قام الفيزيائيون ببناء طبولتين صغيرتين ، كل واحدة كبيرة مثل شعرة الإنسان واسعة ، وقاموا بمزامنة اهتزازاتهم تمامًا. لقد حققوا هذا الانسجام المثالي للطبول باستخدام ظاهرة ميكانيكا الكم تُعرف باسم التشابك – ويمكن أن تكون الطبول مفيدة في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

تعزف الطبولان معًا بدقة تفوق بكثير ما يمكن أن تحققه أوركسترا أو مقطعتان متطابقتان. قال الفيزيائي شلومي كوتلر من الجامعة العبرية في القدس ، الذي أجرى التجربة أثناء عمله في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في بولدر بولاية كولورادو: “إنهم يصبحون أساسًا كيانًا واحدًا”. فريق كوتلر نشروا أعمالهم في مجلة Science هذا الشهر.

قام كوتلر بضرب البراميل باستخدام ضوء الميكروويف. تتسبب أفران الميكروويف في ضغط سطح البراملين المصنوعين من الألومنيوم وانتفاخه مثل الترامبولين. من خلال مراقبة رأسي الطبلة ، قام فريقه بقياس موضع سطح الأسطوانة الواحدة لتتناسب دائمًا مع موضع الأخرى. تتحرك أسطح الأسطوانة دائمًا بنفس السرعة ولكن في اتجاهين متعاكسين.

تتحرك الطبول بالنسبة لبعضها البعض ، مثل طرفي الأرجوحة. وأنت جالس على أحد طرفي الأرجوحة وعينيك مغمضتين ، تعلم أنه عندما تصعد ، يجب أن يكون الطرف الآخر قد نزل. مواضع وسرعات الطرفين متزامنة لأنها جزء من كائن واحد. من خلال تجربته ، يجعل كوتلر الطبلتين المنفصلتين تتصرفان كما لو أنهما متصلتان بطريقة ما ، مثل طرفي الأرجوحة. يُعرف هذا بين علماء الفيزياء بأنه شكل من أشكال التشابك الكمومي ، حيث يتشابك مصائر جسمين مختلفين. منحت الفكرة الشهيرة أينشتاين وقفةً مؤقتةً بشأن نظرية الكم ، حيث اقترحت أن الأشياء يمكن أن تؤثر على بعضها البعض من بعيد بشكل عشوائي. على سبيل المثال ، يشير التشابك إلى أنه إذا قمت بفصل جسمين متشابكين عن طريق وضع أحدهما على الأرض والآخر على نبتون ، فإن التداخل مع أحدهما سيؤثر على الآخر بشكل فوري. أشار أينشتاين إلى هذا التضمين بأنه “عمل مخيف عن بعد”.

على الرغم من شكوك أينشتاين حول ما إذا كان الفعل المخيف يحدث بالفعل ، فقد أكدت التجارب على مدى عدة عقود أن التشابك أمر حقيقي. قام الفيزيائيون بتشابك ما يصل إلى 18 فوتونًا في المرة الواحدة ، حيث ترتبط حالة أحد الفوتونين بالفوتون الآخر. وقد تسببوا في تشابك أجسام مختلفة ، حيث قامت إحدى المجموعات بتشابك أسطوانة صغيرة مثل أسطوانة كوتلر بسحابة تحتوي على مليار ذرة سيزيوم. في هذه الحالة ، أدى التداخل مع اهتزازات الأسطوانة إلى تغيير كيفية دوران ذرات السيزيوم في السحابة.

أجرى كوتلر هذه التجربة داخل مجمد حافظ على درجة مئوية فوق الصفر المطلق. كان هذا ضروريًا لأن درجات الحرارة المرتفعة تتسبب في اهتزاز البراميل بشكل عشوائي ، مما يمنعها من تحقيق التزامن. لتشابك البراميل ، قام كوتلر بتوصيل كلاهما عبر الأسلاك بدائرة تخزن إشعاع الميكروويف. عندما تقوم الدائرة بنقل الموجات الدقيقة من وإلى كلتا البراميل وفقًا لبروتوكول محدد ، تصبح البراميل متشابكة.

