نجح العلماء في إنتاج حالات تراكب كمي حتى في درجات الحرارة العالية، وكسروا الأسطورة التي تقول إن البرد فقط هو الذي يسمح للظواهر الكمومية بالوجود.
قطة شرودنجر هي تجربة فكرية كتبها إيرفينج شرودنجر عام 1935. اقترح شرودنجر سيناريو تكون فيه قطة داخل صندوق مغلق مع آلية قاتلة تتضمن: ذرة مشعة قد تتحلل (أو لا تتحلل) في غضون ساعة واحدة (احتمال 50٪)؛ عداد جايجر الذي يكشف الاضمحلال؛ ومطرقة قادرة على كسر قارورة السم القاتل إذا اكتشف العداد التحلل.
وفقًا لميكانيكا الكم، طالما ظل الصندوق مغلقًا وغير مرئي، فإن الذرة تكون في حالة تراكب - وهي حالة تتحلل فيها ولا تتحلل في نفس الوقت. وبما أن حالة القطة تعتمد على تحلل الذرة، فهي أيضًا في حالة تراكب: فهي حية وميتة في نفس الوقت حتى يفتح شخص ما الصندوق ويقوم بقياس ما. في لحظة الافتتاح، ينهار الوضع إلى أحد الخيارين - القطة حية أو ميتة.
نجح العلماء في تحقيق إنجاز كمي رائد: فقد تمكنوا من خلق حالات كمية تسمى "قط شرودنجر" ليس من حالة باردة مستقرة، ولكن من حالات حرارية ساخنة - وبالتالي تحدي أحد الافتراضات الأساسية في فيزياء الكم.
وباستخدام نظام كيوبت فائق التوصيل، تمكن الباحثون من إثبات أن التراكب الكمي يمكن الحفاظ عليه حتى في درجات حرارة عالية نسبيًا - وهو إنجاز يدحض الاعتقاد السائد بأن الحرارة تدمر الظواهر الكمومية. وعلاوة على ذلك، فإن هذه النتيجة تحيي فكرة شرودنجر الأصلية - "القط الساخن" - وتفتح الباب أمام تطوير تقنيات كمية أكثر قابلية للتطبيق.
تعتبر حالة "قطة شرودنجر" واحدة من أغرب الظواهر في الفيزياء الكمومية، حيث يمكن للنظام أن يكون في حالتين متعاكستين في نفس الوقت. في الأصل، كانت هذه تجربة فكرية، حيث كانت القطة حية وميتة في نفس الوقت. وقد أثبتت التجارب الواقعية أن مثل هذه المواقف لا تحدث على القطط، بل على الذرات، أو الجزيئات، أو الرنينات الكهرومغناطيسية.
حتى الآن، تم إنشاء هذه الحالات عن طريق تبريد النظام إلى أدنى حالة كمية له. ولكن في دراسة جديدة، بقيادة البروفيسور جيرهارد كيرشماير والبروفيسور أورييل روميرو إيزرت، أظهر الباحثون أنه من الممكن إنتاج هذه الحالات حتى عندما تكون نقطة البداية عبارة عن حالة ساخنة وغير مستقرة حرارياً.
"من الصعب أن ننسى أنه وفقًا لشرودنجر، كانت القطة على قيد الحياة - أي دافئة"، يوضح كيرشماير من قسم الفيزياء التجريبية في جامعة إنسبروك ومعهد البصريات الكمومية في الأكاديمية النمساوية للعلوم (ÖAW). "أردنا أن نختبر ما إذا كان من الممكن إنتاج ظواهر كمية دون البدء من الحالة الباردة."
إنشاء تراكب في درجات حرارة عالية
الدراسة التي نشرت في الرابع من أبريل في مجلة علم السلف تم إجراء هذه التجربة باستخدام كيوبت ترانسمون داخل مرنان ميكروويف، وتم إجراؤها في درجات حرارة تصل إلى 1.8 كلفن - 60 مرة من درجة الحرارة العادية للمرنان.
"لقد تمكنا من إنتاج حالات كمية مختلطة للغاية، مع الحفاظ على خصائص كمية مميزة." يقول يان يانغ، الذي أجرى التجارب:
استخدم الباحثون بروتوكولين كانا يستخدمان حتى الآن في الظروف الباردة فقط. وبعد التعديل، وجد أنه حتى في درجات الحرارة المرتفعة، من الممكن أن يحدث تداخل كمي كبير.
