اعتاد التشابك أن يكون المعيار الأساسي لغرابة العالم الكمي، ولكن الآن ثمة ظاهرة جديدة وصاخبة يمكن أن تعطينا كل الفوائد بجلبة أقل.

يعمل ريمون لافلام في مبنى رائع المظهر، وهو مركز النانو والكم الذي يُوجَد في الحرم الجامعي لجامعة ووترلو بأونتاريو بكندا، والذي يعكس مظهرُه الخارجيُّ المُصمَّمُ على هيئة شرائح زجاج شفافٍ وعاكسٍ متناوبةَ الطبيعة الغامضة للعالم الكمي. أما من الداخل، فإنه أكثر إثارة للإعجاب؛ فمختبراته معزولة جيدًا عن العالم الخارجي؛ لدرجة أن أي زلزال لن يحرك أرضياتها، ولا يمكن لأي مجالات كهربائية أو مغناطيسية أن تدخلها ما دام هذا ليس مطلوبًا، ويتم التحكم في درجة الحرارة بدقةٍ تبلغ أجزاءً من الدرجة. هذا مثير للإعجاب على نحوٍ خاصٍّ مع الوضع في الاعتبار أن البشر يدخلون بأجسادهم الساخنة إلى المركز لإجراء تجارب في درجات حرارة قريبة من الصفر المُطلق.

إذن، يا له من عار إذا ثبت أن كل هذا التصميم المتطور بلا جدوى على الإطلاق! يرأس لافلام معهد الحوسبة الكمية في الجامعة، ومن المفارقات أنه كان من بين أوائل الباحثين في إيضاح السبب في أن الحوسبة الكمية ربما لا تتطلب نوع العزل الذي كنا نعتقد أنها تحتاجه مِنْ قَبْل. إذا كان ينبغي اتباع توصيات أحدث مجموعة من النتائج؛ فإن مفتاح الوصول إلى العالم الكمي لا يكمن في تجنُّب التشويش، ولكن في الاعتماد عليه.

نَّ فهمنا المُستَجَد لطريقة ترابط الأنظمة الكمية يشير إلى أن هناك جوانب أكثر بكثير مما نعتقد فيما يتعلَّق بماهية النظام الكمي. وقد منح الباحثون هذه الظاهرة اسم الضجيج الكمي. إذا اتضح أن كل ما يُقال عن الضجيج الكمي في الوقت الحالي صحيح، فربما يخبرنا أخيرًا ما يعنيه حقًّا أن يكون أيُّ نظام كميًّا. مع ذلك، لن تكون فوائده مجردة فحسب، بل ربما يُغيِّر نظرتنا لمجالات البيولوجيا والحوسبة والقياس وطبيعة الواقع نفسه بالطبع.

لكن ضعْ في اعتبارك أن الضجيج الكمي مفهوم مخادع. كان أول شخص يعرفه هو فويتشخ جوريك من مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو. كان جوريك يدرس آثار القياس على الأنظمة الكمية. أحد أغرب الأشياء حول العناصر الكمية هو أنه حتى تتمكَّن من قياس مكانها، ستجد أنها توجد في أماكن كثيرة في الوقت نفسه.

أراد جوريك فهم كيفية قيام القياس بتحويل أي عنصر كمي إلى عنصر «كلاسيكي» عادي لديه وجود ثابت وطبيعي. فنحن نعلم أن النظام الكمي يصبح كلاسيكيًّا إذا قمت بإجراء قياسات متكررة عليه، أو قِسْته بقوة شديدة. اقترح جوريك أنه يوجد كيان قابل للقياس — الضجيج الكمي — يُفقَد أثناء هذه العملية. ووفقًا له، الضجيج الكمي هو — عمليًّا — «مقياس الكمية».

في البداية، لم يحصل هذا المفهوم على الكثير من الاهتمام، ثم بعد بضعة أشهر، توصَّل فلاتكو فيدرال — من جامعة أكسفورد — لشيء مماثل، ولو كان من اتجاه مختلف. كان يدرس المعلومات الكلية التي يمكنك استخراجها نظريًّا من زوج من الجسيمات يتفاعلان لخلق زوج «متشابك». وعندما يتشابك اثنان من الجسيمات الكمية، تُحمَل بعض المعلومات عن كل واحد منهما في الآخر. يمكنك فحسب أن تصف على نحوٍ تامٍّ خصائص كل واحد منهما من خلال وصف الزوج كاملًا.

