ܛܓ التشابك في الفيزياء ܛܓ

كعادتنا احبائي يسـرنا اليوم ان نطــل عليكم بموضوع جديد



التشابك في الفيزياء



إن هذه الخاصة التي نبه إليها < A.آينشتاين> ونظريون آخرون في ثلاثينات القرن الماضي دخلت عالَم المختبرات والتجربة في أواخر السبعينات للإجابة عن أسئلةٍ حول تفسير الظواهر التي تثيرها الفيزياء الكمومية. وأصبح مفهوم التشابك منذ ذلك الحين مركزيا في أبحاث عديدة نظرية وتجريبية. إن إحدى الإشكاليات التي جرى تحرّيها هي إشكالية الانتقال من السلوك الكمومي لمنظومة ما إلى السلوك التقليدي الكلاسيكي. والإشكالية الأخرى التي سندرسها هنا تتعلق بالمعلومات الكمومية، أي باستعمال الخصائص الكمومية لمعالجةٍ أكثر فعالية للمعلومات (الحاسوب الكمومي) أو لضمان أمانٍ أفضل في الاتصالات (التعمية ـ الشفرة الكمومية).


وقبل التركيز على هذه الأبحاث وعلى النتائج التي حققتها، سنبدأ بشرح ماهية التشابك، وذلك بعرض خاصتين مميزتين للفيزياء الكمومية: مبدأ التراكب ومفهوم القياسات غير المنسجمة.


إن الباب بالنسبة إلينا جميعا هو إمّا مغلق أو مفتوح، في حين يختلف الأمر عن ذلك في الفيزياء الكمومية، حيث يمكن للباب (أو على الأقل لأي منظومة كمومية ذات حالتين أساسيتين ممكنتين) أن يكون في حالةٍ «تُراكِب» أو تَجمع بين الوضعين (المغلق و المفتوح) في آن واحد. فعندما نقيس وضع هذا الباب، فإن احتمال وجوده مفتوحا هو p واحتمال وجوده مغلقا هو ( 1 - p). إن عدم اليقين هنا غير قابل للإنقاص، وهو خاصة ملازمة لحالة الباب الكمومية موضع البحث. إن ما يحدد الاحتمالات هو حالة الباب (الكمومية) التي نفترض أنها معروفة تماما. فمفهوم عدم اليقين هنا يختلف اختلافا تاما عن عدم اليقين التقليدي، حيث تظهر الاحتمالات نتيجة لسوء معرفة حالة الباب التقليدية (أهو مفتوح أم مغلق).


أما القياسات غير المنسجمة فهي القياسات التي لا يمكن إجراؤها في آن واحد وبالدقة التي نريد. على سبيل المثال، يستحيل قياس موضع واندفاع جسيم ما في آن واحد بدقة تامة. وهنا أيضا أمامنا ميزة كمومية لا مثيل لها في الفيزياء التقليدية؛ فالمقابل التقليدي في حالة بابنا هو قولنا باستحالة تعيين موضعه ولونه في آن واحد.



تأثير غريب من بعد ( **)




إن خاصة التشابك أشد غرابة من الخاصتين السابقتين. فقد كانت في صلب نقاش حامي الوطيس بين وزميليه < B.پودولسكي> و< N.روزن> من جهة وبين أنصار النظرية الكمومية وبخاصة < N.بوهر> ومن بعده < D.بوم> من جهة أخرى. وكان < E.شرودينگر> أول من أدخل مفهوم هذه الخاصة في منتصف ثلاثينات القرن الماضي للدلالة على حالات كمومية خاصة يمكن أن تظهر عندما يتفاعل معا شيئان كموميان أو أكثر (ذرات، إلكترونات، إلخ.)



إن للمنظومة المتشابكة خصائص لا تُستخلص من الخصائص المنفردة لمكوناتها كل على حدة. فنتائج قياسٍ يُجرى على إحدى مكونات المنظومة مرتبطة بنتائج القياس المجرى في اللحظة نفسها على أجزاء المنظومة الأخرى، بغض النظر عن المسافة التي تفصل بين المكوِّنات. وكان هذا في نظر مثل «أثر شبحي من بعد» spukhafte Fernwirkung لا يمكن قبوله.


