يشترك علماء الفيزياء في الجائزة للحصول على رؤى ثاقبة في العالم المخيف لميكانيكا الكم

مُنحت جائزة نوبل للفيزياء لعام 2022 لثلاثة علماء لتجاربهم الرائدة في ميكانيكا الكم ، وهي النظرية التي تغطي العالم الجزئي للذرات والجسيمات.

سيتقاسم آلان أسبكت من جامعة باريس ساكلاي في فرنسا ، وجون كلاوزر من JF Clauser & Associates في الولايات المتحدة ، وأنطون زيلينجر من جامعة فيينا في النمسا ، مبلغ الجائزة الذي يبلغ 10 ملايين كرونة سويدية (808،554 جنيهًا إسترلينيًا) “للتجارب مع التشابك الفوتونات ، وإثبات انتهاك عدم المساواة بيل والريادة في علم المعلومات الكمومية “.

يبدو عالم ميكانيكا الكم غريبًا جدًا بالفعل. في المدرسة ، تعلمنا أنه يمكننا استخدام المعادلات في الفيزياء للتنبؤ بالضبط كيف ستتصرف الأشياء في المستقبل – أين ستذهب الكرة إذا دحرجناها إلى أسفل التل ، على سبيل المثال.

ميكانيكا الكم تختلف عن هذا. بدلاً من توقع النتائج الفردية ، يخبرنا هذا باحتمال العثور على جسيمات دون ذرية في أماكن معينة. يمكن أن يتواجد الجسيم في عدة أماكن في نفس الوقت ، قبل “اختيار” موقع واحد عشوائيًا عند قياسه.

حتى ألبرت أينشتاين العظيم نفسه كان منزعجًا من هذا – لدرجة أنه كان مقتنعًا بأنه خطأ. وبدلاً من أن تكون النتائج عشوائية ، فقد اعتقد أنه لا بد من وجود “متغيرات خفية” – قوى أو قوانين لا يمكننا رؤيتها – تؤثر بشكل متوقع على نتائج قياساتنا.

لكن بعض الفيزيائيين تبنوا عواقب ميكانيكا الكم. حقق جون بيل ، الفيزيائي من أيرلندا الشمالية ، تقدمًا مهمًا في عام 1964 ، حيث ابتكر اختبارًا نظريًا لإظهار أن المتغيرات الخفية التي كان يدور في ذهن أينشتاين غير موجودة.

وفقًا لميكانيكا الكم ، يمكن أن تكون الجسيمات “متشابكة” ، ومتصلة بشكل مخيف بحيث إذا تعاملت مع أحدها ، فإنك تتلاعب تلقائيًا وفوريًا بالآخر. إذا كان من المقرر تفسير هذا الخوف – الجسيمات المتباعدة بشكل غامض والتي تؤثر على بعضها البعض بشكل فوري – من خلال تواصل الجسيمات مع بعضها البعض من خلال متغيرات خفية ، فسوف يتطلب ذلك اتصالًا أسرع من الضوء بين الاثنين ، وهو ما تحظره نظريات أينشتاين.

يعتبر التشابك الكمومي مفهومًا صعبًا للفهم ، حيث يربط بشكل أساسي خصائص الجسيمات بغض النظر عن مدى تباعدها. تخيل مصباحًا يُصدر فوتونين (جسيمات ضوئية) ينتقلان في اتجاهين متعاكسين بعيدًا عنه.

إذا كانت هذه الفوتونات متشابكة ، فيمكنها مشاركة خاصية ، مثل استقطابها ، بغض النظر عن المسافة بينهما. تخيل بيل إجراء تجارب على هذين الفوتونين بشكل منفصل ومقارنة نتائجهما لإثبات أنهما متشابكان (مرتبطان حقًا وغامض).

وضع كلوزر نظرية بيل موضع التنفيذ في وقت كان فيه إجراء تجارب على فوتونات مفردة أمرًا لا يمكن تصوره تقريبًا. في عام 1972 ، بعد ثماني سنوات فقط من تجربة بيل الفكرية الشهيرة ، أظهر كلاوزر أن الضوء يمكن بالفعل أن يكون متشابكًا.

