التشابك الكمي: الظاهرة التي غيرت مفهومنا عن الفيزياء والتكنولوجيا

تخيل أنك في رحلة طويلة وفي الطريق شعرت بالجوع، فقررت أن تتوجه إلى مطعم وجبات سريعة وتطلب همبرغر و هوت دوغ ، وقد وضع الموظف كل من الهمبرغر والهوت دوغ في صناديق متماثلة وسلمك إياهم من النافذة. ليس لديك طريقة في معرفة أي من الصندوقين يحوي الهمبرغر وأي منهما يحوي الهوت دوغ، لكن من الواضح بمجرد فتح أحد الصندوقين ورؤية البرغر ستعرف على الفور أن الآخر فيه الهوت دوغ، هذا يعني أن البرغر والهوت دوغ متشابكين بطريقة ما_إعذرني لأني جعلتك تشعر بالجوع عزيزي القارئ_هذه تقريباً الفكرة التي يقوم عليها التشابك الكمي، وبإمكاننا القول بأنه علاقة بين زوجين من أي شيء تؤثر حالة كل منهما على الآخر.

في هذا المقال، سنشرح ما هو التشابك الكمي، كيف يحدث، ونلقي نظرة على تطبيقاته المذهلة التي بدأت بالفعل تُحدث ثورة في عالم التكنولوجيا.

ما هو التشابك الكمي؟

التشابك الكمي هو ظاهرة فيزيائية تحدث بين الجسيمات الصغيرة جدًا مثل الفوتونات أو الإلكترونات. عندما ترتبط هذه الجسيمات ببعضها بطريقة خاصة، تصبح حالاتها مترابطة، مما يعني أن أي تغيير يحدث لأحدها يؤثر فورًا على الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما.

بالتالي، فإن معرفة معلومات أحد الجسيمات يُمكن أن توفر تلقائياً معلومات عن الجسيمات المتشابكة الأخرى.

التشابك الكمي وميكانيكا الكم

تبدو ميكانيكا الكم أحياناً كمزيج متنوع بالأشياء الغريبة، فهناك إزدواجية موجة-جسيم؛ حيث تتصرف الأجسام الكمومية أحياناً مثل جسيمات صغيرة مدمجة وأحياناً مثل موجات منتشرة، وهناك تراكب، حيث تبدو الأشياء شيئين في وقتٍ واحد، وهناك مبدأ اللايقين، والذي يقول بأن الكون يبدو وكأنه يقوم بخداعنا؛ لمنعنا من معرفة كل تفاصيل كائن كمي، وهناك التشابك الكمي والذي وصفه ألبرت آينشتاين بأنه "عمل مخيف عن بُعد" حيثُ يبدو أن محاولة القيام بشيء لأحد زوجا الجسيمات المتشابكة يؤثر تلقائياً على الفور في الخصائص للجسيمات الأخرى بغض النظر على بعدهما عن بعضهما. والحقيقة أن أي من هذه الأوصاف ليس صحيحاً تماماً، إنها جميعاً مجرد محاولات لإستخدام لغتنا اليومية للتحدث عن أشياء لا يمكن وصفها بالضبط وهذا ينطبق على التشابك الكمي.

ظهور نظرية التشابك الكمي

تم طرح نظرية التشابك الكمي لأول مرة بشكل معمق، بعد تجربة الشق المزدوج لتوماس يونج، والتي اعتبرها أعظم تجربة في الفيزياء، بسبب نتائجها الغريبة والكارثية في نفس الوقت بالنسبة لقوانين الفيزياء. سلوك الفوتونات وقدرتها على الاتصال ببعضها برغم وجود مسافة بينها دفع العلماء إلى افتراض وجود ظاهرة يتكون فيها رابط ما بين الفوتونات ولاحقاً عُرفت هذه الظاهرة ب التشابك الكمي.

كيف يحدث التشابك الكمي بين الجسيمات ؟

هناك طرق عديدة لتشابك الجسيمات.

