رحلة إلى عالم ميكانيكا الكم تفوز بجائزة نوبل

التورط الكمي
الاستحواذ الكمي - عالم فيزياء الكم النمساوي أنطون زيلينجر من معهد البصريات الكمومية والمعلومات الكمية (IQOQI) يقف في مكتبه. علمي ألبوم الصور

حصل ثلاثة باحثين على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2022 لعملهم الرائد في مجال ميكانيكا الكم التي تصف العالم الدقيق للذرات والجسيمات.

تم منح جائزة مالية قدرها 10 ملايين كرونة سويدية لكل من آلان أسبكت من جامعة باريس ساكلاي في فرنسا ، وجون كلوزر من JF Clauser & Associates في الولايات المتحدة ، وأنطون زيلينجر من جامعة فيينا في النمسا "تُظهر تجارب الفوتونات المتشابكة أن عدم المساواة في بيل سيتم مشاركتها لإثبات الانتهاك وريادة علم المعلومات الكمومية ".

يبدو عالم ميكانيكا الكم غريبًا بالتأكيد. في المدرسة ، نتعلم أنه باستخدام معادلات الفيزياء يمكننا أن نتنبأ بدقة كيف سيتصرف شيء ما في المستقبل ، على سبيل المثال إلى أين سيذهب عندما ندحرج كرة أسفل التل.

هذا يختلف عن ميكانيكا الكم. بدلاً من عمل تنبؤات فردية ، فإنه يعطينا معلومات حول احتمال وجود جسيمات دون ذرية في مواقع معينة. في الواقع ، عند قياس الجسيم ، يمكن أن يكون في مواقع متعددة في وقت واحد قبل "اختيار" واحد عشوائيًا.

أزعج هذا حتى ألبرت أينشتاين العظيم ، ونتيجة لذلك كان مقتنعًا بأنه خطأ. كان يعتقد أنه على عكس عشوائية النتائج ، يجب أن يكون هناك بعض "المتغيرات الخفية" - القوى أو القوانين التي لا يمكننا رؤيتها - التي تؤثر بشكل موثوق على نتائج قياساتنا.

ومع ذلك ، فقد قبل العديد من الفيزيائيين نتائج ميكانيكا الكم. في عام 1964 ، قام عالم فيزياء إيرلندي شمالي يُدعى جون بيل باكتشاف مهم من خلال طرح اختبار نظري لإظهار أن المتغيرات الخفية في عقل أينشتاين لم تكن موجودة بالفعل.

وفقًا لنظرية الكم ، يمكن أن تكون الجسيمات "متشابكة" أو متصلة بشكل مخيف ، بحيث عندما تؤثر على أحدها ، فإنك تتلاعب على الفور وتلقائيًا بالآخر. على الرغم من أن التأثيرات اللحظية الغريبة بين الجسيمات البعيدة يمكن تفسيرها من خلال حديث الجسيمات مع بعضها البعض عبر متغيرات خفية ، فإن نظريات أينشتاين ترفض الاتصال الأسرع من الضوء.

من الصعب فهم التشابك الكمومي الذي يربط بشكل أساسي سمات الجسيمات بغض النظر عن مدى تباعدها. لنفترض أن مصباحًا ضوئيًا ينبعث منه فوتونين (جزيئات من الضوء) يتباعدان عنه في اتجاهين متعاكسين. إذا كانت هذه الفوتونات متشابكة ، فيمكنها مشاركة خاصية مثل الاستقطاب بغض النظر عن المسافة بينهما. لإظهار أن هذين الفوتونين متشابكان ، خطط بيل لإجراء تجارب عليهما بشكل منفصل ومقارنة النتائج (مرتبطة حرفياً وغامضاً).

في الوقت الذي كان فيه الاختبار على فوتونات مفردة شبه مستحيل ، وضع كلاوزر نظرية بيل موضع التنفيذ. في عام 1972 ، بعد ثماني سنوات من تجربة بيل الفكرية الشهيرة ، أظهر كلاوزر أن الضوء يمكن أن يتشابك بالفعل.

على الرغم من أن نتائج كلاوزر رائدة ، إلا أن هناك العديد من التفسيرات الأخرى الأكثر غرابة لما اكتشفه.