للسيطرة على العالم الكمي، اصنع بعض الضوضاء.

مع ذلك، صُدِم فيدرال عندما طبَّق مبادئ الرياضيات على دراسة المصدر الذي تأتي منه كافة المعلومات. ويقول إن المعلومات كانت محفوظة في التشابك، والمعلومات التقليدية «لم تُضَفْ إلى المعلومات الكلية في النظام.» وإن هذا «كان مثيرًا حقًّا للدهشة.» وهو يعتقد أن المعلومات الناقصة هي مقياس للضجيج في النظام.

أحد أسباب هذه الدهشة الشديدة هو أننا لفترة طويلة كنا ننظر إلى التشابك باعتباره الجوهر الخالص لغرابة العالم الكمي. وهذا لأنه يمكنك شبك زوج من الذرات بوضعهما في طرفي الكون وإجراء القياس على أحدهما، والذي من شأنه أن يؤثر على نتائج قياس لاحقٍ على الآخر، على الرغم من عدم وجود ارتباط مادي بينهما.

رفض أينشتاين هذا، ووصفه بأنه «تأثير افتراضي عن بعد.» وقال إن ذلك أوضح أن رياضيات نظرية الكم تحتاج بعض العمل؛ فأشار إلى أنه يجب أن توجد معلومات إضافية حول الذرات التي لم تُدرَج في المعادلات.

لسوء الحظ بالنسبة لأينشتاين، أُثبت أن التشابك حقيقي في ثمانينيات القرن العشرين. ومنذ ذلك الحين، أصبح باحثو نظرية الكم مهووسين للغاية به. ما أشاد شرودنجر به ووصفه بأنه السمة المميِّزة لنظرية الكم نُظِرَ إليه على أنه مفتاح الحوسبة الفائقة السرعة، والتشفير غير القابل للفك، والكشف عن طبيعة الزمان والمكان.

كل هذا بسبب أن التشابك مصدر مذهل للتعامل مع المعلومات الكمية. إذا كان أليس وبوب يتشاركان زوجًا متشابكًا من الفوتونات؛ فيمكن لأليس وضع فوتون بوب في أي حالة تختارها فقط عن طريق إجراء قياس مُعَيَّن على فوتونها.

المشكلة هي أنه ثبتت الصعوبة الشديدة في تفعيل التشابك؛ فرابطه الافتراضي حسَّاس على نحوٍ شديدٍ؛ فإذا شبكت ذرتين، فإنَّ عليك عزلهما عن جميع مصادر التشويش؛ فالاهتزازات والحرارة والضوء والتصادمات مع الذرات الموجودة في الهواء يُمكن لها جميعًا أن تفك الرابط؛ ومن هنا نتجت المتطلبات الصارمة لمكان عمل لافلام.

إذن هل توجد طريقة للتعامل مع الأنظمة الكمية الغريبة والمفيدة دون كل هذه المتاعب؟ هذا هو ما يمكن أن يفيد فيه الضجيج الكمي.

السبب في أن التشويش يمثل مشكلة بالنسبة للتشابك هو أن التفاعل مع بيئة ساخنة أو صاخبة يُبعد بعض المعلومات الكمية اللازمة للوصف الكامل للنظام. ويمثِّل هذا مشكلة كبيرة بالنسبة للتشابك الذي لا يمكن أن يسمح تقريبًا بأي فَقْدٍ للمعلومات. ولكن عندما ينقطع التشابك، يمكن أن يظل لديك ضجيج؛ أي شبكة من الروابط الأضعف — ولكنها مع ذلك صالحة للاستخدام — تحتوي معلوماتٍ حول خصائص النظام. والأكثر من ذلك أن الضجيج أكثر تسامحًا من التشابك؛ فهو يعتمد بشدة على التشويش. ويقول جيراردو أديسو — من جامعة نوتنجهام بالمملكة المتحدة: «بعض أنواع الضوضاء في واقع الأمر تزيد من الضجيج.»

