يعد اكتشاف التشابك الكمي خطوة ثورية إلى الأمام • Earth.com

قام فريق من الباحثين من مختبر الضوء المنظم في جامعة ويتواترسراندحققت جنوب أفريقيا تقدمًا كبيرًا فيما يتعلق بالتشابك الكمي.

بقيادة البروفيسور أندرو فوربس، بالتعاون مع عالم الأوتار الشهير روبرت دي ميلو كوخ، الموجود الآن في جامعة هوتشو وفي الصين، أثبت الفريق بنجاح طريقة جديدة للتعامل مع الجسيمات المتشابكة الكمومية دون تغيير خصائصها الجوهرية.

يمثل هذا العمل الفذ خطوة هائلة في فهمنا وتطبيقنا للتشابك الكمي.

طوبولوجيا في التشابك الكمي

يوضح بيدرو أورنيلاس، طالب الماجستير والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لقد حققنا ذلك من خلال تشابك فوتونين متطابقين وتخصيص الدالة الموجية المشتركة لهما. هذه العملية تجعل بنيتها الجماعية، أو طوبولوجياها، واضحة فقط عندما يتم اعتبارها كيانًا واحدًا.

تدور هذه التجربة حول مفهوم التشابك الكمي، والذي يشار إليه باسم “العمل الشبحي على مسافة”، حيث تؤثر الجسيمات على حالة بعضها البعض، حتى عندما تفصل بينها مسافات شاسعة.

تلعب الطوبولوجيا دورًا حاسمًا في هذا السياق. فهو يضمن الحفاظ على خصائص معينة، تمامًا مثل كيفية تعادل كوب القهوة والدونات طوبولوجيًا بسبب ثقبهما الوحيد الذي لا يتغير.

يوضح البروفيسور فوربس: “فوتوناتنا المتشابكة متشابهة”. “إن تشابكها مرن، ولكن بعض الخصائص تظل ثابتة.”

تبحث الدراسة على وجه التحديد في طوبولوجيا Skyrmion، وهو مفهوم قدمه توني سكيرمي في الثمانينيات. في هذا السيناريو، تشير الطوبولوجيا إلى خاصية عامة تظل دون تغيير، مثل نسيج القماش، بغض النظر عن كيفية التعامل معه.

تطبيقات التشابك الكمي

Skyrmions، التي تمت دراستها في البداية في المواد المغناطيسية والبلورات السائلة ونظائرها البصرية، تم الإشادة بها في فيزياء المادة المكثفة لاستقرارها وإمكاناتها في تكنولوجيا تخزين البيانات.

تضيف فوربس: “نحن نهدف إلى تحقيق تأثيرات تحويلية مماثلة من خلال سكيرميوناتنا المتشابكة الكميًا”. على عكس الأبحاث السابقة التي حددت موقع Skyrmions في نقطة واحدة، تقدم هذه الدراسة نقلة نوعية.

وكما يقول أورنيلاس: “نحن نفهم الآن أن الطوبولوجيا، التي يُنظر إليها تقليديًا على أنها محلية، يمكن أن تكون في الواقع غير محلية، ومشتركة بين كيانات منفصلة مكانيًا”.

وبناءً على ذلك، يقترح الفريق استخدام الطوبولوجيا كنظام تصنيف للحالات المتشابكة. يقارن الدكتور إسحاق نايب، وهو باحث مشارك، هذا بأبجدية الحالات المتشابكة.

ويشرح قائلاً: “تمامًا كما نفرق بين المجالات والكعكات من خلال ثقوبها، يمكن تصنيف سكيرميوناتنا الكمومية حسب سماتها الطوبولوجية”.

الأفكار الرئيسية والبحوث المستقبلية

يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام بروتوكولات اتصال كمومية جديدة، تستخدم الطوبولوجيا كوسيلة لمعالجة المعلومات الكمومية.

