التشابك الكمومي هو أغرب مفهوم في الكون. إنه قدرة شيئين أو أكثر على الاعتماد كل منهما على الآخر، دون اتصال قابل للقياس بينهما، ولا حتى الضوء.
لكنه أيضاً ليس قوة سحرية أو علماً زائفاً. إليك كيف يعمل التشابك فعلاً، حتى تحكم بنفسك.
تعريف
التشابك الكمومي هو اعتماد بين قياسين كموميين.
ملاحظة: لا شيء يربط الاثنين، ولا حتى الضوء ينتقل بينهما.
جرّبه بنفسك
أدناه عرض لكيوبتين متشابكتين، مشتركتين بين أليس وبوب. حاول «قياس» كيوبتاتهما لإيجاد نمط!
No measurements yet.
No measurements yet.
Whichever basis you measure in, Alice and Bob always come out opposite.
ماذا اكتشفت؟ إليك استنتاجين:
1. إذا قِست في نفس الاتجاه على كلا الكيوبتين، فإنهما يواجهان دائماً اتجاهين متعاكسين. كيف يعرف كيوبت بوب ما حصلت عليه أليس، والعكس؟ ذلك هو الجزء المخيف. يمكننا إثبات أن الكيوبتات المتشابكة الحقيقية تعرف فعلاً، حتى عندما تكون مفصولة بمسافات هائلة وتُقاس فورياً. هذا الاتصال أسرع من الضوء، وهذا ما لا يجب أن يكون ممكناً.
2. بمجرد قياس الكيوبتات المتشابكة، لم تعد متشابكة. تعطي الكيوبتات فقط نفس الإجابة بشكل حتمي مراراً وتكراراً. لذلك، يمكنك اعتبار التشابك الكمومي مورداً قابلاً للاستهلاك، فبمجرد استنفاده بالقياس، يختفي.
كيف ننشئ التشابك الكمومي في الواقع؟
الإجابة المختصرة: قرّب كيوبتين من بعضهما.
ستتشابك أنواع كثيرة من الكيوبتات طبيعياً عندما تقرّبها. خذ مثلاً إلكترونين في نفس المدار، كالإلكترونين في الهيليوم. هذان متشابكان طبيعياً.
مثال آخر: السبين الإلكتروني في حاسوب كمومي بالذرة المحايدة. نربطها بالتشابك بنقل الذرات التي تحمل هذه الإلكترونات قريبة من بعضها، ثم نطلق عليها ليزراً خاصاً. يحفّز ذلك تفاعلاً يُسمى تفاعل Rydberg، الذي يُشبك الاثنين.
من يقرر ما يعنيه «أعلى»؟
إليك المفتاح. لا يوجد «أعلى» مطلق في الكون. الأعلى الخاص بك مختلف عن أعلى أستراليا. لذا عندما نقول إن الذرتين ستواجهان دائماً اتجاهين متعاكسين: متعاكسين على أي محور؟
الجواب هو أغرب جزء في كل هذا. تبيّن أن: جهاز قياسك يقرر ما يُحسب على أنه أعلى.
عند قياس سبين ذرة، لا يمكنك أبداً قراءة اتجاهها مباشرة. قد يكون السبين موجهاً نحو أي مكان في الفضاء، لكن يمكنك طرح سؤال واحد فقط: هل هو محاذٍ لهذا المحور، أم ضده؟ أنت تختار المحور. تأتي الإجابة «أعلى» أو «أسفل». هذا حد صارم، لا يتجاوزه أي قياس صنعناه. وفقاً لميكانيكا الكم، لا يجب أن يكون ممكناً ذلك. (مع أنه من يعلم. ربما تجد طريقة.)
«ولكن أليس الأمر محدداً مسبقاً؟»
قد تقول: ربما كانت الاتجاهات فقط محددة عندما قرّبت الذرتين، لا عندما قستها. ربما كانت ذرة واحدة ستكون دائماً أعلى، والأخرى ستكون دائماً أسفل. ربما أنت فقط تكتشفها عند القياس، ولا شيء جنوني يحدث.
يبدو هذا الاستنتاج الواضح. لكنه خاطئ، وإليك السبب.
بطريقة ما، بعد قياس كيوبتك، تنتقل الكيوبت الأخرى فوراً إلى المحور الذي قِست عليه. إذا قِست أعلى/أسفل، تنتقل الأخرى إلى أعلى أو أسفل. الأمر نفسه إذا قِست يساراً/يميناً. نيتك تُنقل بطريقة ما إلى الكيوبت الأخرى.
في الواقع، فازت التجربة التي أثبتت هذا بـ جائزة نوبل في الفيزياء عام 2022. يمكنك رؤية لمحة عنها في القسم أدناه، لكن إذا أردت فهم التجربة بنفسك، توجه إلى الدليل التالي عن متباينة CHSH.
مع ذلك: من المستحيل فعلاً إرسال معلومات بهذه الطريقة، لأنك لا تختار الاتجاه الذي يتجه إليه الكيوبت (أعلى أم أسفل). ذلك عشوائي تماماً.
أسرع من الضوء
يمكنك قياس حدوث هذا أسرع بكثير من إمكانية انتقال الضوء بين الذرتين.
في عام 2012، أجرت مجموعة Anton Zeilinger هذا النوع من التجارب بين جزيرتين من جزر الكناري - La Palma وTenerife، تبعدان 143 كم (نحو 89 ميلاً). شبكوا أزواجاً من الفوتونات (التي تتصرف بنفس طريقة السبين الذري لهذا الغرض)، وأرسلوها عبر المسافة، وقاسوا كلا الطرفين.
كانت ساعاتهم متزامنة لـ 3 نانوثوانٍ. يستغرق الضوء نحو 477,000 نانوثانية لإكمال الرحلة. ظهرت الترابطات بين الفوتونات أسرع مما يمكن لأي إشارة بسرعة الضوء أن تفسره.
تجارب من هذا النوع منحت Zeilinger جائزة نوبل في الفيزياء 2022، إلى جانب Alain Aspect وJohn Clauser، اللذين أجريا نسخاً سابقة في 1982 و1972.
هل يمكنك استخدامه لإرسال الرسائل؟
إذن في النهاية، هناك اتصالات بين الأشياء أسرع من الضوء، ولا تهتم بالمسافة. مثل ثقب دودي. بطريقة ما، يؤثر قرارك حول أي اتجاه تقيس على الشريك.
لكن إليك المفاجأة الأخيرة: لا يمكنك استخدام هذا لإرسال المعلومات. الاتصال حقيقي، لكن لا يمكنه حمل إشارة، لا توجد طريقة للتحكم بما يراه الشخص الآخر.
لماذا هو موضوع الدليل التالي. ترقّب.
احملها
كيوبتان يمكنك حملهما بين يديك.
Qubi هو نموذج كيوبت. قرنها، شغّل البوابات، وابنِ الحدس الذي قدّمه هذا الدليل، باللمس.