اكتشف الفيزيائيون التشابك الكمي لأول مرة في عينة طولها سنتيمتر واحد من معدن غريب

تلفت التجربة الفكرية الشهيرة “قطة شرودنغر” الكثير من الاهتمام إلى عدم ملاءمة مصطلحات فيزياء الكم للأجسام الكبيرة. لا يمكن أن تكون القطة حية وميتة في نفس الوقت، ولكن يمكن توجيه دوران الإلكترون في اتجاهين مختلفين في نفس الوقت. تخضع الجسيمات والأجسام المفردة التي تتكون من مليارات الذرات لقوانين فيزيائية مختلفة. ومع ذلك، يبحث العلماء عن نظرية لكل شيء – عدد محدود من المعادلات التي يمكنها وصف جميع الظواهر التي تحدث في الواقع. ولذلك، فهم يحاولون ربط فيزياء الكم مع الباقي وخلق تأثيرات كمومية في الأنظمة المتزايدة باستمرار. أظهر فريق دولي من الباحثين أن التشابك الكمي ممكن على نطاق مجهري. تم اكتشاف درجة عالية من التشابك الكمي في بلورة يبلغ طولها سنتيمترًا واحدًا من المعدن الغريب CePd₃Si₂. أصبح هذا ممكنًا بفضل طريقة من نظرية المعلومات الكمومية – المعلومات الكمومية فيشر. تم نشر المقال في مجلة فيزياء الطبيعة.

“لم نكن نحاول جلب البلورة ككل إلى تراكب من حالتين. بدلا من ذلك، سألنا: هل مكوناتها – مجتمعة – في مثل هذه الحالة من الارتباك؟ التجربة لا تشبه قطة شرودنغر بقدر ما تشبه عش النمل: عندما يتم إزعاجها، لا تتفاعل نملة واحدة فقط، ولكن المستعمرة بأكملها ككل”، قال المؤلف الرئيسي للدراسة، البروفيسور سيلك بوهلر باشن. تم تطوير الأساس النظري لهذا النهج من قبل عالم فيزياء الكم بيتر زولر من جامعة إنسبروك (النمسا) وفريقه. لقد أظهروا أن مفهوم فيشر للمعلومات الكمومية يمكن استخدامه للكشف عن التشابك الكمي حتى في الأنظمة الكبيرة التي تتكون من العديد من الجسيمات. تحدد معلومات فيشر الكمومية مدى حساسية النظام الكمي للتغيير. بالنسبة لمجموعة من الجسيمات المستقلة، تكون الاستجابة محدودة؛ كل جسيم يتفاعل من تلقاء نفسه. ومع ذلك، إذا كانت الجسيمات متشابكة، يمكن للنظام بأكمله أن يتفاعل أكثر من مجموع أجزائه الفردية.

هذه الحساسية المتزايدة تجعل التشابك ذا قيمة بالنسبة للقياس الكمي، حيث يجب اكتشاف الإشارات الضعيفة بأقصى قدر من الدقة. ومن خلال قياس مدى قوة استجابة النظام للاضطراب، يمكننا استنتاج درجة تشابك العينة. وتمكن الباحثون من إنتاج بلورة من السيريوم والبلاديوم والسيليكون. وهذا “معدن غريب” له خصائص لم يفهمها العلماء بشكل كامل. إلكتروناتها متشابكة للغاية ولا تتبع أنماط السلوك القياسية في المعادن. تم قصف بلورة من هذا المعدن بالنيوترونات وتم قياس استجابة المادة. “في المادة العادية، ينقل النيوترون الطاقة إلى جسيم فردي واحد. ولكن عندما قمنا بتحليل البيانات باستخدام معلومات فيشر الكمومية، حددنا استجابة لا يمكن تفسيرها من حيث الجسيمات المستقلة. وبدلا من ذلك، تشير إلى أن مجموعات مكونة من تسعة كيانات متشابكة كميا على الأقل تعمل بشكل جماعي،” كشف طالب الدراسات العليا فيديريكو مازا عن تفاصيل التجربة.

قدم البحث دليلاً على وجود تشابك كمي عالٍ بين العديد من الجسيمات في جسم صلب، وهو جسم مجهري كبير بما يكفي لحمله في اليد. هذا هو أول تقدير كمي مباشر للتشابك في معدن غريب. لقد أنشأ مؤلفو هذا العمل العلمي جسرًا جديدًا بين فيزياء الحالة الصلبة وفيزياء الكم. في المستقبل، يخطط العلماء لمعرفة ما إذا كانت المعادن الغريبة يمكن أن تجد تطبيقًا في التقنيات الكمومية يومًا ما – على سبيل المثال، للقياسات فائقة الدقة في علم القياس الكمي.