فريق من الباحثين من مختبر الضوء المنظم جامعة ويتواترسراندحققت جنوب إفريقيا تقدمًا كبيرًا في التشابك الكمي.
بقيادة البروفيسور أندرو فوربس، بالتعاون مع عالم الأوتار الشهير روبرت دي ميلو كوخ، الموجود الآن في جامعة هوتشو وفي الصين، نجح الفريق في عرض طريقة جديدة لمعالجة الجسيمات الكمومية المتشابكة دون تغيير خصائصها الجوهرية.
يمثل هذا العمل الفذ علامة فارقة في فهمنا وتطبيقنا للتشابك الكمي.
طوبولوجيا في التشابك الكمي
يشرح بيدرو أورنيلاس، طالب الماجستير والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لقد حققنا ذلك من خلال تشابك فوتونين متطابقين وتخصيص وظيفة الموجة المشتركة الخاصة بهما. هذه العملية تجعل بنيتها الجماعية، أو طوبولوجياها، واضحة فقط عند النظر إليها ككيان واحد.
تتمحور هذه التجربة حول مفهوم التشابك الكمي، المعروف باسم “العمل الشبحي على مسافة”، حيث تؤثر الجسيمات على حالات الآخرين، حتى عندما تفصلهم مسافات كبيرة.
تلعب الطوبولوجيا دورًا حاسمًا في هذا السياق. وهذا يضمن الحفاظ على خصائص معينة، تمامًا مثل كيفية تكافؤ فنجان القهوة والدونات طوبولوجيًا بسبب ثقبهما الفريد والثابت.
يوضح البروفيسور فوربس: “فوتوناتنا المتشابكة متشابهة”. “إن تشابكها مرن، لكن 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 التلاعب به.
تطبيقات التشابك الكمي
Skyrmions، التي تمت دراستها في الأصل في المواد المغناطيسية والبلورات السائلة والنظائر البصرية، تمت الإشادة بها في فيزياء المادة المكثفة لاستقرارها وإمكاناتها في تكنولوجيا تخزين البيانات.
تضيف فوربس: “نحن نهدف إلى تحقيق تأثيرات تحويلية مماثلة من خلال عمليات التشابك الكمي الخاصة بنا”. 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 تعتبر تقليديًا محلية، يمكن أن تكون في الواقع غير محلية، ومشتركة بين كيانات منفصلة مكانيًا. »
وعلى هذا الأساس، يقترح الفريق استخدام الطوبولوجيا كنظام لتصنيف الحالات المتشابكة. يشبه الباحث المشارك الدكتور إسحاق نايب هذا الأمر بأبجدية الحالات المتشابكة.
ويشرح قائلاً: “تمامًا كما نفرق بين المجالات والكعكات من خلال ثقوبها، يمكن تصنيف سكيرميوناتنا الكمومية حسب خصائصها الطوبولوجية”.
الأفكار الرئيسية والبحوث المستقبلية
يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام بروتوكولات اتصال كمومية جديدة، باستخدام الطوبولوجيا كدعم لمعالجة المعلومات الكمومية.
يمكن لمثل هذه البروتوكولات أن تُحدث ثورة في الطريقة التي نشفر بها المعلومات وننقلها في الأنظمة الكمومية، خاصة في السيناريوهات التي تفشل فيها طرق التشفير التقليدية بسبب الحد الأدنى من التشابك.
وخلاصة القول أن 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 عند اضمحلال التشابك، مما يوفر آلية تشفير جديدة للأنظمة الكمومية.
ويختتم البروفيسور فوربس ببيان تطلعي: “نحن الآن على استعداد لتحديد بروتوكولات جديدة واستكشاف المشهد الواسع للحالات الكمومية الطوبولوجية غير المحلية، مما قد يحدث ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع الاتصالات الكمومية ومعالجة المعلومات. »
تعلم المزيد عن التشابك الكمي
كما ذكرنا سابقًا، 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 بطريقة لا يمكن وصف الحالة الكمومية لكل جسيم بشكل مستقل عن حالة الجسيمات الأخرى، حتى عندما يتم فصل الجسيمات بواسطة مسافة كبيرة. .
الاكتشاف والسياق التاريخي
تم وضع نظرية التشابك الكمي لأول مرة في عام 1935 من قبل ألبرت أينشتاين وبوريس بودولسكي وناثان روزين. لقد اقترحوا مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين (EPR)، مما يدعو إلى التشكيك في اكتمال ميكانيكا الكم.
أطلق أينشتاين على التشابك اسم “العمل الشبحي عن بعد”، معبرًا عن عدم ارتياحه لفكرة أن الجسيمات يمكن أن تؤثر على بعضها البعض بشكل فوري على مسافات كبيرة.
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 أكثر من حالة في وقت واحد.
عندما يتشابك جسيمان، فإنهما يرتبطان بطريقة تجعل حالة أحدهما (سواء كانت تدور، أو موضعه، أو زخمه، أو استقطابه) ترتبط على الفور بحالة الآخر، مهما كانت المسافة بينهما.
التشابك الكمي في الحوسبة والاتصالات
يتحدى التشابك الكمي المفاهيم الكلاسيكية للقوانين الفيزيائية. وهذا 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 ينطوي على ترابط عميق 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 ضروريًا لتطوير أنظمة اتصالات آمنة للغاية، مثل التشفير الكمي وتوزيع المفاتيح الكمومية، والتي تعتبر من الناحية النظرية منيعة للقرصنة.
التحقق التجريبي والبحث المستمر
منذ بداياته النظرية، تم إثبات التشابك الكمي تجريبيًا عدة مرات، مما يؤكد طبيعته الغريبة وغير البديهية.
أشهرها تجارب اختبار بيل، التي قدمت أدلة مهمة ضد النظريات المحلية للمتغيرات الخفية ولصالح ميكانيكا الكم.
باختصار، التشابك الكمي، حجر الزاوية في ميكانيكا الكم، لا يزال موضوع بحث ونقاش مكثف. إن طبيعتها المحيرة تتحدى فهمنا للعالم المادي وتمهد الطريق للتقدم التكنولوجي الثوري المحتمل.
ومع تقدم الأبحاث، قد نجد المزيد من التطبيقات العملية لهذه الظاهرة الغريبة، مما يكشف المزيد من أسرار الكون الكمي.
ونشرت الدراسة كاملة 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 يقدمه لك Eric Ralls وEarth.com.
—–