كيف يتم التعبير عن هذه العلاقة غير الموضعية بين نتائج القياس؟ يُعبر عنها بالترابطات. ويتعلق مفهوم الترابط بفكرة مألوفة لا تخص الفيزياء الكمومية وحدها. فعلى سبيل المثال، تُلازم التغذية المتوازنة في معظم الأحيان الصحةَ الجيدة. ولكننا سنعود إلى مثال الباب للتمييز بين الترابطات التقليدية والترابطات الكمومية (التشابك).


يمكننا تقليديا أن نتصور أننا في غرفة ذات بابين مغلقين في البدء، ويلزم فتح واحد منهما فقط للخروج منها. يوجد والحالة هذه ترابط (مضاد) كامل بين وضع البابين: إذا كان أحدهما مغلقا فالآخر مفتوح. إن الترابطات في الميكانيك الكمومي أعمق من ذلك بكثير وتخص المقادير غير المنسجمة.







الشكل 1: هذه الصورة بالألوان غير الحقيقية (فوق) أُعِدَّت في جامعة إنسبروگ في عام 1995 من صور فوتوغرافية تمّ التقاطها باستخدام ثلاثة مرشّحات مختلفة أثناء التجربة (أعلاه) المحدثة لأزواج من الفوتونات في حالة استقطاب متشابك. ويوجه لهذا الغرض شعاع ليزر فوق بنفسجي نحو بلورة من بورات الباريوم مُعَدّة في اتجاه ملائم. يتحول جزء ضئيل من الفوتونات فوق البنفسجية إلى أزواج من الفوتونات ذات طاقة أقل. وتنبعث توائم الفوتونات هذه متناظرةً بالنسبة إلى محور الورود وتشكل بالتراكم، من أجل طاقة معينة (طول موجة معين)، مخروطين على جانبي الحزمة الواردة. وتوافق الدوائرُ ذات اللون الواحد في الصورة تقاطعَ هذين المخروطين مع الفيلم الفوتوغرافي. يقابل أحد المخروطين الفوتونات المستقطَبة عموديا، في حين يقابل المخروط الآخر الفوتونات المستقطَبة أفقيا. ونقاط تقاطع المخروطين تقابل الاتجاهين اللذين يكون فيهما توأما الفوتونين في حالة استقطاب متشابك.




ولنوضح ذلك نفرض أن قياس الوضع (مفتوحا أو مغلقا) وقياس اللون (أبيض أو أسود) غير منسجمين. وهذا يعني أن معرفة حالة وضع الباب تجعل معرفة حالة لونه غير ممكنة (غير محددة) والعكس بالعكس. ويمكن كتابة حالة متشابكة للبابين على شكل تراكب للحالة «الباب A مغلق والباب B مفتوح» مع الحالة «الباب A مفتوح والباب B مغلق». إن ما يميز هذه الحالة المتشابكة هو استحالة معرفة نتيجة قياس لونِ بابٍ ما مسبقا (لأن اللون غير منسجم مع الوضع)، إلا أن هذه النتيجة مرتبطة (بالتضاد) أيضا بنتيجة قياس لون الباب الثاني؛ فإذا اكتشفنا أن أحد البابين أبيض، فإن الآخر أسود لا محالة. إن انحفاظ هذه الترابطات (المضادة)، عندما ننتقل من مقدار فيزيائي إلى مقدار آخر غير منسجم معه، هو أحد مميزات الحالات المتشابكة.


لقد فسر بعض الفيزيائيين هذه الترابطات المدهشة على أنها إشارة على وجود وسطاء خفية، تمكّن معرفتها من التنبؤ بنتيجة القياسات غير المنسجمة. فالنظرية الكمومية، من وجهة النظر هذه، نظرية منقوصة غير كاملة ويجب الاستعاضة عنها بنظرية مسماة النظرية ذات المتغيرات الخفية، وعلينا اكتشافها. لقد كانت هذه وجهة النظر التي دافع عنها و و في مقالهم الذي نشر في عام 1935 والذي أثار الجدل مع .