هذه التجربة هي الأحدث في اتجاه بين علماء الفيزياء لإنتاج التشابك في الأجسام الأكبر حجمًا بشكل تدريجي. وفقًا لنظرية ميكانيكا الكم ، يجب أن تكون الكائنات من جميع الأحجام قادرة على إظهار التشابك. ومع ذلك ، فقد لاحظ الفيزيائيون تاريخيًا فقط الظواهر الكمومية في الأجسام الدقيقة مثل الذرات المفردة. على الرغم من كونها صغيرة بالمعنى اليومي ، إلا أن الطبول تتكون من تريليون ذرة لكل منها. قال الفيزيائي كيرو لاو Kero Lau من جامعة Simon Fraser في كندا: “إنهم يدفعون بالحد الفاصل بين العالم الكمي والعالم الكلاسيكي”.

لكن الطبلين ليسا مجرد فضول علمي. يرغب الباحثون في استخدامها كمكونات للحاسوب الكمومي ، والذي يقوم بترميز المعلومات في الأجهزة المعروفة باسم الكيوبتات التي تمثل المعلومات كاحتمال ، بدلاً من 1 أو 0 نهائي كما هو الحال في الحوسبة العادية. يعالج الكمبيوتر المعلومات من خلال العمليات المنطقية على الكيوبتات التي تعتمد على تلك الكيوبتات المتشابكة.

قال كوتلر إن هذه البراميل الصغيرة يمكن استخدامها كوحدات كيوبت ، لتخزين المعلومات كحركة. كجسم ميكانيكي كمي ، فإن سطح كل براميل ليس له دائمًا موضع محدد. موقعها موجود كاحتمالية ، تمامًا كما أن تقليب العملة في الهواء ليس وجهًا ولا ذيلًا ولكن هناك احتمال لكليهما. وبالمثل ، يمكن أن يكون سطح الأسطوانة مضغوطًا وانتفاخًا في نفس الوقت ، ويمكن لباحثي الحوسبة الكمومية استخدام هذا المزيج من المواضع لتمثيل مزيج من 1 و 0. بالإضافة إلى ذلك ، يتيح التشابك للطبول التفاعل مع بعضها البعض لأداء العمليات الحسابية.

قال لاو إنه يمكن للباحثين أيضًا استخدام هذه البراميل لتوصيل أجهزة كمبيوتر كمومية مختلفة. يمكن أن تعمل البراميل كعقدة وسيطة بين جهازي كمبيوتر كميين مختلفين يعتمدان على كيوبتات فائقة التوصيل ، على سبيل المثال. يمكن للكمبيوتر الكمومي فائق التوصيل ، الذي يقوم بترميز المعلومات في الموجات الدقيقة ، إرسال هذه المعلومات لتخزينها في اهتزازات مجموعة من البراميل. يمكن لهذه البراميل بعد ذلك تحويل المعلومات مرة أخرى إلى أجهزة ميكروويف لإرسالها إلى كمبيوتر كمي آخر عبر مسافة طويلة. سيشكل هذا النوع من الاتصال أساس “الإنترنت الكمي، هدف علماء الفيزياء لإنشاء شبكة من أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

يطور عرض كوتلر الطبول الصغيرة كتقنية للحوسبة الكمومية ، لأن إعداده يمكن أن ينتج تشابكًا عند القيادة. قال كوتلر: “تضغط على زر ، وهذا يحدث”. بينما قامت فرق أخرى بتشبيك طبلين في الماضي ، لم يتمكنوا من فعل ذلك بنفس الاتساق مثل Kotler.

قال كوتلر إن البراميل تبقى متشابكة لنحو 200 ميكرو ثانية. بينما يبدو الوقت قصيرًا ، يتوقع كوتلر أن الوقت كافٍ للتلاعب بالطبول لإجراء عمليات مثيرة للاهتمام في الكمبيوتر الكمومي. وقال إن الخطوة التالية هي جعل الطبول المتشابكة تنفذ هذه البروتوكولات الأكثر تفصيلاً.

توضح تجربته أيضًا كيف أن تطوير تقنية الحوسبة الكمومية يغذي فهمًا أعمق لميكانيكا الكم ، والعكس صحيح. قال كوتلر: “إنهما يسيران يداً بيد”. مع قيام الباحثين ببناء المزيد من الأجهزة التي تستخدم التشابك وغرائب ​​الكم الأخرى ، تصبح ميكانيكا الكم نفسها أقل غرابة.