ماذا تعرف عن ظاهرة التشابك الكمومي؟

التشابك ظاهرة في الفيزياء الكمية، تحدث عندما يتولد زوجان أو مجموعة من الجسيمات أو تتفاعل أو تتشارك الجسيمات ذات القرب المكاني بحيث لا يمكن وصف الحالة الكمية لجسيم معين بشكل مستقل عن الجسيمات الأخرى، حتى لو فصلت مسافة كبيرة بين هذه الجسيمات.
انظر الی الرابط

ترتبط هالة الغموض الفاتن بمفهوم التشابك الكمومي، وكذلك بالادعاء (بطريقة ما) بأن نظرية الكم تتطلب "عوالم عديدة". ومع ذلك، فهذه في النهاية، أو ينبغي أن تكون، أفكارًا علمية، لها معاني واقعية وآثار ملموسة. هنا أود أن أشرح مفاهيم التشابك والعديد من العوالم ببساطة ووضوح كما أعرف.

غالبًا ما يُنظر إلى التشابك على أنه ظاهرة ميكانيكية كمية فريدة، لكنها ليست كذلك. في الواقع، من المفيد، على الرغم من أنه غير تقليدي إلى حد ما، التفكير في نسخة بسيطة غير كمومية (أو "كلاسيكية") من التشابك أولاً. يمكّننا هذا من تفكيك دقة التشابك نفسه بعيدًا عن الغرابة العامة لنظرية الكم.

"فعل مخيف عن بعد!" هذه هي الطريقة التي سخر بها ألبرت أينشتاين من مفهوم التشابك الكموم حيث يمكن للأجسام أن ترتبط ببعضها البعض وتؤثر بشكل فوري على بعضها البعض بغض النظر عن المسافة. يقترح الباحثون الآن أن هذا العمل المخيف بطريقة ما قد يعمل مع الشعور بآثاره حتى بعد كسر الارتباط بين الأشياء.
أتت إحدى القواعد الأساسية للفيزياء، بلا منازع منذ أن وضعها أينشتاين لأول مرة في عام 1905، والتي تنص على أنه لا يمكن لأي إشارة تحمل معلومات من أي نوع أن تنتقل عبر الكون أسرع من سرعة الضوء. وأن الجسيمات، سواء كانت ضخمة أو عديمة الكتلة، مطلوبة لنقل المعلومات من موقع إلى آخر، وهذه الجسيمات مُفوضة بالسفر إما بأجزاء من سرع الضوء (للجسيمات التي لها كتلة) أو بسرعة الضوء (للجسيمات عديمة الكتلة)، وفقًا لقواعد النسبية.

ومنذ تطوير ميكانيكا الكم، سعى الكثيرون إلى الاستفادة من قوة التشابك الكمومي لتخريب هذه القاعدة، وابتكار مخططات ذكية لمحاولة نقل المعلومات إلى "خداع" النسبية والتواصل بشكل أسرع من الضوء بعد كل شيء. على الرغم من أنها محاولة رائعة للتغلب على قواعد كوننا، إلا أن الاتصال الأسرع من الضوء لا يزال مستحيلًا. إليك لماذا.

من الناحية المفاهيمية، يعتبر التشابك الكمومي فكرة بسيطة. يمكنك البدء بتخيل الكون الكلاسيكي وإحدى أبسط التجارب "العشوائية" التي يمكنك إجراؤها: إجراء رمي العملة النقدية. إذا كان لدى كل منا عملة وقمنا برميها، فسيتوقع كل منا أن تكون هناك فرصة بنسبة 50/50 لكل منا أن يحصل على الصورة وفرصة بنسبة 50/50 أن يحصل كل منا على كتابة. لا يجب أن تكون نتائجك ونتائجي عشوائية فحسب، بل يجب أن تكون مستقلة وغير مرتبطة: سواء حصلت على صور أو كتابة، يجب أن يكون هناك احتمال بنسبة 50/50 بغض النظر عما ستحصل عليه في النهاية.

ولكن إذا لم يكن النظام نظامًا كلاسيكيًا، وكان نظامًا كميًا بدلاً من ذلك، ولنفترض أنه في هذا النظام كانت لديك أيّاً كان موقعك الجغرافي على سطح الأرض- عملة معدنية متشابكة كمّياً مع عملة معدنية موجودة معي في موقعي هذا، أي أن عملتك المعدنية وعملتي المعدنية متشابكتين كميّاً مع وجود مسافة فيزيائية بينهما. قد لا يزال لدينا فرصة بنسبة 50/50 للحصول على صورة أو كتابة، ولكن إذا قمت أنت برمي عملتك المعدنية حصلت على صورة، فستتمكن على الفور من التنبؤ إحصائيًا بدقة أفضل من 50/50 ما إذا كان من المحتمل أن تصل عملتي أنا بعد أن أرميها لنتيجة صورة أو كتابة.