في البدء، كان الجدل نظريا بحتا، إلا أن < J.بيل> [وهو فيزيائي إيرلندي عمل في المركز سيرن CERN] برهن في أوائل الستينات على أنه يمكن القيام بقياسات ذكية على الحالات المتشابكة تسمح بالبت قطعا إما لصالح نظرية المتغيّرات الخفية أو لصالح الفيزياء الكمومية، وهذا دفع إلى القيام بتجارب عديدة الغرض منها إنتاج هذه الحالات وقياس الترابطات الموافقة. ولكن أُولى التجارب التي اعتبرت حاسمة كانت تلك التي قامت بها مجموعة < A.آسپي> [في معهد البصريات بأورسي في عام 1982]. لقد أثبتت النتائج التي لا تتواءم مع نظرية المتغيرات الخفية صحةَ الميكانيك الكمّومي من دون أي لبس.


إن إحدى الأدوات التجريبية الأكثر أهمية في هذا المجال هي البلورات المعروفة باللاخطية، التي يتحول فيها الفوتون الوارد إلى فوتونين، سُمِّيا التوأمين لوجود ترابطات قوية بينهما. وعلى وجه التحديد، إن حالة استقطابهما (أي اتجاه الحقل الكهربائي الموافق للفوتون) هي حالة متشابكة، وهي خاصة يُعبَّر عنها بوجود ترابطات بين الاستقطابات المقيسة في اتجاهات اختيرت بشكل جيد.


تؤدي الاستقطابات في هذه المنظومات ذات الفوتونين التوأمين دور الوضع واللون في مثل البابين: استقطاب عمودي أو أفقي عوضا عن وضعٍ مفتوح أو مغلق، واستقطاب في اتجاه محور مائل بزاوية + 45 أو - 45 درجة عوضا عن لونٍ أبيض أو أسود؛ ذلك أن قياس الاستقطاب في اتجاه ما لا ينسجم مع قياسه في اتجاه غير عمودي عليه [فإذا استقبلنا، على سبيل المثال، فوتونا ذا استقطاب عمودي على مستقطِبٍ اتجاهُ محوره هو + 45 درجة، فإن نتيجة القياس غير مؤكدة: هناك احتمال قدره 50 في المئة بأن يجتاز الفوتون المستقطِبَ (أي بأن يكون مستقطَبا في اتجاه المحور + 45 درجة) واحتمال آخر قدره 50 في المئة بأن يوقف (أي بأن يكون مستقطَبا في اتجاه المحور - 45 درجة)].


عندما تصبح البتّة كمومية(* **)


شهد العقدان الماضيان تقدما تقانيا سريعا، ابتدع الفيزيائيون خلاله التشابك في نُظم جد مختلفة وتحكموا فيه (انظر المؤطر في الصفحة 66 و 67). إن أحد أسباب هذا الاندفاع هو أنه منذ منتصف الثمانينات لم يعد موضوع التشابك مقتصرا على الدراسة الشيقة لتفهم الفيزياء الكمومية، ولكنه أصبح أيضا الأساس الذي تقوم عليه تطورات عديدة على مفترق الطرق بين المعلومات (1) ونظرية المعلومات والفيزياء الكمومية. إن ما يتطلع إليه مجال المعلومات الكمومية هذا هو استغلال الخصائص المميزة للفيزياء الكمومية، والتشابك على وجه الخصوص، لتحسين نقل ومعالجة المعلومات.




يمكن لمنظومات فيزيائية مختلفة أن تؤدي دور الكيوبتات في حاسوب المستقبل. وهكذا يمكن، على سبيل المثال في دارة فائقة الموصلية (الناقلية) مناسبة ( a)، تعريف الكيوبتات بحالتين كهربائيتين أساسيتين ـ موافقتين مثلا لاتجاهين متعاكسين لمرور التيار. وهذه الدارات تحت الميكروية لا تعمل إلا في درجات الحرارة المنخفضة جدا، إلا أنها تمتاز بسهولة إنتاجها ودمجها. إن التعامل مع الكيوبتات سريع جدا، بحدود ميكرو الثانية أو بأقل من ذلك. ونحن نعرف اليوم كيفية شبك كيوبتتين فائقتي الموصلية، إلا أن ضرورة ربط الكيوبتّات بالعالم الخارجي يحد من اتساق الكيوبتّة.