بينما كانت نتائج كلاوزر رائدة ، كان هناك عدد قليل من التفسيرات البديلة والغريبة للنتائج التي حصل عليها.

إذا لم يتصرف الضوء تمامًا كما اعتقد الفيزيائيون ، فربما يمكن تفسير نتائجه دون تشابك. تُعرف هذه التفسيرات بالثغرات في اختبار بيل ، وكانت آسبكت أول من تحدى ذلك.

ابتكرت آسبكت تجربة بارعة لاستبعاد واحدة من أهم الثغرات المحتملة في اختبار بيل. أظهر أن الفوتونات المتشابكة في التجربة لا تتواصل في الواقع مع بعضها البعض من خلال متغيرات خفية لتقرير نتيجة اختبار بيل. هذا يعني أنهم مرتبطون بشكل مخيف.

في العلم ، من المهم للغاية اختبار المفاهيم التي نعتقد أنها صحيحة. وقلة هم الذين لعبوا دورًا أكثر أهمية من آسبكت في القيام بذلك. تم اختبار ميكانيكا الكم مرارًا وتكرارًا خلال القرن الماضي ونجت دون أن تصاب بأذى.

تكنولوجيا الكم

في هذه المرحلة ، قد يُغفر لك التساؤل عن سبب أهمية سلوك العالم المجهري ، أو أن الفوتونات يمكن أن تتشابك. هذا هو المكان الذي تتألق فيه رؤية زيلينجر حقًا.

لقد قمنا بتسخير معرفتنا بالميكانيكا الكلاسيكية لبناء الآلات ، وإنشاء المصانع ، مما أدى إلى الثورة الصناعية. قادت معرفة سلوك الإلكترونيات وأشباه الموصلات الثورة الرقمية.

لكن فهم ميكانيكا الكم يسمح لنا باستغلالها ، لبناء أجهزة قادرة على القيام بأشياء جديدة. في الواقع ، يعتقد الكثير أنها ستقود الثورة القادمة في تكنولوجيا الكم.

يمكن تسخير التشابك الكمي في الحوسبة لمعالجة المعلومات بطرق لم تكن ممكنة من قبل. يمكن أن يسمح اكتشاف التغييرات الصغيرة في التشابك لأجهزة الاستشعار باكتشاف الأشياء بدقة أكبر من أي وقت مضى. يمكن أن يضمن الاتصال بالضوء المتشابك أيضًا الأمان ، حيث يمكن لقياسات الأنظمة الكمومية أن تكشف عن وجود المتنصت.

مهدت أعمال زيلينجر الطريق للثورة التكنولوجية الكمومية من خلال إظهار كيف يمكن ربط سلسلة من الأنظمة المتشابكة معًا لبناء المعادل الكمي للشبكة.

في عام 2022 ، هذه التطبيقات لميكانيكا الكم ليست خيالًا علميًا. لدينا أول أجهزة كمبيوتر كمومية. يستخدم القمر الصناعي Micius التشابك لتمكين الاتصالات الآمنة في جميع أنحاء العالم. وتستخدم أجهزة الاستشعار الكمومية في تطبيقات من التصوير الطبي إلى اكتشاف الغواصات.

في نهاية المطاف ، أدركت لجنة جائزة نوبل لعام 2022 أهمية الأسس العملية لإنتاج ومعالجة واختبار التشابك الكمي والثورة التي تساعد في دفعها.

يسعدني أن أرى هذا الثلاثي يحصل على الجائزة. في عام 2002 ، بدأت في الحصول على درجة الدكتوراه في جامعة كامبريدج مستوحاة من عملهم. كان الهدف من مشروعي هو صنع جهاز بسيط من أشباه الموصلات لتوليد ضوء متشابك.

كان هذا لتبسيط المعدات اللازمة لإجراء تجارب كمية والسماح ببناء أجهزة عملية لتطبيقات العالم الحقيقي. كان عملنا ناجحًا ويذهلني ويسعدني لرؤية القفزات التي تم تحقيقها في هذا المجال منذ ذلك الحين.