القياس والتراكب

كل المفاهيم التي لدينا: «الشيء»، «الجسيم»، «الشيء» ما هي إلا كلمات لأنماط وجدناها في القياسات. في الواقع، الرؤية هي قياس: نحن نقيس الفوتونات التي تدخل مقل أعيننا!

عادة، مع الأشياء الفيزيائية كالكرات، نحن نقيس دائماً. نلمسها، أو تلمسها الفوتونات وتصطدم بأعيننا. عندما لا نقيسها، شيء آخر يقيسها عادة. جزيئات الهواء تصطدم بها وتتفاعل.

ومع ذلك، هناك بعض الأشياء، كالإلكترونات، صغيرة بما يكفي لـ تجنّب القياس المستمر. لذلك بدأ العلماء في أوائل القرن العشرين بطرح سؤال غريب: هل للأشياء الصغيرة كالإلكترونات خصائص محددة (كـ الموقع) عندما لا يجري قياسها؟

كان الجواب، بشكل صادم، لا. لذا اخترع الفيزيائيون ميكانيكا الكم كطريقة لوصف خصائص شيء عندما لا يقيسه أحد. بين القياسات، ليس للإلكترونات موقع واحد محدد. توجد كمزيج من الاحتمالات. فعل القياس هو ما يجبر الشيء على الالتزام بإجابة واحدة محددة.

لتوضيح هذا المفهوم، سأريك إياه في نظام كمومي بسيط جداً وقابل للتحكم: السبين الإلكتروني. بالطبع، هناك خصائص كمومية كثيرة في العالم: موقع الإلكترون، سرعة الإلكترون، طول موجة الضوء. لكن كل هذه معقدة جداً، ومن السهل الضياع، لأن لكل منها نتائج قياس ممكنة لانهائية مختلفة! على سبيل المثال، يمكننا قياس موقع إلكترون ومعرفة أنه على إصبعك أو حاسوبك المحمول أو أي مكان بينهما.

في المقابل، السبين الإلكتروني هو ما نسميه حالة ثنائية: عند قياسه، يمكن أن يكون فقط لأعلى أو لأسفل، لا أبداً بينهما. اكتُشف هذا في تجربة Stern-Gerlach الأسطورية عام 1922. لذلك سنعمل بهذا. يجعل المفاهيم أبسط بكثير.

أدناه إلكترون واحد في حالة السبين الخاصة به. يمكنك فعل أمرين معه: إطلاق ليزر عليه لدفعه بين «أعلى» و«أسفل»، أو قياسه وقراءة النتيجة.

التراكب هو الاسم لذلك المزيج من الاحتمالات الذي يوجد بين القياسات.

قبل قياسه، يمكن للإلكترون أن يكون «معظمه أعلى»، أو «نصفه أعلى ونصفه أسفل»، بطريقة لا علاقة لها بجهلنا. ليس الأمر أننا لا نعرف السبين بعد. الأمر هو أنه لا يوجد سبين واحد بعد. القياس هو ما ينشئ واحداً.

صورة مفيدة هي عملة تدور. في منتصف القلب، العملة ليست صورة ولا كتابة. إنها مزيج فيزيائي حقيقي من الاثنين، واللحظة التي تصفعها يدك للأسفل هي اللحظة التي تصبح فيها أحدهما. التراكب الكمومي مشابه، إلا أن «القلب» هو الحالة الطبيعية للإلكترون كلما لم يكن هناك شيء يلمسه.

هذا ما يمنح الحواسيب الكمومية ميزتها. بت عادي يختار 0 أو 1. يمكن لـ الكيوبت أن يحمل تراكباً من 0 و1، بأوزان محددة لكل منهما. شغّل عدة كيوبتات معاً وستستكشف عدة مجموعات في آن واحد.