تبريد الجسيمات:

تُبرَّد الجسيمات إلى درجة كبيرة تقترب أو تصل إلى درجة الصفر المطلق وتوضع بالقرب من بعضها بشكل كافٍ بحيث تتداخل حالاتها الكمية التي تمثل اللايقين في الموقع(عدم الجزم بموقعها بالنسبة لبعضها)، مما يجعل من المستحيل تمييز جسيم عن الآخر.

العمليات دون ذرية:

وهي الإعتماد على بعض العمليات دون الذرية للجسيمات الأصغر من الذرة، مثل الاضمحلال النووي والتي تنتج جزيئات متشابكة.

التشابك الكمي في الفوتونات:

يمكن أيضاً إنتاج أزواج متشابكة من الفوتونات، أو جسيمات الضوء، إما عن طريق تقسيم فوتون واحد وتوليد زوج من الفوتونات في هذه العملية، أو عن طريق دمج أزواج من الفوتونات في كابل ألياف ضوئية.

ما هي تطبيقات التشابك الكمي؟

التشابك الكمي في الجسيمات هو المكون الرئيسي للتقنيات الحديثة التي ما زلنا نسمعها، وهي أجهزة الكمبيوتر الكمومية فائقة القوة و تشفير البيانات الغير قابلة للكسر بواسطة التشفير الكمي.

التشفير الكمي:

في هذا السيناريو، يبني المرسل والمستقبل رابطًا آمنًا للاتصال باستخدام أزواج من الجسيمات المتشابكة. يتمكن كلاهما من إنشاء مفاتيح خاصة باستخدام مجموعة الجسيمات المتشابكة، وتكون هذه المفاتيح معروفة فقط لهما، مما يسمح لهما بتشفير رسائلهما. إذا حاول شخص ما اعتراض الإشارة والتجسس على المفاتيح الخاصة، فإن التشابك بين الجسيمات ينقطع فورًا؛ وذلك لأن قياس جسيم متشابك يغير حالته، مما يجعل المرسل والمستقبل يدركان أن اتصالاتهما قد تم اختراقها.

الحوسبة الكمومية:

في مجال آخر، وهو الحوسبة الكمومية، يتم استخدام التشابك الكمي لتشابك أعداد كبيرة من الجسيمات. هذا التشابك يمكن الجسيمات من العمل في نظام متناسق لحل المشكلات الكبيرة والمعقدة. على سبيل المثال، يمكن لجهاز حاسوب كمومي يحتوي على 10 كيوبتات (بتات كمومية) أن يمثل كمية من الذاكرة تعادل 2000 من البتات التقليدية.

الطب والتصوير الطبي:

التشابك الكمي وسيلة فعالة ومذهلة لتحسين تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي النووي (NMRI) من خلال فهم أعمق للظواهر الكمومية بين البروتونات التي هي أساس عمل تقنية الرنين المغناطيسي.

فيزياء الكم عالم أقل ما يُقال عنه عالم معقد وغير مفهوم، ونظرياته تكون أحياناً منافية للمنطق، ولكن بالرغم من ذلك فإن العمليات الكمومية للجزئيات والجسيمات فتحت ومازالت تفتح آفاقاً جديدة، آفاق لم يحلُم الإنسان بها يوماً، وتطبيقاتها المذهلة أوصلتنا إلى مراحل متقدمة جداً في التطور التكنولوجي، وظاهرة التشابك الكمي أحد هذه العمليات الكمومية التي مهدت إلى فك جزء من ألغاز علم ميكانيكا الكم والاستفادة من تجاربه وسيناريوهاته في تطبيقات ليس لها سابق، و هو ليس مجرد ظاهرة غريبة في عالم الفيزياء، بل هو بوابة لابتكارات تكنولوجية مذهلة ستغير الطريقة التي نفهم بها الكون. من الحوسبة الكمومية إلى التشفير الكمي، يستمر هذا المجال في تقديم إمكانيات لا حدود لها. عزيزي شاركنا أفكارك في التعليقات!