يمكن قياس التشابك الكمي في المواد الصلبة لأول مرة

لدينا أخيرًا طريقة لقياس التشابك الكمي للمواد الصلبة، مما قد يؤدي إلى تقدم في كل من تكنولوجيا الكم والفيزياء الأساسية.

عندما يتعلق الأمر بالتشابك الكمي – وهو رابط لا ينفصم بين الجسيمات الكمومية التي تحافظ على ترابط سلوكياتها، حتى عندما تكون متباعدة للغاية – فإن الباحثين لديهم أدوات تجريبية محدودة. يمكنهم تحديد ما إذا كان جسيمان متشابكان باستخدام إجراء يسمى اختبار بيل، على سبيل المثال، وإنشاء تشابك عمدًا بين عدة كائنات داخل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

لكن معرفة ما إذا كانت قطعة من مادة ما مليئة بالجزيئات المتشابكة أمر أكثر صعوبة. وهذا مهم بشكل خاص لتطوير أجهزة جديدة وأفضل للحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية، والتي تتطلب التشابك.

وقد أمضى ألين شي – من مختبر لوس ألاموس الوطني في نيو مكسيكو – وزملاؤه أكثر من نصف عقد من الزمن في تطوير تقنية للقيام بذلك، وهي ناجحة الآن.

يقول شي: “لقد أثبتنا أن الأمر ناجح بنسبة 100%، ونحن الآن نحدد الإجراءات التي يتعين عليك اتباعها لتتمكن من القيام بذلك بمواد مختلفة”.

تتضمن طريقة الفريق رش عينة من المادة بالنيوترونات، والتي يتم جمعها بعد ذلك على جهاز كشف. منذ خمسينيات القرن الماضي، عرف الباحثون أن تحليل خصائص هذه النيوترونات يمكن أن يكشف عن ترتيب وسلوك الجسيمات الكمومية داخل المادة. استخدمها شي وزملاؤه لحساب معلومات فيشر الكمومية (QFI)، وهو رقم يشير إلى الحد الأدنى لعدد الجسيمات الكمومية داخل المادة التي يجب أن تكون متشابكة لتؤثر على النيوترونات بالطريقة المكتشفة.

واختبر الباحثون طريقتهم على العديد من المواد المغناطيسية، بما في ذلك بلورة مدروسة جيدًا مصنوعة من البوتاسيوم والنحاس والفلور. يقول عضو الفريق بونتوس لوريل من جامعة ميسوري إنه في هذه الحالة، يمكن مقارنة النتائج مباشرة بمحاكاة حاسوبية للأجزاء الداخلية الكمومية للبلورة من أجل التحقق من الطريقة الجديدة. “لقد كان اتفاقًا وثيقًا بشكل ملحوظ بين المنحنيات التجريبية والنظرية.”

يقول لوريل إن باحثين آخرين سبق لهم أن درسوا QFI وأرقام مماثلة باعتبارها “شهود تشابك” تجريبيين محتملين، لكن فريقه هو أول من وضع طريقة واضحة وموثوقة وقابلة للتطبيق بشكل عام لقياسها. لقد كان معظم العمل منصبًا على الحصول على التفاصيل الصحيحة، الأمر الذي فتح الباب الآن أمام الباحثين لتجربة جميع أنواع المواد، بما في ذلك تلك التي يمكن استخدامها في النهاية لبناء أجهزة جديدة.

ومن الجدير بالذكر أن طريقة الفريق تعمل بغض النظر عما إذا كان النموذج الرياضي الجيد للمادة موجودًا بالفعل، وهي فعالة حتى عندما تكون العينات غير كاملة. يقول شي: “هذا هو الشيء الرائع في الأمر. يمكنك قياس معلومات فيشر الكمومية مهما كانت الظروف”. وقد قدم عمله في قمة الفيزياء العالمية للجمعية الفيزيائية الأمريكية في دنفر، كولورادو، في 17 مارس.

وفي غضون شهر، سينتقل الباحثون بطريقتهم إلى المستوى التالي من خلال قياس QFI للمادة عندما تقترب من مرحلة انتقالية – المعادل الكمي للنقطة التي يتحول فيها الماء إلى جليد. يقول شي إن النماذج النظرية غالبًا ما تنهار عند هذه النقطة أو تتنبأ بأن التشابك سيصل إلى أعلى مستوياته، لذلك هناك فرصة لاكتشاف كمي حقيقي.