بالعودة إلى عشرينيات القرن الماضي ، كانت ميكانيكا الكم ، النظرية التي تكمن وراء كل شيء من سلوك الذرات إلى تشغيل أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، في طريقها إلى اكتساب قبول واسع النطاق. لكن بقي لغزا واحدا: في بعض الأحيان ، تتصرف الأجسام الكمومية ، مثل الإلكترونات والذرات والجزيئات ، مثل الجسيمات ، والبعض الآخر مثل الموجات. في بعض الأحيان يتصرفون مثل الجسيمات والأمواج في نفس الوقت. لذلك ، عند دراسة هذه الأجسام الكمومية ، لم يكن من الواضح أبدًا النهج الذي يجب على العلماء استخدامه في حساباتهم.
في بعض الأحيان كان على العلماء أن يفترضوا أن الأجسام الكمومية كانت موجات من أجل الحصول على النتيجة الصحيحة. في حالات أخرى ، كان عليهم أن يفترضوا أن الأشياء كانت في الواقع جسيمات. في بعض الأحيان نجح أي من النهجين. لكن في حالات أخرى ، أنتج أسلوب واحد فقط النتيجة الصحيحة ، بينما أعطى الآخر نتيجة وهمية. يعود تاريخ هذه المشكلة إلى شوط طويل ، لكن التجارب الحديثة ألقت ضوءًا جديدًا على هذا السؤال القديم.
تاريخ الكم
في تجربة الشق المزدوج التي تحمل الاسم نفسه ، والتي أجراها توماس يونغ لأول مرة في عام 1801 ، كان الضوء يتصرف مثل الموجات. في هذه التجربة ، يتم توجيه شعاع الليزر إلى شق مزدوج ، ثم يتم النظر إلى النمط الناتج. إذا كان الضوء يتكون من جسيمات ، فيمكن للمرء أن يتوقع كتلتين من الضوء على شكل شق. بدلاً من ذلك ، تكون النتيجة عدة كتل صغيرة من الضوء مرتبة بنمط مميز. سيؤدي وضع شق مزدوج في تيار الماء إلى نفس النمط الموجود أسفله مباشرة. لذا أدت هذه التجربة إلى استنتاج مفاده أن الضوء عبارة عن موجة.
ثم ، في عام 1881 ، قام هاينريش هيرتز باكتشاف مضحك. عندما أخذ قطبين كهربائيين ووضع بينهما جهدًا كهربيًا عاليًا ، ظهرت شرارات. هذا امر طبيعي. ولكن عندما سلط هيرتز الضوء على هذه الأقطاب الكهربائية ، تغير جهد الشرارة. تم تفسير ذلك من خلال حقيقة أن الضوء أخرج الإلكترونات من مادة القطب. لكن الغريب أن السرعة القصوى للإلكترونات المقذوفة لم تتغير إذا تغيرت شدة الضوء ، بل تغيرت مع تواتر الضوء. ستكون هذه النتيجة مستحيلة إذا كانت نظرية الموجة صحيحة. في عام 1905 ، كان لدى ألبرت أينشتاين حل: كان الضوء في الواقع جسيمًا. كل هذا كان غير مرض. يفضل العلماء نظرية واحدة تكون دائمًا صحيحة مع نظريتين صحيحتين في بعض الأحيان. وإذا كانت النظرية صحيحة في بعض الأحيان فقط ، فإننا على الأقل نود أن نكون قادرين على تحديد الظروف التي تكون صحيحة.
لكن هذه كانت بالضبط مشكلة هذا الاكتشاف. لم يعرف الفيزيائيون متى يعتبرون الضوء أو أي جسم آخر كموجة ومتى يجب اعتباره جسيمًا. كانوا يعلمون أن بعض الأشياء تسبب سلوكًا يشبه الموجة ، مثل حواف الشقوق. لكن لم يكن لديهم تفسير واضح لسبب ذلك أو متى يستخدمون أي نظرية.
هذا اللغز يسمى ثنائية الموجة الجسدية، لا يزال محفوظًا. لكن دراسة جديدة قد تلقي بعض الضوء على الوضع. أظهر علماء من المعهد الكوري للعلوم الأساسية أن خصائص مصدر الضوء تؤثر على مقدار ما هو جسيم وكم موجة. مع اتباع نهج جديد لدراسة هذه المشكلة ، فقد مهدوا مسارًا قد يؤدي إلى تحسينات في الحوسبة الكمومية. أو مثل هذه الآمال.
مثير للاهتمام أيضًا: تستغرق معالجات جوجل الكمومية بلورات زمنية تتجاوز النظرية
كيفية صنع الجسيمات والأمواج
في التجربة ، استخدم العلماء مرآة شبه عاكسة لتقسيم شعاع الليزر إلى قسمين. كل من هذه الأشعة تصطدم بالبلورة ، والتي بدورها تنتج فوتونين. ينبعث ما مجموعه أربعة فوتونات ، اثنان من كل بلورة.
