تشابك فوتونين متطابقين وتخصيص وظيفة الموجة المشتركة لهما”. هذه العملية تجعل بنيتها الجماعية، أو طوبولوجياها، واضحة فقط عندما يتم اعتبارها كائنًا واحدًا.
وتدور التجربة حول مفهوم التشابك الكمي، والذي يشار إليه عمومًا باسم “العمل الشبحي على مسافة”، حيث يمكن للجسيمات أن تؤثر على بعضها البعض، حتى عندما تفصل بينها مسافات شاسعة.
تلعب الطوبولوجيا دورًا مهمًا في هذا السياق. وهذا يضمن الحفاظ على خصائص معينة، على غرار كيفية تكافؤ قدح القهوة والدونات طوبولوجيًا بسبب ثقبهما الفردي الثابت.
يوضح البروفيسور فوربس: “فوتوناتنا المتشابكة متشابهة”. “إن تعقيدها مرن، ولكن بعض الخصائص تظل ثابتة.”
تتناول الدراسة على وجه التحديد طوبولوجيا Skyrmion التي قدمها توني Skyrme في الثمانينات. في هذه الحالة، تشير الطوبولوجيا إلى خاصية عالمية تظل ثابتة بغض النظر عن كيفية التعامل معها، مثل بنية القماش.
تطبيقات التشابك الكمي
Skyrmions، التي تمت دراستها في البداية في المواد المغناطيسية والبلورات السائلة والنظائر البصرية، تحظى بالتقدير في فيزياء المادة المكثفة لاستقرارها وإمكاناتها في تكنولوجيا تخزين البيانات.
يقول فوربس: “نحن نهدف إلى تحقيق تأثيرات تحويلية مماثلة من خلال سكيرميوناتنا المتشابكة الكميًا”. على عكس الأبحاث السابقة التي ركزت على السكيرميونز في نقطة واحدة، تقدم هذه الدراسة نقلة نوعية.
وكما يقول أورنيلاس: “نحن نفهم الآن أن الطبولوجيا التي يُنظر إليها تقليديًا على أنها محلية قد تكون في الواقع غير مشتركة بين الكيانات المنفصلة مكانيًا”.
وبناءً على ذلك، يقترح الفريق استخدام الطوبولوجيا كنظام تصنيف للحالات المعقدة. دكتور. إسحاق كناب، وهو باحث مشارك، يشبهها بأحرف الحالات المتشابكة.
ويشرح قائلاً: “تماماً كما نميز بين الكرات والدونات من خلال ثقوبها، يمكننا تصنيف سكيرميوناتنا الكمومية من خلال سماتها الطوبولوجية”.
الأفكار الرئيسية والبحوث المستقبلية
يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام بروتوكولات اتصال كمومية جديدة، باستخدام الطوبولوجيا كوسيلة لمعالجة المعلومات الكمومية.
يمكن لمثل هذه البروتوكولات أن تُحدث ثورة في كيفية تشفير ونقل المعلومات في الأنظمة الكمومية، خاصة في المواقف التي تفشل فيها طرق التشفير التقليدية بسبب الحد الأدنى من التعقيد.
وخلاصة القول أن أهمية هذا البحث تكمن في إمكانية تطبيقه على أرض الواقع. لعقود من الزمن، كانت حماية الدول التي تقطعت بها السبل تشكل تحديا كبيرا.
توفر النتائج التي توصل إليها الفريق آلية تشفير جديدة للأنظمة الكمومية، مما يشير إلى أن الطوبولوجيا تظل سليمة حتى مع اضمحلال التشابك.
ويختتم البروفيسور فوربس ببيان منظور، “نحن الآن على استعداد لتحديد بروتوكولات جديدة واستكشاف المشهد الواسع للحالات الكمومية غير الطوبولوجية، مما قد يحدث ثورة في كيفية تعاملنا مع الاتصالات الكمومية ومعالجة المعلومات.”
المزيد عن التشابك الكمي
كما نوقش أعلاه، يعد التشابك الكمي ظاهرة رائعة ومعقدة في مجال فيزياء الكم.
إنها عملية فيزيائية يتم فيها إنشاء أزواج أو مجموعات من الجسيمات، أو التفاعل، أو مشاركة القرب المكاني بحيث لا يمكن وصف الحالة الكمومية لكل جسيم بشكل مستقل عن حالة الجسيمات الأخرى. .
الاكتشاف والسياق التاريخي
تم وضع نظرية التشابك الكمي لأول مرة في عام 1935 من قبل ألبرت أينشتاين، وبوريس بودولسكي، وناثان روزين. واقترحوا مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين (EPR)، والتي تحدت اكتمال ميكانيكا الكم.
أشار أينشتاين بشكل مشهور إلى المشكلة على أنها “عمل شبحي عن بعد”، معبرًا عن عدم ارتياحه لفكرة أن الجسيمات يمكن أن تؤثر على بعضها البعض على الفور عبر مسافات شاسعة.
مبادئ التشابك الكمي
في قلب التشابك الكمي يوجد مفهوم التراكب. في ميكانيكا الكم، توجد الجسيمات مثل الإلكترونات والفوتونات في حالة تراكب، مما يعني أنها يمكن أن تكون في حالات متعددة في وقت واحد.
عندما يتشابك جسيمان، فإن حالة أحدهما (سواء كانت الدوران، أو الموضع، أو الزخم، أو الاستقطاب) تقترن فورًا بحالة الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما.
التشابك الكمي في الحوسبة والاتصالات
يتحدى التشابك الكمي المفاهيم التقليدية لقوانين الفيزياء. وتشير هذه النظرية إلى أن المعلومات يمكن أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وهو ما يتعارض مع النظرية النسبية لأينشتاين.
ومع ذلك، هذا لا يعني أن المعلومات القابلة للاستخدام يتم نقلها على الفور، الأمر الذي من شأنه أن ينتهك العقل؛ بل إنه يشير إلى الترابط العميق على المستوى الكمي.
أحد أكثر تطبيقات التشابك الكمي إثارة هو مجال الحوسبة الكمومية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية حالات متشابكة لإجراء حسابات معقدة بسرعات لا يمكن تحقيقها بواسطة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية.
في الاتصالات الكمومية، يعد التشابك أمرًا أساسيًا لتطوير أنظمة اتصالات عالية الأمان، مثل التشفير الكمي وتوزيع المفتاح الكمي، والتي تعتبر مقاومة نظريًا للقرصنة.
التحقق التجريبي والبحوث الحالية
منذ بدايته النظرية، تم إثبات التشابك الكمي تجريبيًا عدة مرات، مما يؤكد طبيعته الغريبة وغير البديهية.
كانت تجارب بيل هي الأكثر شهرة، حيث قدمت أدلة مهمة ضد نظريات المتغيرات الخفية المحلية ولصالح ميكانيكا الكم.
باختصار، التشابك الكمي، حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، هو موضوع بحث ونقاش مكثف. إن طبيعتها الفوضوية تتحدى فهمنا للعالم المادي وتفتح الباب أمام تطورات ثورية محتملة في مجال التكنولوجيا.
ومع تقدم الأبحاث، قد نجد تطبيقات عملية لهذه الظاهرة الغريبة التي تفتح المزيد من أسرار الكون الكمي.
يتم نشر الدراسة الكاملة في المجلة الضوئيات الطبيعية.
—–
هل تحب ما تقرأ؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.
تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني من Eric Ralls وEarth.com.
—–