ربما يمكن تفسير النتائج التي توصلوا إليها دون تشابك إذا لم يتصرف الضوء تمامًا كما توقع العلماء. كانت آسبكت أول من اعترض على ما يُعرف بـ "فجوة" في اختبار بيل ، مشيرًا إلى هذه الأسباب.

ابتكرت آسبكت تجربة رائعة للقضاء على أحد أهم نقاط الضعف المحتملة في اختبار بيل. أظهر أن اختبار بيل لم يتم تحديده فعليًا عن طريق اتصال الفوتونات المتشابكة مع بعضها البعض عبر متغيرات خفية. هذا يثبت أن علاقتهم وثيقة بشكل غامض.

لا يمكن المبالغة في أهمية اختبار فرضياتنا في العلم. قلة من الناس ساهموا في هذا أكثر من آسبكت. خلال القرن الماضي ، خضعت ميكانيكا الكم للعديد من الاختبارات وظهرت منتصرة.

في هذه المرحلة ، قد تُعذر للتساؤل عن كيفية عمل العالم الصغير ، أو لماذا من المهم أن تتشابك الفوتونات. هذا هو المكان الذي تتجسد فيه رؤية زيلينجر.

في الماضي ، استخدمنا فهمنا للميكانيكا الكلاسيكية لإنشاء مصانع وآلات وأشعلنا الثورة الصناعية. كانت الثورة الرقمية تغذيها المعرفة بأشباه الموصلات والسلوك الكهربائي.

فقط من خلال فهم ميكانيكا الكم يمكننا الاستفادة منها وإنشاء أدوات يمكنها أداء مهام جديدة. في الواقع ، يعتقد الكثيرون أن تكنولوجيا الكم ستكون العامل المساعد للثورة القادمة.

في الحوسبة ، يمكن استخدام التشابك الكمي لمعالجة البيانات بطرق جديدة لم يكن من الممكن تصورها من قبل. يمكن لأجهزة الاستشعار الآن أن تكتشف حتى أدنى التغييرات في التشابك ، وتكتشف الأشياء بدقة أكبر من أي وقت مضى. أيضًا ، يمكن أن يوفر استخدام الضوء المتشابك للتواصل الأمان ، حيث يمكن لقياسات الأنظمة الكمومية أن تكشف عن وجود المتنصت.

مهدت أعمال زيلينجر الطريق للثورة التكنولوجية الكمومية من خلال إظهار كيف يمكن توصيل سلسلة من الأنظمة المتشابكة لإنشاء نسخة كمومية من الشبكة.

لن تكون تطبيقات ميكانيكا الكم هذه خيالًا علميًا في عام 2022. أول أجهزة الكمبيوتر الكمومية موجودة هنا. يتم استخدام التشابك بواسطة القمر الصناعي Micius لتقديم اتصالات آمنة حول العالم. وتستخدم أجهزة الاستشعار الكمومية في تطبيقات تتراوح من التصوير الطبي إلى الكشف عن الغواصات.

نتيجةً لذلك ، أدركت لجنة نوبل لعام 2022 أهمية الأسس النظرية التي أنتجت التشابك الكمومي وضبطت واختبرت ، والثورة التي ساعدتها هذه المؤسسات.

أنا سعيد برؤية هذا الثلاثي يفوز بالجائزة. حفزني عملهم على متابعة الدكتوراه في جامعة كامبريدج عام 2002. كان الهدف من مشروعي هو صنع جهاز أشباه موصلات بسيط لتوليد ضوء متشابك.

جعل هذا من الممكن بناء أجهزة قابلة للاستخدام لتطبيقات العالم الحقيقي وتبسيط بشكل كبير المعدات اللازمة لإجراء تجارب الكم. إنني مندهش ومتحمس للتقدم المحرز في الصناعة منذ أن كان عملنا ناجحًا.

المصدر: theconversation
المؤلف روبرت يونغ أستاذ الفيزياء ومدير مركز لانكستر لتكنولوجيا الكم ، جامعة لانكستر

Günceleme: 07/10/2022 00:29

إعلانات مماثلة

كن أول من يعلق

Yorumunuz