أرسل العلماء فوتونًا واحدًا من كل بلورة إلى مقياس التداخل. يجمع هذا الجهاز بين مصدرين للضوء ويخلق نمط تداخل. اكتشف توماس يونغ هذا النمط لأول مرة في تجربته ذات الشقين المذكورة أعلاه. هذا أيضًا ما تراه عندما ترمي حجرين في بركة: تموجات من الماء ، بعضها يعزز بعضها البعض والبعض الآخر يحيد بعضها البعض. بمعنى آخر ، يكتشف مقياس التداخل طبيعة موجة الضوء.
تم استخدام مسارات الفوتونين الآخرين لتحديد خصائصهما الجسدية. على الرغم من أن مؤلفي الورقة لم يحددوا كيف فعلوا ذلك ، فعادة ما يتم ذلك عن طريق تمرير فوتون عبر مادة تُظهر أين ذهب الفوتون. على سبيل المثال ، يمكنك إطلاق فوتون عبر غاز ، والذي سيشتعل بعد ذلك حيث يمر الفوتون. من خلال التركيز على المسار بدلاً من الوجهة النهائية ، يمكن للفوتون أن يكون موجة. هذا لأنه إذا قمت بقياس الموقع الدقيق للفوتون في كل لحظة من الزمن ، فإنه يشبه النقطة ولا يمكنه ضرب نفسه.
هذا هو أحد الأمثلة العديدة في فيزياء الكم حيث يؤثر القياس بنشاط على نتيجة القياس المذكور. لذلك ، في هذا الجزء من التجربة ، كان نمط التداخل في نهاية مسار الفوتون غائبًا. وهكذا ، اكتشف الباحثون كيف يمكن للفوتون أن يكون جسيمًا. كان التحدي الآن هو تحديد مقدار هذا الجسيم وكم تبقى من طبيعة الموجة.
نظرًا لأن كلا الفوتونين من نفس البلورة يتم إنتاجهما معًا ، فإنهما يشكلان حالة كمية واحدة. هذا يعني أنه من الممكن إيجاد صيغة رياضية تصف كلا الفوتونين في وقت واحد. نتيجة لذلك ، إذا تمكن الباحثون من تحديد مدى قوة "الجزئية" و "الطول الموجي" لفوتونين ، فيمكن تطبيق هذا القياس الكمي على الحزمة بأكملها التي تصل إلى البلورة.
في الواقع ، نجح الباحثون. قاموا بقياس مدى تموج الفوتون عن طريق التحقق من رؤية نمط التداخل. عندما كانت الرؤية عالية ، كان الفوتون شديد الشبه بالموجة. عندما كان النمط بالكاد مرئيًا ، استنتجوا أن الفوتون يجب أن يكون إلى حد كبير مثل الجسيم.
وكانت هذه الرؤية عرضية. كانت الأعلى عندما تلقت كلتا البلورتين نفس كثافة شعاع الليزر. ومع ذلك ، إذا كانت شعاع إحدى البلورات أكثر كثافة من الأخرى ، فإن رؤية النمط تصبح باهتة للغاية ، ومن المرجح أن تبدو الفوتونات مثل الجسيمات.
هذه النتيجة مفاجئة لأنه في معظم التجارب يقاس الضوء فقط في شكل موجات أو جسيمات. اليوم ، في العديد من التجارب ، تم قياس كلا المعلمتين في وقت واحد. هذا يعني أنه من السهل تحديد مقدار كل خاصية يمتلكها مصدر الضوء.
مثير للاهتمام أيضًا: QuTech تطلق متصفحًا للإنترنت الكمي
علماء الفيزياء النظرية مسرورون
تتوافق هذه النتيجة مع التنبؤ الذي قدمه المنظرون سابقًا. وفقًا لنظريتهم ، فإن مدى شبهة الموجة والجسم الكمي يعتمد على نقاء المصدر. النقاء في هذا السياق هو مجرد طريقة خيالية للتعبير عن احتمال أن يكون مصدر بلوري معين هو المصدر الذي ينبعث منه الضوء. الصيغة هي كما يلي: V2 + P2 = µ2 ، حيث V هي رؤية النمط الاتجاهي ، P هي رؤية المسار ، و هي نقاء المصدر.
هذا يعني أن كائنًا كميًا مثل الضوء يمكن أن يكون شبيهًا بالموجة إلى حد ما وشبيه بالجسيمات إلى حد ما ، ولكن هذا مقيد بنقاء المصدر. الجسم الكمي يشبه الموجة إذا كان نمط التداخل مرئيًا أو إذا كانت قيمة V لا تساوي الصفر. أيضًا ، يشبه الجسيم إذا كان المسار يمكن ملاحظته أو إذا كان P غير صفري.
النتيجة الأخرى لهذا التوقع هي أن النقاء هو أنه إذا كان تشابك المسار الكمي مرتفعًا ، فإن النقاوة منخفضة ، والعكس صحيح. أظهر العلماء الذين أجروا التجربة هذا رياضيا في عملهم. من خلال ضبط نقاء البلورات وقياس النتائج ، تمكنوا من إظهار أن هذه التنبؤات النظرية كانت صحيحة بالفعل.