إن الإيونات المحتجَزة التي تمّ اصطيادها باستخدام حقول كهرمغنطيسية هي التي أتاحت، إلى يومنا هذا، تحقيق أفضل المآثر في مجال المعلومات الكمومية. إن كل إيون عبر حالتين من حالاته الإلكترونية يمثل كيوبتة. وقد ضربت مجموعة < R.بلات> [من جامعة إينسبروگ النمساوية] الرقم القياسي في عدد الإيونات التي يمكن تشبيكها: . 8 وتتميز الإيونات المحتجزة بعدم تعرضها لفقدان الاتساق إلا قليلا، وذلك لضعف اقترانها بالمحيط المجاور. كما أنها مرشحة لتؤدي دور محاكاة للمنظومات الكمومية الأكثر تعقيدا. ولكن التحكم في أعداد كبيرة من الإيونات المصطادة لا يبدو قابلا للتحقيق، ذلك أن صعوبة التعامل معها تزداد بازدياد العدد.

وتمثل «الصناديق الكمومية»، وهي بُنى صنعية مكونة من مواد شبه موصلة (نصف ناقلة)، منظومةً أخرى مأمولة ( b). والصندوق الكمومي حيِّز نانومتري يمكن أن يُحتجز الإلكترون فيه، بحيث تكون مختلف مستوياته الطاقية منفصلة تماما عن بعضها. ويشكل الإلكترون بحالتي طاقة كيوبتّة، وتكمن ميزة هذه المنظومة في إمكانية التفاعل القوي بين الإلكترونات الموجودة في الصندوق نفسه أو في صناديق متجاورة. أما تشابك حالات الإلكترونات في الصناديق الكمومية، فقد برهنت عليه في عام 2003 مجموعتا < Ch.ماركوس> [من جامعة هارکرد] و< L.كوفنهوکن> [من جامعة دلفت في هولندا]. ويمكن لهذه البنى أن تشكل منبعا لفوتونات وحيدة أو متشابكة، وهي العناصر الأساسية في التعمية الكمومية.









دراة فائقة الموصلية أبعادها ميكرومترية، أنشئت في هيئة الطاقة الذرية ( CEA) من قبل مجموعة الإلكترونيات الكمومية (2).




ثلاثة صناديق كمومية من خليطة زرنيخ الگاليوم والآنديوم في قالب مؤلف من طبقات من زرنيخ الگاليوم.




استطاع الباحثون تحليل العدد 15 بمعالجة سپينات (تدويمات) الذرات السبع (المرقمة) للجزيء C 11H 5F 5O 2F e.




يمكن للذرات والفوتونات أن تتفاعل وتتآثر مع بعضها بأعداد صغيرة وعلى نحو متحكم فيه في جهازٍ بتجويف (مفتوح هنا).



لنذكر أيضا تكاثفات بوز-آنشتاين، وهي تجمّعات لآلاف أو ملايين الذرات المبردة إلى درجة حرارة منخفضة جدا بواسطة الليزرات وموجودة كلّها في الحالة الكمومية الجماعية نفسها. ويمكن التحكم في التكاثفات واستعمالها آلاتٍ حاسبة كمومية، مع أن البحث في الوقت الحاضر يقتصر على تحري الخصائص الأساسية لهذه النظم التي لم تكتشف إلا في عام 1995.