يمكن لمثل هذه البروتوكولات أن تُحدث ثورة في كيفية تشفير ونقل المعلومات في الأنظمة الكمومية، خاصة في السيناريوهات التي تفشل فيها طرق التشفير التقليدية بسبب الحد الأدنى من التشابك.

وخلاصة القول إن أهمية هذا البحث تكمن في إمكانية تطبيقه على أرض الواقع. لعقود من الزمن، كان الحفاظ على الدول المتشابكة يشكل تحديا كبيرا.

تشير النتائج التي توصل إليها الفريق إلى أن الطوبولوجيا يمكن أن تظل سليمة حتى مع اضمحلال التشابك، مما يوفر آلية تشفير جديدة للأنظمة الكمومية.

ويختتم البروفيسور فوربس ببيان تطلعي، قائلًا: “نحن الآن على استعداد لتحديد بروتوكولات جديدة واستكشاف المشهد الواسع للحالات الكمومية غير المحلية، 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 عالم فيزياء الكم.

إنها عملية فيزيائية يتم فيها إنشاء أزواج أو مجموعات من الجسيمات، أو التفاعل، أو مشاركة القرب المكاني بطرق بحيث لا يمكن وصف الحالة الكمومية لكل جسيم بشكل مستقل عن حالة الجسيمات الأخرى، حتى عندما تكون الجسيمات مفصولة بمسافة كبيرة. .

الاكتشاف والسياق التاريخي

تم وضع نظرية التشابك الكمي لأول مرة في عام 1935 من قبل ألبرت أينشتاين، وبوريس بودولسكي، وناثان روزين. اقترحوا مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين (EPR)، متحديين اكتمال ميكانيكا الكم.

أشار أينشتاين بشكل مشهور إلى التشابك على أنه “عمل شبحي عن بعد”، معبرًا عن عدم ارتياحه لفكرة أن الجسيمات يمكن أن تؤثر على بعضها البعض بشكل فوري على 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، فإنهما يرتبطان بطريقة تجعل حالة أحدهما (سواء كانت الدوران أو الموضع أو الزخم أو الاستقطاب) ترتبط على الفور بحالة الآخر، بغض النظر عن مدى تباعدهما.

التشابك الكمي في الحوسبة والاتصالات

يتحدى التشابك الكمي المفاهيم الكلاسيكية للقوانين الفيزيائية. فهو يشير إلى أنه يمكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء، وهو ما يتناقض مع النظرية النسبية لأينشتاين.

ومع ذلك، هذا لا يعني أن المعلومات القابلة للاستخدام يتم نقلها على الفور، الأمر الذي من شأنه أن ينتهك العلاقة السببية؛ بل إنه يعني ضمنا وجود ترابط عميق الجذور 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 هو المفتاح لتطوير أنظمة اتصالات آمنة للغاية، مثل التشفير الكمي وتوزيع المفتاح الكمي، والتي تعتبر محصنة نظريًا ضد القرصنة.

التحقق التجريبي والبحوث الحالية

منذ بدايته النظرية، تم إثبات التشابك الكمي تجريبيًا عدة مرات، مما يؤكد طبيعته الغريبة وغير البديهية.

أشهرها تجارب اختبار بيل، والتي قدمت أدلة مهمة ضد نظريات المتغير الخفي المحلي ولصالح ميكانيكا الكم.

باختصار، لا يزال التشابك الكمي، وهو حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، موضوعًا للبحث والنقاش المكثف. إن طبيعتها المحيرة تتحدى فهمنا للعالم المادي وتفتح المجال أمام التطورات الثورية المحتملة في مجال التكنولوجيا.

ومع تقدم الأبحاث، قد نجد المزيد من التطبيقات العملية لهذه الظاهرة الغريبة، مما يفتح المزيد من أسرار الكون الكمي.

ونشرت الدراسة كاملة في المجلة الضوئيات الطبيعة.

—–

مثل ما قرأت؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.

تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني يقدمه لك Eric Ralls وEarth.com.

—–