مثير للاهتمام أيضًا: ستطلق وكالة ناسا حواسيب كمومية لمعالجة وتخزين "جبال" من البيانات
حواسيب كمومية أسرع؟
العلاقة بين تشابك كائن كمي وجسمه وتموجه مثيرة للاهتمام بشكل خاص. تعتمد الأجهزة الكمومية التي يمكنها تشغيل الإنترنت الكمي على التشابك. الإنترنت الكمومي هو تشبيه كمي لماهية الإنترنت لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. من خلال ربط العديد من أجهزة الكمبيوتر الكمومية معًا والسماح لها بمشاركة البيانات ، يأمل العلماء في اكتساب طاقة أكبر مما يمكن تحقيقه باستخدام كمبيوتر كمي واحد.
ولكن بدلاً من إرسال وحدات بت إلى أسفل الألياف الضوئية ، وهو ما نفعله لتشغيل الإنترنت الكلاسيكي ، نحتاج إلى تشابك الكيوبتات لتشكيل الإنترنت الكمي. القدرة على قياس تشابك الجسيم وموجة الفوتون تعني أنه يمكننا إيجاد طرق أبسط للتحكم في جودة الإنترنت الكمومي.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية نفسها أفضل باستخدام ثنائية موجة الجسيمات. وفقًا لاقتراح الباحثين من جامعة تسينغهوا الصينية ، من الممكن تشغيل كمبيوتر كمي صغير من خلال شبكة متعددة الشقوق لزيادة قوته. يتألف الكمبيوتر الكمي الصغير من عدد قليل من الذرات التي تُستخدم بدورها كوحدات كيوبت ، ومثل هذه الأجهزة موجودة بالفعل.
إن تمرير هذه الذرات عبر شبكة متعددة الشرائح يشبه إلى حد بعيد تمرير الضوء عبر شق مزدوج ، على الرغم من أنه بالطبع أكثر تعقيدًا. سيؤدي هذا إلى إنشاء المزيد من الحالات الكمومية الممكنة ، والتي بدورها ستزيد من قوة الكمبيوتر "المشتعل". الرياضيات الكامنة وراء هذا معقدة للغاية بحيث لا يمكن شرحها في هذه الورقة ، ولكن النتيجة المهمة هي أن مثل هذا الكمبيوتر ثنائي الكم يمكن أن يكون أفضل في الحوسبة المتوازية من أجهزة الكمبيوتر الكمومية التقليدية. الحوسبة المتوازية شائعة أيضًا في الحوسبة الكلاسيكية وتشير أساسًا إلى قدرة الكمبيوتر على إجراء عمليات حسابية متعددة في وقت واحد ، مما يجعلها أسرع بشكل عام.
لذا ، في حين أن هذا بحث أساسي للغاية ، فإن التطبيقات المحتملة تلوح في الأفق بالفعل. في الوقت الحالي ، من المستحيل إثبات ذلك ، لكن هذه الاكتشافات يمكن أن تسرع أجهزة الكمبيوتر الكمومية وتسرع قليلاً من ظهور الإنترنت الكمي.
مثير للاهتمام أيضًا: أنشأت الصين جهاز كمبيوتر كمي أقوى بمليون مرة من كمبيوتر Google
أساسي جدًا ، لكنه مثير جدًا للاهتمام
كل هذا يجب أن يؤخذ بقدر كبير من الشك. البحث قوي ، لكنه أساسي جدًا أيضًا. كما هو الحال عادة في العلوم والتكنولوجيا ، هناك طريق طويل من البحث الأساسي إلى تطبيقات العالم الحقيقي.
لكن باحثين من كوريا اكتشفوا شيئًا مثيرًا للاهتمام للغاية: إن سر ازدواجية موجة الجسيمات لن يختفي في أي وقت قريب. على العكس من ذلك ، يبدو أنها متجذرة بعمق في جميع الأشياء الكمومية بحيث من الأفضل استخدامها. مع الأساس الكمي الجديد المتعلق بنقاء المصدر ، سيكون هذا أسهل.
قد تحدث إحدى حالات الاستخدام الأولى في الحوسبة الكمومية. كما أوضح العلماء ، يرتبط التشابك الكمي وثنائية موجة الجسيمات. وبالتالي ، بدلاً من التشابك ، يمكن قياس مقدار التموج والجسم. يمكن أن يساعد هذا العلماء في العمل على إنشاء الإنترنت الكمي. أو يمكنك استخدام ملفات ازدواجية لتحسين أجهزة الكمبيوتر الكمومية وجعلها أسرع. في كلتا الحالتين ، يبدو أن الأوقات الكمومية المثيرة قد اقتربت.
اقرأ أيضا:
شكرا على المقال! "البرامج المحتملة في الأفق بالفعل" - ربما ليست برامج ، ولكن تطبيقات؟
شكرا ، ممتع جدا. المزيد من هذه المقالات.
شكرًا لك! سنحاول ؛)