لتفسير السبب، نحتاج إلى إدراك أن الحالات الكمية يمكن أن توجد بمستويات مختلفة من النقاء. وبالنسبة لشيء مثل الفوتون، أنقى حالة هي مثل عملة تتدحرج على حافتها؛ عمودية تمامًا ولكن سريعة التأثر للغاية. وفقط في هذه الحالة يمكن للفوتونات أن تتشابك. فكِّر في التشابُك على أنه اثنتان من القطع النقدية في حالة نقية تتدحرجان خلال شقين رأسيين ضيقين في صندوق؛ مما يؤدي إلى تبادل المعلومات بين القطعتين النقديتين.

لا يمكن أن تفي كل حالة كمية بهذه القيود؛ فالحالات «المختلطة» أقل تحديدًا؛ فسيشبه الفوتون أكثر عملة معدنية متقلبة من جانب إلى آخر بينما تتدحرج إلى الأمام. ولن تكون قادرة على التدحرج من خلال الشقين الرأسيين لصندوق التشابك، ولكن لا يزال بإمكانها المرور عبر فجوة أوسع. وبينما تفعل ذلك، ربما تتفاعل مع الجدران. وهذه الاصطدامات سوف تجعل تلك الجدران ترن، وسوف يشعر أي فوتون آخر يستخدم تلك القناة بهذا «التذبذب». وبهذه الطريقة، يمكن للبيئة الصاخبة أن تزيد في الواقع من كمية المعلومات المشتركة.

الضجيج الكمي يحل محل التشابك

في حين أن التشويش الناتج من البيئة سيحوِّل الحالات النقية لتصبح مختلطة — مما يدمِّر أي تشابك — فإن الحالات المختلطة لا تسمح بالاصطدامات فحسب، ولكن يمكنها أيضًا الحصول على معلومات منها. ولا يمكن أن تحتوي قدرًا كبيرًا من المعلومات مثل التشابك، ولكنها لا تزال كمية من المعلومات يمكن الاستفادة منها؛ فهي نوع من التشابك الخفيف، الذي فيه بمجرد أن يتشارك جسيمان بعض الضجيج يمكنك التعامل مع واحد لتغيير الآخر. ويُعَدُّ نطاق التغييرات المحتملة أكثر محدودية من نطاقها مع التشابك، لكن لا يزال من الممكن الاستفادة منه في معالجة المعلومات.

إليك اكتشاف لافلام: في عام ١٩٩٨، بينما كان يعمل مع إيمانويل نيل — من جامعة كولورادو في بولدر — أوضح أن الحوسبة الكمية لا تحتاج التشابك.

توصَّلَ الرجلان لهذا الاكتشاف من خلال تجربة رياضية فكرية. أولًا، تخيَّلا مجموعة من الجسيمات الكمية حيث يكون جميعها — باستثناء واحد — في حالة مختلطة، والجسيم المتبقِّي في حالة نقية، ولكن بما أنه لا يوجد سوى جسيم واحد فقط على هذه الحالة؛ فإن النظام لا يوجد به تشابك، ثم بحث نيل ولافلام عن مهمة خاصة بمعالجة المعلومات يمكن أن تؤديها مجموعة الجسيمات تلك أسرع من أي خوارزمية كلاسيكية أخرى معروفة.

ووجدا واحدة. إنها تتعلَّق بحوسبة طاقات النظام. ليست المهمة الأكثر إثارة، ولكنها، مع ذلك، مهمة لإثبات حقيقة أنه يمكنك الحصول على تسريع كمي دون تشابك.

نتج التسريع من تفاعل جسيمات الحالة المختلطة مع جسيم الحالة النقية، وبعد ذلك — في النهاية — قياس الحالة النقية الناتجة عن ذلك. وبعد ما يقرب من عشر سنوات، أوضح أُنيميش داتَّا — من جامعة أكسفورد — وزملاؤه أن السمة التي نطلق عليها الآن الضجيج الكمي تكمن في قلب هذا السيناريو. وكمية المعلومات المشتركة بين تلك الجسيمات تعتمد على روابط الضجيج القائمة بين الحالات المختلطة في النظام.