لقد أُنجزت التجارب الأولى على البوابات المنطقية والخوارزميات الكمومية باستخدام الرنين المغنطيسي النووي في درجة حرارة الغرفة، وهو تقنية تسمح لنا بمعالجة الحالات المغنطيسية لنوى الذرات بواسطة حقول كهرمغنطيسية بتواترٍ راديوي. وهكذا فقد طبق < I.شوانگ> وزملاؤه [في جامعة ستانفورد وفي مركز أبحاث IBM في آلمادن] في عام 2001، خوارزمية شور لتحليل العدد 15 ( 5 x 3) باستعمال 7 كيوبتات موافقة للذرات السبع لجزيء عضوي ( c). ويتطلب تحقيق حاسوب كمومي مبني على الرنين المغنطيسي النووي جزيئات أكثر تعقيدا، ولا يبدو ممكنا التفكير والأمل بتحقيقه في المدى المنظور.

لنشر أخيرا إلى النظم التي تتفاعل الذرات فيها مع الفوتونات المصيدة في تجويفات مكونة من مرايا فائقة الانعكاس كتلك التي صمّمتها مجموعة عمل < S.هاروش> [من مدرسة النورمال العليا في باريس] ( d). لقد أتاحت هذه التجهيزات، المعدة لتجارب في الفيزياء الأساسية، إنشاء حالات متشابكة مُتَحَكَّم فيها وبوابات منطقية كمومية. ولكن لا يمكن تصور بناء حاسوب كمومي كبير ابتداءً من عدد كبير من مثل هذه التجويفات. وكل ما هنالك أننا أمام نظم نموذجية كُيِّفَت خصيصا للبرهنة على خورازميات بسيطة تتضمن عددا صغيرا من الكيوبتّات أو لإنجاز تجارب النقل من بعد téléportation.




إن الممثلَ الفاعِل الرئيسَ في نظرية المعلومات الكمومية هو البتّة bit الكمومية (الكيوبتّة qubit). إن البتة التقليدية، وهي وحدة المعلومات الأساسية التي تعالجها الحواسيب الحالية، تمتلك حالتين ممكنتين، فقيمتها إما 0 أو 1؛ أما الكيوبتات التي تخضع للقوانين الكمومية، فيمكنها أن تكون في حالة تراكب لهاتين الحالتين. وهذا يعني أنه يمكن للكيوبتة عوضا عن أخذ إحدى القيمتين 0 أو 1 أن توجد (قبل قياسها) في حالة تراكب لـ 0 و 1. وهذه الكيوبتات هي ما يأملُ «العاملون في مجال المعلومات الكمومية» التعاملَ معها لمعالجة المعلومات وللقيام بالحسابات أو لضمان سرية الاتصالات.


وحتى الآن، يتحقق أمن النقل عبر طرق تعمية (تشفير) جد معقدة، إلا أنها غير موثوق بها مئة في المئة؛ إذ يستطيع امرؤ سيئ النية مزوّد بقدرة حسابية عالية كفايةً أن يفك هذه الشفرة. إن فائدة الانتقال للتعمية المستعملة للكيوبتات تكمن في الآتي: عندما يلتقط جاسوس ما البيانات «ويقرؤها»، فإنه يقوم بعملية قياس على البتّات المنقولة. وتقتضي عملية القياس هذه في حالة الكيوبتات تفاعلا، ومن ثَمَّ تترك أثرا لا يمحى: إن القياس يُحدث، على نحو لا يمكن تجنبه، تشابكا بين جهاز قياس الجاسوس والكيوبتات. ويمكن دائما للشخصين المتحاورين كشف التشابك، ومن ثم العلم بوجود من يصغي إلى حوارهما. لقد اقترح < Ch.بينيت> [من الشركة IBM في الولايات المتحدة] و< G.براسارد> [من جامعة مونتريال] شكلا محسنا لهذه الفكرة عام 1984، كان نقطة انطلاق التعمية الكمومية. وقد بلغ هذا المجال الآن مرحلة التطبيق، ذلك أن مؤسسات صناعية عديدة تعرض أو تطوّر منظومات تجارية للتعمية الكمومية، نذكر منها على سبيل المثال: MagiQ في الولايات المتحدة و IdQuantique في سويسرا.