يقول البروفيسور أورييل روميرو إيسيرت، الذي كان حتى وقت قريب فيزيائيًا نظريًا في إنسبروك والمدير الحالي لمعهد ICFO - معهد العلوم الفوتونية في برشلونة:
"يفتح هذا الإنجاز فرصًا جديدة في استخدام التراكبات الكمومية، وخاصة في مجالات مثل المذبذبات النانوميكانيكية - حيث يصعب للغاية الوصول إلى الحالة الباردة."
عندما لا تتداخل الحرارة مع الكم
ويضيف توماس أجرانيوس، الذي ساهم في الفهم النظري للدراسة، "لقد افترضنا دائمًا أن درجات الحرارة المرتفعة تدمر الظواهر الكمومية". "ولكن قياساتنا تثبت أن هذا ليس بالضرورة هو الحال - فالتشابكات الكمية محفوظة."
وبحسب كيرشماير، "إذا نجحنا في خلق التفاعلات الضرورية داخل النظام، فقد لا تكون درجة الحرارة عائقًا أمام تطوير تقنيات كمية جديدة".
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
لو كان العالم مستقرًا، فمن المفترض أننا كنا لنصل إلى حالة ثابتة منذ مليارات السنين أو لم نكن لنخرج من هذه الحالة الثابتة على الإطلاق.
أفي، قم بتعديل مقالتك. إنها غير مفهومة. على الرغم من أنني لا أفهم الفيزياء على الإطلاق. لم أدرس الفيزياء مطلقًا وكل معرفتي تأتي من قراءة المقالات العرضية. ولكنني ما زلت أفهم أن المقال لم يُكتب بطريقة تشرح ما تتحدث عنه الدراسة، باستثناء قيامة القطة حتى في درجة حرارة أعلى. في المقال الأصلي، كان شرودنجر هو المثال، وهذه هي النقطة الرئيسية. على أية حال، كشخص يعتقد أنه فهم ما كتب في المقال الأصلي، إليكم استنتاجاتي الرئيسية من المقال: إن التشابك الكمي يمكن أن يحدث أيضًا عند درجة حرارة أعلى مما كان يعتقد أنه موجود. الكيوبت هو حالة التشابك، والتشابك لا يمكن أن يوجد إلا في الموصلات الفائقة، حيث يمكن للإلكترونات الحرة، عند درجة حرارة منخفضة للغاية تقترب من الصفر المطلق، أن تخلق تشابكًا كميًا بين إلكترونين حرين. توصلت التجربة إلى أنه من الممكن إنشاء تشابك كمي يحافظ على نفسه حتى عند درجة حرارة أعلى نسبيًا من الصفر المطلق، وهي درجة حرارة يصعب جدًا تحقيقها وتتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة لاستخراج الطاقة الموجودة في النظام لإنشاء التشابك. التشابك الكمي هو حالة يتم فيها الحصول على إلكترونين حرين باستخدام الموصلات الفائقة، حيث تكون الإلكترونات الحرة "أكثر حرية" وتتواجد بكميات أكبر. التشابك هو حالة من الاتصال "التخاطري" بين إلكترونين، وفي اللحظة التي حاول فيها طرف ثالث فهم حالة أحدهما، انقطع الاتصال التخاطري. وهذه الحالة من التخاطر بين إلكترونين لا يمكن أن تحدث إلا عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق. وقد وجدت الأبحاث التي أجريت في المقال الأصلي أن ذلك ممكن أيضًا عند درجة حرارة أعلى. ليس لدي أي معرفة بالفيزياء، لذلك ما كتبته هو مجرد قراءة عشوائية ومن الممكن أنني لم أفهم ما هي الحلقة، ولكن وفقًا لما كتبته وما هو مكتوب في المقال الأصلي، فإن شرحك غير مفهوم ولا يعلم شيئًا. لقد تم كتابته بطريقة لا يستطيع أي شخص من المجتمع فهمها. وأنا شخص من المستوطنة وجئت من باب الفضول وأربكتني.