لاستعادة قياس العملة، أوضح داتَّا أن العملية تشبه تمرير عملة الحالة النقية من خلال أحد شقي عملات الحالة المختلطة العريضين، بينما يحتوي الشقُّ الآخرُ واحدًا من جسيمات الحالة المختلطة. إذا حدَث واصطدمت عملة الحالة النقية بالجدار، فسوف تلتقط قليلًا من المعلومات التي خلفتها عملات الحالة المختلطة التي احتكَّتْ بقوة أكبر مع الجدار. وأخيرًا، يمكنك قراءة المعلومات في عملة الحالة النقية، وسوف تجد شيئًا عن عملات الحالة المختلطة التي أثَّر بعضها في بعض وفي الصندوق.

بعبارة أخرى، عند تنفيذ العملية على نحوٍ صحيحٍ، يمكن لقياس نهائي لذرة الحالة النقية أن يستفيد من إمكانات معالجة المعلومات الخاصة بالذرات الأخرى، على الرغم من كونها في حالة مختلطة.

لم تثبت التجارب اللاحقة التي أجراها أندرو وايت — في جامعة كوينزلاند في بريزبان بأستراليا — أن هذا صحيح فحسب، بل أظهرت أيضًا أنه يمكنك حتى التخفيف من نقاء الحالة النقية؛ فطالما كان يوجد بعض الضجيج فإنه سيوجد أفضلية في الحوسبة عن الأسلوب التقليدي.

هذا اكتشاف كبير؛ فهو يقلِّل من منزلة التشابك ويجعله مجرد أداة مثيرة للاستفادة من العالم الكمي، ولكن ليس أداة أساسية. ولأنه يَسهُل أكثر تحقيق الضجيج، فمن الممكن تمامًا أن ننجح في محاولاتنا لبناء تكنولوجيات كمية دون الاعتماد على التشابك. ويقول جوريك: «أود أن أقول إنه يوجد ما لا يقل عن ١٢ من التطبيقات المختلفة تمامًا يكون فيها الضجيج مفيدًا. إنه أداة مفيدة للغاية؛ لدرجة أنه يجب استخدامها عند الحاجة إليها.»

سيكون لمثل هذه الاكتشافات تأثير كبير على مجال الحوسبة الكمية. وفي كل التفسيرات تقريبًا التي سوف تقرؤها — بما في ذلك تلك الموجودة في هذه المجلة — سوف يُشار إلى قوة التشابك باعتبارها سببًا لقدرة أجهزة الكمبيوتر الكمية على العمل بقدرة تتجاوز ما هو ممكن في الوضع العادي. حان الوقت للتخلص من هذا التفسير وفقًا لأنصار الضجيج الكمي. ويوضح لافلام أن التشابك ربما يكون أيضًا منتجًا ثانويًّا للحوسبة الكمية، وليس مصدر قوتها، ويضيف قائلًا: «نحن نعلم أنه يوجد ما هو أكثر من التشابك فيما يخص معالجة المعلومات الكمية؛ فهو ليس إجابة لكل شيء.»

يعمل أديسو بالفعل على تكنولوجيات تستفيد من الضجيج الكمي، وقد طوَّر أجهزة قياس كمية حساسة للغاية تعمل دون أيٍّ من القيود المطلوبة لعمل الأجهزة المماثلة المعتمدة على التشابك. ومن خلال استخدام تكنولوجيا، يشير إليها هو وزملاؤه باسم التقدير الكمي، يُجْرُون تفاعلًا بين نظامٍ كميٍّ محتوٍ على حالات مختلطة مليئة بالضجيج الكمي، وأي نظام يتم قياسه. وعن طريق رصد التغيرات في الحالات المختلطة في جهازهم، يُجرون قياسًا حساسًا للغاية — مثلًا — لخصائص المرحلة الخاصة بالفوتون. وهذا يمكن أن يُقدِّم لنا مقاييس تداخل أكثر حساسية وقوة؛ مما سيوجِد أجهزة كشف عن موجات الجاذبية، أو ساعات ذرية أكثر دقة.