وفي عام 1996، قدم فريق < A.تسايلينگر> النمساوية أحد أهم الأدلة على فائدة التشابك في الاتصالات الكمومية. ويتعلق الأمر بالنقل الكمومي من بعد téléportation quantique، ونعني به نقل الحالات الكمومية إلى مسافات بعيدة، من حيث المبدأ، قدر ما نريد. لنفرض أننا نريد نقل كيوبتة Q (حالتها غير معلومة) من مختبر في باريس إلى مختبر آخر في أورسي يبعد عن الأول حوالي عشرين كيلومترا. إن السيرورة ـ التي لن ندخل في تفاصيلها هنا ـ تستخدم ثلاث كيوبتّات: الكيوبتة Q التي نريد نقلها وكيوبتتين مساعدتين متشابكتين A1 و A2. تقع الكيوبتتان Q و A1 في باريس، في حين تقع الكيوبتة A2 في أورسي. نحقق تشابكا بين Q و A1 في باريس ونقوم بقياسهما. ونعطي من باريس نتيجة القياس لأورسي، التي تقوم بناءً على هذه المعلومة بتحويل الكيوبتة A2 إلى الحالة Q. إن الذي جعل إعادة البناء هذه ممكنة هو تشابك الكيوبتتين المساعدتين في البداية. ولنلاحظ أن ما نقلناه هو الحالة الكمومية (حالة استقطاب الفوتون على سبيل المثال) وليس الحامل المادي لهذه الحالة (الفوتون بالذات). ولا يتعلق الأمر هنا بإرسال شيء فيزيائي من نقطة في الفضاء إلى نقطة أخرى كما في أفلام الخيال العلمي.


يجب التحكم في مئات، بل آلاف، الكيوبتات من أجل معالجة المعلومات والقيام بعمليات معقدة يعجز الحاسوب التقليدي عن القيام بها. وفي الحقيقة، تسمح البتات الكمومية بالقيام بحسابات على نحو أكثر فعالية مما تتيحه البتّات التقليدية، ذلك أن تراكبات الحالات التي تسمح بها القوانين الكمومية توفّر لنا بيئة «طبيعية» للحساب المتوازي: ويمكننا القول: إنه في كيوبتّة تتراكب فيها الحالتان 0 و 1 فإننا نقوم بمعالجة هاتين الحالتين في آن واحد.


وفي عام 1994، برهن < P.شور> [العامل في مختبر بيل في الولايات المتحدة] على أنه يمكن التعامل بالكيوبتات لتحليل عدد صحيح ما إلى عوامله الأولية بشكل فعال. وتحتاج الخوارزميات التقليدية الحالية إلى عدد من العمليات يتزايد بشكل أسي مع كبر العدد المراد تحليله. وهكذا فإذا كان العدد كبيرا كفايةً، فإنه لا يمكن تحقيق المهمة في فترة زمنية معقولة. إن هذه الخاصة هي الأساس الذي تقوم عليه تقنية تعمية واسعة الانتشار تضمن بشكل خاص سلامة البيانات المتبادلة على الإنترنت. ولكن الخوارزمية الكمومية التي أوجدها تتيح رد العدد إلى عوامله في زمنِ حسابٍ قانونُه بشكل كثير حدود وليس بشكل أسي. وهكذا يصبح الحساب أسرع بكثير وتصبح طرق التعمية التقليدية غير فعالة.


فقدان الاتّساق، العائق الأكبر (* ****)


وهكذا ندرك الأهمية الكامنة في معالجة المعلومات اعتمادا على الكيوبتات، ومن ثم اندفاع عدد من مجموعات العمل للبحث عن المنظومة الفيزيائية المُثلى لتحقيق مثل هذه الآلة الحاسبة أو الحاسوب الكموميّين. ولكن ما يزال هناك عائق هائل يجب تخطيه: إنه ظاهرة فقدان الاتساق؛ إذ يتعلق الأمر بفقدان المنظومة لخصائصها الكمومية، وهو ضياع يحصل بسرعة كبيرة جدا في الشروط العادية وينتج من القرن الذي لا مفر منه (والضروري إذا ما أردنا إجراء الحساب وقراءة النتيجة) بين أي منظومة كمومية ومحيطها (انظر المؤطر في الصفحة 68).


