التشابك الكمي قد يشترك في ارتباط عميق مع المحركات البخارية

بعد عام كل ذلك باستثناء استبعاد الاحتمالاكتشف اثنان من علماء الفيزياء النظرية من اليابان وهولندا أن التشابك الكمي لديه شيء مشترك بشكل أساسي مع الفيزياء التي تحرك المحركات البخارية، وتجفف الجوارب، وربما تبقي سهم الوقت موجهًا في اتجاه واحد.

هذه الخاصية العالمية، إذا كانت موجودة بالفعل كما يقترحون، فإنها ستحكم جميع التحولات بين الأنظمة المتشابكة وتمنح الفيزيائيين طريقة لقياس ومقارنة التشابك بما يتجاوز حساب الكيوبتات – ومعرفة حدودهم في التعامل مع الأزواج المتشابكة.

يعد التشابك الكمي، وهو ميل الغموض الكمي للأجسام المختلفة إلى الاندماج رياضيًا، جزءًا أساسيًا من الاحصاء الكمية جنبا إلى جنب مع تراكب. عندما تتشابك الجسيمات أو الذرات أو الجزيئات، فإن معرفة شيء ما عن أحدهما يخبرنا بشيء عن الآخر.

في سعيهم لتحقيق أحلام الحوسبة تلك، كان الفيزيائيون مهتمين في المقام الأول بكيفية ربط جزيئين في حالة متشابكة وعدم إزعاجهما، حتى لا يتفككا ويمكنهما نقل المعلومات بشكل موثوق عبر مسافات كبيرة.

ومع ذلك، فقد تم التفكير بشكل أقل فيما إذا كان من الممكن تحويل الجسيمات المتشابكة من حالة كمومية إلى أخرى، ومدى صعوبة ذلك، وما عدد الترتيبات المحتملة الموجودة، وما إذا كانت عملية التشابك قابلة للعكس في نهاية المطاف.

في الديناميكا الحرارية، تصف القابلية العكسية العمليات المثالية التي يمكن التراجع عنها بطريقة تترك النظام ــ والكون ــ دون تغيير فعليا. على سبيل المثال، تحويل الماء إلى بخار مع الحرارة يمكن أن يدفع المكبس، في حين أن المكبس الذي يدفع البخار يمكن أن يعيده إلى الحالة السائلة الساخنة.

إذا كان من الممكن أيضًا التراجع عن الحالات المتشابكة، حتى من الناحية النظرية، فقد يعني ذلك أوجه تشابه أخرى معها الديناميكا الحرارية يمكن أن يشير إلى حقيقة أعمق في ميكانيكا الكم.

“إن عملنا هو بمثابة الدليل الأول على أن الانعكاس هو ظاهرة قابلة للتحقيق في نظرية التشابك” يقول عالم فيزياء الكم بارتوش ريجولا، من مركز RIKEN للحوسبة الكمومية في اليابان، الذي تعاون مع لودوفيكو لامي من جامعة أمستردام في الدراسة.

“هذا ليس له تطبيقات فورية ومباشرة في أسس نظرية الكم فحسب، بل سيساعد أيضًا في فهم القيود النهائية على قدرتنا على التعامل بكفاءة مع التشابك في الممارسة العملية” يضيف.

لا يمكن أن تحدث العمليات العكسية في الواقع، وذلك بفضل القانون الثاني للديناميكا الحرارية. تتلخص في مفهوم يعرف باسم إنتروبيافإنه يفرض أن أي حالة جديدة في نظام مغلق من المحتمل ألا تتمتع بالطاقة اللازمة لعكس اتجاهها بالكامل بعد التغيير.

هل تريد عكس هذا المكبس؟ ستحتاج إلى سحب الطاقة من مكان آخر. وبما أن الكون نظام مغلق ولا يمكنه الحصول على الطاقة من أي مكان آخر، فإن إنتروبيا الكون ستزداد إلى الأبد.

نظرًا للعلاقة القوية بين الإنتروبيا وقابلية الانعكاس في الديناميكا الحرارية، فإن تحديد التوازي في التشابك يمكن أن يكون له آثار عميقة على فهم التحولات الكمومية.

لإنشاء “إنتروبيا” للتشابك، كان على ريجولا ولامي إثبات أن تحولات التشابك يمكن بالفعل جعلها قابلة للعكس، تمامًا كما يمكن تحويل الشغل والحرارة في الديناميكا الحرارية.

إن الاقتراح القائل بوجود نوع من “الإنتروبيا” من التشابك هو تحول مفاجئ من ريجولا ولامي، اللذين نشرا في العام الماضي بحثًا الدراسة في فيزياء الطبيعة الذي ادعى أنه “لا يوجد قانون ثانٍ للتلاعب بالتشابك على الإطلاق”.

الزوج انتهى أنه نظرًا لأن الجسيمات المتشابكة ستؤدي دائمًا إلى فقدان بعض هذا التشابك، والذي لا يمكن استعادته بالكامل، فسيكون من المستحيل تحويل حالة كمومية، أو مورد، إلى حالة أخرى والعودة مرة أخرى.

“يمكننا أن نستنتج أنه لا توجد كمية واحدة، مثل إنتروبيا التشابك، يمكنها أن تخبرنا بكل ما يمكن معرفته عن التحولات المسموح بها للأنظمة الفيزيائية المتشابكة.” قال اللامي حينها.

لكن تلك النتائج لم تردعهم. بل هم اعتقدت أنه اقترح أن نظرية التشابك الموحدة، إن وجدت، كانت أكثر تعقيدًا بكثير من القوانين الكلاسيكية للديناميكا الحرارية. لذلك استمروا في معالجة الأرقام.

أحدث عروضهم، باستخدام تحويلات التشابك الاحتمالية، والتي تعمل فقط لبعض الوقت ولكنها توفر المزيد من القوة، تظهر أن إطارًا عكسيًا للتشابك قد يكون ممكنًا.

لكن تعترف ريجولا إن توضيح كيفية عمل تحولات الجسيمات المتشابكة عمليًا، وليس فقط إظهار أنها ممكنة إحصائيًا، يتضمن معالجة المشكلات الرياضية “التي تجنبت كل محاولات حلها حتى الآن”.

علاوة على ذلك، فإن عمل الثنائي يعد خروجًا عن المحاولات السابقة لتوصيف بعض التحولات الكمية، لأنه يأخذ في الاعتبار فقط التحولات التي يمكن تحقيقها مع بعض الاحتمالات – مهما كانت هذه الاحتمالات صغيرة جدًا. ونتيجة لذلك، قد لا تكون هذه الاحتمالات كافية لإثبات وجود تحولات قابلة للتكرار والعكس للحالات المتشابكة في الممارسة العملية.

“إن فهم المتطلبات الدقيقة لقابلية الرجوع للاستمرار يظل مشكلة مفتوحة رائعة.” يقول ريجولا.

وقد نشرت الدراسة في اتصالات الطبيعة.