نباتات كمية

توجد تطبيقات محتملة في فيزياء المواد المركبة؛ ففهم ما يخلق خصائص غير متوقعة — مثل التغيرات المرحلية المفاجئة في درجات حرارة معينة — ربما يرجع إلى الضجيج الكمي والترابطات الداخلية في المادة. يقول أوجوال سين — من معهد هاريش–شاندرا للأبحاث في الله أباد بالهند: «بدأنا للتوِّ فَهْم تطبيقاته.»

ربما يكون الضجيج الكمي أيضًا أداة مفيدة لاستكشاف مجال بيولوجيا الكم الناشئ؛ فقد أظهرت أبحاث أُجْرِيَتْ، مؤخرًا، إشارات على أن حِيَلًا كمية تساعد النباتات في التمثيل الضوئي، وتساعد بعض الطيور في التنقُّل. كان هذا مثيرًا للدهشة إلى حدٍّ كبيرٍ؛ بسبب أن هذه الأنظمة تعمل في البيئات الطبيعية الدافئة والرطبة والصاخبة، والتي نحاول الابتعاد عنها في جميع أنظمة تكنولوجيا الكم لدينا، وطالما كانت كيفية عمل التشابك في مثل هذه البيئات لغزًا، ولكن الآن نعرف أنه ليس له دور فيها.

إن حقيقة أن الضجيج الكمي لا يسمح فحسب بوجود الضوضاء، ولكنه يزيد بسببها أيضًا، تدعو أديسو للشك في أن التطور ربما هو الذي جعله يعمل. ويضيف قائلًا: «أعتقد أنه من المرجح كثيرًا أن الأنظمة الحية تقوم باستغلال كبير للغاية للتأثيرات الكمية؛ لذلك سيوجد هناك بالتأكيد دور للضجيج الكمي في هذا.»

ليس من الواضح حتى الآن المدى الذي ربما يمتدُّ إليه تأثير هذه الظاهرة الغريبة. يعترف لافلام قائلًا: «هل الضجيج الكمي هو الإجابة على كل شيء؟ نحن لا نعرف. يخبرنا الضجيج الكمي أنه يوجد فيما يتعلَّق بميكانيكا الكم ما هو أكثر مما كنا نعتقد؛ وأنه يوجد العديد من أجزاء اللغز التي لا نفهمها، ولكن إلى أين بالضبط يمكن أن يؤدي بنا؟ أو ماذا يمكن أن يخبرنا عن العالم؟ أو أين نستطيع استخدامه؟ كل هذا لا يزال غير واضح تمامًا.»

وشيء آخر لا يزال غير واضح للجميع هو: مدى ثورية الضجيج الكمي، إذا كان ثوريًّا من الأساس. وتُقدِّم ستيفاني وينر — من مركز التكنولوجيات الكمية في سنغافورة — تحذيرًا؛ إذ تقول إن قصة الضجيج الكمي مبالغ فيها، وتخشى أن تكون مجرد وسيلة لإعادة صياغة ما نعرفه بالفعل، وأنها ربما تَصرِف الناس عن البحث عن حقائق أعمق حول العالم الكمي، وتضيف قائلةً: «تُقدِّم نظرية المعلومات الكميَّة طرقًا أقوى بكثير لدراسة دقائق النظام الكمي في مقابل النظام الكلاسيكي.»

ويشير لافلام إلى أنه رغم ذلك، فقد فتحَتْ فكرةُ الضجيج الكمي الطريقَ أمامنا؛ فلدينا زاوية جديدة لفهم الفَرْق بين العالمين الكلاسيكي وغير الكلاسيكي؛ فعلى سبيل المثال: لماذا يمكن للأنظمة الكمية أن توجد في مكانين في وقت واحد، ولكن لا نستطيع نحن؟ يمكن أن يمثِّل ذلك نقطة تحوُّل تكنولوجية. ويستطرد لافلام: «هذا شيء عظيم؛ فالعالِم الشاب في هذا المجال يمكن أن يفكر في معالجة المعلومات الكمية بطريقة مختلفة تمامًا عن طريقة تفكير جيلي.» هذا أمر جيِّد للغاية يا ريمون، ولكن لا تُخبر الناس عمَّن عمل بجدٍّ لبناء مَبناك المُنمَّق.