وكما انتقلنا من الترانزستور المخترع في عام 1947 إلى رقائق الحواسيب الحالية، فإن علينا الانتقال من التعامل مع بعض الكيوبتات إلى التعامل مع المئات منها مع الإبقاء على خصائصها الكمومية. والحال أن تحقيق هذا التطلع لا يزال بعيد المنال، فقد نجح فريق عمل < R.بلات> [من جامعة إنسبروگ في النمسا] من تكوين مجموعة من ثمانية إيونات متشابكة في عام 2005، إلا أنه يبدو من المستحيل، في وضع التقنية الحالي، زيادة هذا العدد بشكل ملموس.


وليست العوائق أمام تطويع وترويض التشابك تقنية فحسب، بل هناك عوائق مفهوماتية؛ إذ إنه لا يتوافر لدينا حتى الآن توصيف نظري كامل للحالات المتشابكة. ولا نستطيع تمييز التشابك إلا في منظومات غاية في البساطة، مثل المنظومات ذات الكيوبتتين فقط، حيث لدينا في مثل هذه الأوضاع طرقٌ لإقرار وجودِ التشابكِ أو عدمه في حالةٍ ما، ونعرف كيف نقيس قيما لهذه الخاصة. أما في الأوضاع الأخرى فإننا، في الحالة العامة، نجهل كيفية إجراء هذا العمل، وهذا يحتم علينا الاكتفاء ب«شهودٍ للتشابك». والشاهد هنا هو مقدار قابلٌ للملاحظة يعتمد على المنظومة المدروسة وتمثل قيمته معيارا جزئيا للتشابك: إذا تجاوزت المنظومة عتبةً معينة، فإنها تكون متشابكة بالتأكيد؛ أما تحت هذا الحد، فقد تكون متشابكة أو غير متشابكة.




التشابك سلاح ذو حدين


هل التشابك، وهو العنصر الجوهري في قوة الحاسوب الكمومي (الآلة التي لا تزال إلى الآن افتراضيةً)، هو ألد أعدائه أيضا؟


كثيرا ما يكون هذا الأمر صحيحا، ذلك أنه يستحيل عزل أي منظومة كمومية تماما عن بقية الكون. ولا يتعلق الأمر هنا بعدم الكمال التجريبي للحواسيب الكمومية المستقبلة وحسب، وإنما بمبدأ عملها بالذات: يجب أن نكون قادرين على إعطاء التعليمات للحاسوب، ولكن إضافة إلى ذلك علينا قراءة نتائج حساباته؛ أي علينا القيام بقياسات. إذًا من حيث المبدأ لا يمكن للحاسوب أن يبقى معزولا.

والحال أن تفاعل المنظومة الكمومية مع بقية الكون ـ مع «البيئة المحيطة» ـ هو منشأ سيرورة فقدان الاتساق، ونعني به فقدان المنظومة لخصائصها الكمومية، أو بكلمة أخرى يزيل فقدان الاتساق جميع الميزات الممكنة للحاسوب الكمومي. يبقى أن نعرف ما هي الصلة بين فقدان الاتساق وبين تفاعل الحاسوب الكمومي مع بيئته المحيطة. إن فقدان الاتساق ينجم عن اختلاف تفاعل حالات الحاسوب المتنوعة مع البيئة المحيطة من حالة إلى أخرى، وهذا يوجد حالات مختلفة للمحيط. إننا والحال هذه أمام ترابط بين حالة الحاسوب الكمومي وحالة المحيط.

