إن النقل الآني الكمي ليس مجرد خيال علمي؛ إنه حقيقي تمامًا ويحدث في المختبرات اليوم. لكن النقل الآني للجسيمات الكمومية والمعلومات بعيد كل البعد عن نقل الأشخاص عبر الفضاء. وفي بعض النواحي، يكون الأمر أكثر إثارة للدهشة.

جون بريسكيل، عالم فيزياء نظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وهو أحد المنظرين الرائدين في مجال الحوسبة الكمومية والمعلومات. في هذه الحلقة، شارك في الاستضافة جانا ليفين أجرى معه مقابلة حول التشابك، ونقل الأجزاء من الساحل إلى الساحل، والوعد الثوري لتكنولوجيا الكم.

استمع Apple Podcasts, سبوتيفي, Google Podcasts, TuneIn أو تطبيق البث المفضل لديك ، أو يمكنك ذلك دفقه من كوانتا.

النص الكامل

Jآنا ليفين: عندما أقول كلمة النقل الآني، ما الذي يتبادر إلى ذهني؟ ربما هو الناقل من ستار تريك إرسال الطاقم على الفور إلى الكوكب، أو السفر عبر الزمن TARDIS طبيب. في الخيال العلمي، يعد النقل الآني وسيلة فعالة لنقل الأشخاص من مكان إلى آخر دون إضاعة أي وقت في الرحلة.

لكن النقل الآني الكمي؟ حسنًا، هذا شيء مختلف تمامًا، وحقيقي تمامًا.

أنا جانا ليفين وهذا هو البودكاست "The Joy of Why". مجلة كوانتا، حيث أتناوب على الميكروفون مع مضيفي المشارك، ستيف ستروغاتز، واستكشاف بعض من أكبر الأسئلة في الرياضيات والعلوم اليوم.

النقل الآني الكمي هو القدرة على الاختفاء من مكان ما والظهور في مكان آخر، دون السفر بينهما. على الرغم من أننا قد لا نطابق الأفلام أبدًا، فمن المرجح أن تُحدث التكنولوجيا ثورة في الاتصالات والحوسبة وفهمنا للعالم من حولنا.

اليوم، ينضم إلينا أحد الخبراء الرائدين في مجال النقل الآني الكمي. جون بريسكيل هو أستاذ الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤسس والرئيس الحالي لمعهد المعلومات الكمومية والمادة. وقد استكشفت أبحاثه فيزياء الجسيمات، ونظرية المجال الكمي، والجوانب الكمومية للكون المبكر والثقوب السوداء. يطبق عمله الحالي هذا البحث على المشكلات المستعصية في الحوسبة الكمومية والمعلومات. جون، مرحبًا بك في "فرحة السبب".

جون بريسكيل: سعيد لوجودي هنا، جانا.

ليفين: سعيد بوجودك. أريد أن أخوض في تفاصيل هذا الموضوع التقني بشكل لا يصدق، ولكن هل يمكنك أن تبدأنا بأحد المفاهيم الأساسية، وهو فكرة التشابك، التشابك الكمي؟

المهارة المسبقة: حسنًا، التشابك هو الكلمة التي نستخدمها للإشارة إلى الارتباطات المميزة بين أجزاء النظام الكمي.

بداية، ماذا نعني بالارتباط؟ يمكننا أن نتحدث عن الارتباطات للبتات العادية. لنفترض أن لديك بتًا، وهو إما 0 أو 1. ولدي القليل، وهو إما 0 أو 1. ثم إذا كان لدينا كلانا 0 أو كلانا لديه 1، فهذا هو الارتباط بين البتات لدينا.

وفي حالة الكيوبتات، يمكن ربطها بطريقة مماثلة. عندما نلاحظ أو نقيس الكيوبت - التناظرية الكم قليلا – نكتسب قليلا. لكن الأمر المختلف في الحالة الكمومية هو أن هناك أكثر من طريقة للنظر إلى الكيوبت.

لذلك يمكنك التفكير في الأمر على أنه صندوق به جزء صغير من الداخل. يوجد بالداخل إما 0 أو 1. ولدي طريقتان للنظر داخل الصندوق. لها بابان. يمكنني إما فتح الباب رقم 1 أو يمكنني فتح الباب رقم 2. وفي كل اتجاه، أرى قليلا.

ويمكن أن يكون لدينا علاقة في كلا الاتجاهين. إذا فتحنا الباب رقم 1، فسنرى بعض الارتباط بين الجزء الذي حصلت عليه والجزء الذي حصلت عليه. وإذا فتحنا الباب رقم 2، فسنرى ارتباطًا، والذي يمكن أن يكون مختلفًا بشكل عام.