كيف يكون هذا ممكنا؟ في فيزياء الكم، توجد ظاهرة تُعرف باسم التشابك الكمومي، حيث يمكنك إنشاء أكثر من جسيم كمي - لكل منها حالته الكمية الفردية - حيث تعرف شيئًا مهمًا عن مجموع كلتا الحالتين معًا. يبدو الأمر كما لو أن هناك خيطًا غير مرئي يربط بين عملتك المعدنية وعملتي، وعندما يقوم أحدنا بإجراء قياس حول أحد العملتين، فإننا نعرف على الفور شيئًا عن حالة العملة الأخرى يتجاوز العشوائية الكلاسيكية المألوفة.

وهذا ليس مجرد عمل نظري. لقد تم إنشاء أزواجًا من الكميات المتشابكة (فوتونات، على وجه التحديد) والتي يتم نقلها بعيدًا عن بعضها البعض حتى يتم فصلها أحياناً بمسافات كبيرة، ثم يوضع جهازان مستقلان للقياس ليخبراننا عن الحالة الكمومية لكل جسيم. تؤخذ هذه القياسات بحيث يكون التوقيت لكل منهما أقرب ما يمكن إلى وقت واحد، ثم تتم مقارنة النتائج.

ما وجده العلماء، ربما بشكل مفاجئ، هو أن كلا النتيجتين تكون دوماً مترابطة! فمثلاً، إذا فصلنا فوتونين بمسافات مئات الكيلومترات قبل إجراء تلك القياسات، ثم قمنا بقياس حالاتهما الكمومية في غضون نانو ثانية من بعضهما البعض. إذا كان أحد هذه الفوتونات له دوران Spin +1، فيمكن توقع حالة الآخر بدقة تصل إلى 75%، بدلاً من 50% القياسية.

علاوة على ذلك، يمكننا "معرفة" تلك المعلومات على الفور، بدلاً من انتظار جهاز القياس الآخر لإرسال نتائج تلك الإشارة إلينا، والتي قد تستغرق حوالي مللي ثانية. يبدو، أنه يمكننا معرفة بعض المعلومات حول ما يحدث في الطرف الآخر من التجربة المتشابكة، وليس فقط بسرعة تفوق سرعة الضوء، ولكن أسرع بعشرات الآلاف من سرعة الضوء التي يمكن أن تنقل بها هذه المعلومات.

هل هذا يعني أنه يمكننا استخدام التشابك الكمومي لتوصيل المعلومات بسرعة تفوق سرعة الضوء؟

قد يبدو الأمر كذلك. على سبيل المثال، قد تحاول أنت إعداد تجربة على النحو التالي:

والتي فيها، تقوم بإعداد عدد كبير من الجسيمات الكمومية المتشابكة في موقع واحد. ثم تقوم بنقل مجموعة واحدة من الأزواج المتشابكة لمسافة طويلة ووجهة بعيدة، مع الاحتفاظ بالمجموعة الأخرى عند الموقع الأولي المصدر. أي أنك ستفصل الجسيمات المتشابكة كمياً عن بعضها البعض بمسافات هائلة.بعد ذلك، تقوم بإجراء قياساتك للأزواج المتشابكة عند المصدر، وتحدد باحتمالية أفضل من احتمالية 50/50 الحالة التي اختارها المراقب الآخر في الوجهة البعيدة عن المصدر.

تبدو هذه التجربة كإعداد رائع لتمكين حدوث اتصال أسرع من الضوء. كل ما تحتاجه هو نظام مُعد بشكل كافٍ من الجسيمات الكمومية المتشابكة، ونظام متفق عليه لما ستعنيه الإشارات المختلفة عند إجراء القياسات الخاصة بك، ووقت محدد مسبقًا لإجراء تلك القياسات الحرجة. حتى من على بعد سنوات ضوئية، يمكنك التعرف على الفور على ما تم قياسه في وجهة ما من خلال مراقبة الجسيمات التي كانت معك طوال الوقت.

إنه مخطط ذكي للغاية، لكنه لن يؤتي ثماره على الإطلاق. عندما تذهب، إلى موقع المصدر الأصلي، لإجراء هذه القياسات الحرجة، ستكتشف شيئًا مخيبًا للآمال للغاية: تظهر نتائجك ببساطة احتمالات 50/50، مثلاُ لكونك في حالة +1 أو -1. يبدو الأمر كما لو لم يكن هناك أي تشابك على الإطلاق.

أين انهارت الخطة بالضبط؟ كانت في الخطوة التي جعلنا فيها المراقب في الوجهة يقوم بملاحظة ومحاولة ترميز تلك المعلومات في حالتها الكمومية.

عندما تتخذ هذه الخطوة - إجبار جسيم واحد من زوج متشابك من الجسيمات على حالة كمية معينة - فإنك تكسر التشابك بين الجسيمين. وهذا يعني أن الجسيم الآخر من الزوج المتشابك لا يتأثر تمامًا بهذا الفعل "الإجباري"، وتظل حالته الكمية عشوائية، كتراكب للحالات الكمومية +1 و -1. لكن ما فعلته هو كسر العلاقة بين نتائج القياس تمامًا. الحالة التي "أجبرت" الجسيم المقصود عليها أصبحت الآن 100% غير مرتبطة بالحالة الكمومية لجسيم المصدر.