إن كيوبتّة أُعِدَّت في الحالة 0 تكوّن حالةَ محيطٍ مختلفة عن تلك التي تُحدثها كيوبتة أُعِدّت في الحالة 1. ما الذي سيحصل إذا أعددنا الكيوبتة، كما يسمح لنا الميكانيك الكمومي، في حالة تراكب للحالتين 0 و 1؟ سيحدث تشابك بين حالة الحاسوب الكمومي وبين حالة المحيط نظرا لتفاعلهما؛ إذ إن 0 مرتبط بإحدى حالات المحيط و 1 بحالة أخرى. ويشكل الحاسوب ومحيطه منظومةً واحدة، ويقتضي أي فصل بينهما، لتوصيف كل واحد منهما على حدة، ضياعا للمعلومات. وما دمنا لا نستطيع معرفة حالة المحيط، فإن كل توصيف للحاسوب الكمومي توصيف ناقص حتما. إضافة إلى ذلك، لنلاحظ أنه بصورة عامة كلما كان الحاسوب الكمومي كبيرا (كلما كان عدد الكيوبتات كبيرا) كان الاقتران بالمحيط مهما، ومن ثم كان فقدان الاتساق سريعا.





استعمالات متعددة


لا يزال أمامنا الكثير من العمل لفهم فكرة التشابك بشكل كامل، وقد بدأ بالكاد عصر اكتشاف التطبيقات الممكنة له. فعلى سبيل المثال، ترى بعض الدراسات النظرية أنه من الممكن أن يكون التشابك أداة للوقوف في وجه فقدان الاتساق: تقاوم على ما يبدو بعض الحالات المتشابكة لمنظومة مؤلفة من عدة كيوبتات فقدان الاتساق على نحو أفضل مما تفعله الكيوبتات المنفردة. وتظهر هذه الخاصة، المُفارَقة من حيث المبدأ والتي لم يبرهن عليها بعد، عندما يكون اقتران الكيوبتات قويا؛ ويمكن تشبيهها بسلوك المغنط الذي تزداد قوته بقدر كبره.


ويمكن استخدام تفاعلات وتآثرات الكيوبتات كذلك لمحاكاة النظم الفيزيائية المعقدة. لقد وُضعت هذه الفكرة ـ وكان قد اقترحها الفيزيائي الأمريكي < R.فايمان> في عام 1985 ـ حيز التطبيق منذ عام 2000 من قبل مجموعة < I.بلوخ> و< Th.هينش> [من ميونيخ وكارشين في ألمانيا]. لقد استخدم هؤلاء الباحثون ذرات مبردة تمّ اصطيادها واحتجازها في شبكات ضوئية (مؤلفة من حقول مضيئة) لاستعادةٍ مُتحكَّم بها لخصائص نظم تدرسها فيزياء المادة المكثفة، وهي بعض حالات تغير الطور على وجه الخصوص.


والتشابك واعد أيضا في مجال القياس الفائق الدقة للزمن. فالساعات الذرية تعتمد على قياس تواتر الفوتون الصادر أو الممتص عندما تنتقل الذرة من مستوى طاقة إلى آخر. وقد أثبتت تجارب فريق < D.واينلاند> [من بولدر في الولايات المتحدة] في عام 2003، أنه من الممكن للحالات المتشابكة للإيونات، في الساعات الإيونية الذرية، أن تحسن دقة هذه الأجهزة.


وأخيرا، يحاول الفيزيائيون إنجاز حالات متشابكة ابتداءً من مركبتين كموميتين من نوعين جد مختلفين، لاستعمالها في بعض التطبيقات المحددة وللاستفادة من ميزات النظُم المختلفة. وهكذا يمكن تصور تشابك كيوبتّة يمثّلها جهاز فائق الموصلية (3) (ميزته السرعة) وكيوبتّة مؤلّفة من ذرة ما (ويمكن التحكّم فيها بدقة بواسطة الضوء).


والسؤال: إلى أين ستقودنا هذه الوفرة في الأفكار والتجارب؟ إننا نجهل ذلك. ولكن كل شيء يدل الآن، ومنذ تجارب < A.آسپي> في بداية ثمانينات القرن الماضي، على انتقال التشابك من عصر التساؤلات الأساسية إلى عصر هندسة الحالات الكمومية.

لا ردود حرام عليكم
موضوع رائع كيما هذا ولا رد

هاهو الرد
الف شكر لك
على الموضوع الرائع

موضوع رااااائع ألف شكر لك أخي بارك الله فيك.

العفو هذا واجبي

العفو هذا واجبي