ولأن لدينا هذه الطرق التكميلية المتعددة للنظر إلى الكيوبت، فإن لديهم ارتباطات أكثر إثارة للاهتمام وتعقيدًا من الارتباطات بين البتات العادية.

لكن اللغز هو: لا يمكنك مراقبة الكيوبت دون إزعاجه. وهذا فرق مهم جدًا بين المعلومات العادية والمعلومات الكمومية.

ليفين: لنفترض أنني أزعج جسيمي وأجبره على اتخاذ حالة محددة. يمكننا أن نطلق على ذلك عملية قياس، أو ربما أفعل ذلك عن طريق الصدفة. واكتشفت أنه 0. وكان مرتبطًا بالجسيم الخاص بك بهذه الطريقة. هل هذا حقًا - كما يقول الناس - أن سرعة الضوء تفوق سرعة الضوء مما يفرض على جسيمك أن يتخذ حالة معينة من أجل احترام الارتباط؟

المهارة المسبقة: لا، للأسف، لا. أوه، أتمنى ذلك. إذا نظرت إلى الكيوبت الخاص بي، فلا يهم ما إذا كنت قد نظرت إلى الكيوبت الخاص بك أم لا. أنا فقط سأرى قليلا عشوائيا. لذلك، فقط بعد أن ننظر ونتحدث مع بعضنا البعض يمكننا أن نقول أن لدينا علاقة.

ولكن، ما لم نتحدث، كل واحد منا سوف يلاحظ عشوائية خالصة، ولكن مع فرصة متساوية ليكون 0 أو 1، وليس هناك طريقة يمكن أن تنقل أي معلومات.

ليفين: الآن، بالطبع، إذا ناقشنا بعضنا البعض، فيجب أن يتحرك ذلك بسرعة أبطأ من سرعة الضوء، ذلك الجزء من الاتصال.

المهارة المسبقة: حسنًا، يمكنك الاقتراب من سرعة الضوء، لكن ليس أسرع. إذن، هذه مشكلة كبيرة، أننا حقًا لا نستطيع، حتى لو كان لدينا تشابك، إرسال معلومات مني إليك بشكل أسرع من الوقت الذي يستغرقه الضوء للانتقال مني إليك. التشابك لا يغير تلك القصة.

ليفين: مدهش. الآن، ناقشنا هنا التشابك، والذي يعود تاريخه إلى التجارب الفكرية [البرت اينشتاين كان يحاول أن يتصارع مع ميكانيكا الكم، وأحيانًا ضدها. الآن، لماذا أشار أينشتاين بشكل مشهور إلى هذا على أنه "العمل مجفل على مسافة"؟ أو في بعض الأحيان تكون الترجمة "عمل شبحي عن بعد".

المهارة المسبقة: حسنًا، لقد شعر أينشتاين بقوة أنه لا ينبغي أن تكون هناك عشوائية في القوانين الأساسية للفيزياء. لقد شعر أنه إذا كنا نعرف كل ما يمكن معرفته - والذي ستسمح لنا قوانين الفيزياء بمعرفته - عن النظام الفيزيائي، فيجب أن نكون قادرين على التنبؤ تمامًا بما سنراه عندما نلاحظ هذا النظام.

والتشابك لا يخضع لهذا المبدأ. هناك حقا عشوائية حقيقية في العالم. حتى لو كنا نعرف كل شيء عن هذا الزوج المتشابك من الكيوبتات الذي نتشاركه أنا وأنت، فلا تزال غير قادر على التنبؤ بما تراه عندما تنظر إلى ذلك الكيوبت. انها مجرد قليلا عشوائية. وليس لأنك لا تعرف. إنه لا يمكن معرفته.

ليفين: كيف يصبح هذا رافعة مهمة في النقل الآني الكمي؟ وهذا في حد ذاته ليس انتقالًا كميًا. إذن كيف يتم استغلالها؟

المهارة المسبقة: إنه سؤال دقيق. لذلك دعونا نتحدث الآن عن ماهية النقل الآني الكمي.

ليفين: من فضلك، نعم.

المهارة المسبقة: إذن أنت في نيويورك الآن، أليس كذلك؟

ليفين: أنا في نيويورك، نعم.

المهارة المسبقة: حسنًا يا جانا، أنا حاليًا في كاليفورنيا، وأنت في نيويورك، ويصادف أن لدي كيوبت هنا في كاليفورنيا. انها هنا في يدي. انها مشفرة في ذرة صغيرة. لكن شركة FedEx الكمومية ترتكب أخطاء أحيانًا، لذا أرسلوا لي هذا الكيوبت، ولكنه كان مخصصًا لك. نعم؟ لذلك، بطريقة ما، يجب أن أعرف كيفية توصيل الكيوبت الخاص بي إليك. وإذا كان لدينا قناة يمكننا استخدامها لإرسال الذرة من كاليفورنيا إلى نيويورك، فسيكون ذلك إحدى الطرق لإيصال الكيوبت إليك. لكن ليس لدينا أي اتصال يمكنني استخدامه لإرسال الذرات.

لكنك لا تريد الذرة، بل تريد المعلومات الموجودة في الذرة. حسنًا، لقد تصادف أن لدينا أنا وأنت البصيرة الذكية لإنشاء زوج من الكيوبتات المتشابكة بالأمس، متوقعين أننا قد نتمكن من الاستفادة منها في مرحلة ما.

وهذا ما يمكنني فعله. يمكنني أخذ هذا الكيوبت الذي تلقيته اليوم. ولا أعرف ما هي المعلومات الموجودة فيه. إنها بعض الكيوبتات التي تم تسليمها لي. ويمكنني مراقبته مع نصف زوج الكيوبتات المتشابك الذي نتشاركه أنا وأنت.

والآن، أنا أرصد اثنين من الكيوبتات، وأقوم بذلك في - دعنا نسميها قياسًا متشابكًا. ننظر إلى الاثنين معًا، ويمكنني الحصول على معلومتين من خلال مراقبتهما. وبعد ذلك - الآن، عبر رابط اتصال عادي، مثل ما نستخدمه الآن - يمكنني إرسال هاتين القطعتين من المعلومات إليك. وبعد ذلك، يمكنك استخدام هاتين المعلومتين لإجراء عملية على الكيوبت الخاص بك في نيويورك.

والآن، يحتوي هذا الكيوبت الموجود في نيويورك على نفس المعلومات الكمومية التي يحتوي عليها الكيوبت الغامض، الذي تلقيته اليوم. لا أعرف ما هي حالة ذلك الكيوبت، وفي الواقع، قمت بتدميره في مختبري عندما ألاحظه. ولكننا قادرون على "تجسيدها من جديد"، إذا جاز التعبير، في نيويورك. وتحتاج فقط إلى هاتين المعلومتين من أجل إعادة بناء هذا الكيوبت بشكل مثالي. هذا هو النقل الآني الكمي.

ليفين: إذن، إلى حد ما، كانت لديك حالة كمية في كاليفورنيا وأردت مني أن أكون قادرًا على إعادة إنتاجها في نيويورك دون إرسالها عبر FedEx، والقيادة عبر البلاد. أردت مني أن أكون قادرًا على القيام بذلك دون تحريك أي شيء جسديًا بينهما. لذا فقد اكتشفت هذه الطريقة الذكية بالنسبة لي لإعادة بناء الحالة في مختبري الخاص بهذه التعليمات البسيطة فقط.

وبهذا المعنى، فقد تم نقله عن بعد. لقد اختفت من جانبك لأنك دمرت الدولة، وعملية محاولة العثور على المعلومات التي تحتاجها لتوصيلها إليّ. لكنها عادت للظهور في مختبري بمجرد قيامك بنقل المعلومات. هل فاتني شيء مهم في إعادة الصياغة هذه؟

المهارة المسبقة: حسنًا، أعتقد أن هناك بعض الأشياء التي يجب تضخيمها في ما قلته. بادئ ذي بدء، أنا لا أتفق تمامًا مع تصريحك بأنني لم أرسل لك أي شيء مادي. فى الواقع. انا فعلت. لقد أرسلت لك قطعتين من المعلومات.

ليفين: أوه، لقد أرسلت لي معلومات عبر الإنترنت.

المهارة المسبقة: لا أستطيع أن أفعل ذلك دون إرسال شيء مادي.

ليفين: متفق عليه.

المهارة المسبقة: ربما كانت الفوتونات هي التي مرت عبر الألياف الضوئية من كاليفورنيا إلى نيويورك. وكان هذا التواصل بيننا ضروريًا بالفعل حتى ينجح هذا الأمر.

ولكن هذا لا يكفي. إنه أمر مضحك بشأن الكيوبتات. إذا كنت أرغب في إعداد حالة الكيوبت، فأنا بحاجة إلى الكثير من المعلومات. يمكنك نوعًا من التصور الهندسي للكيوبت مثل سهم صغير يشير إلى مساحة ثلاثية الأبعاد. كما تعلمون، مثل سطح الأرض. وإذا أردت أن أخبركم كيف قمت بتحضير الكيوبت، فأنا أختار نقطة على تلك الكرة الأرضية، لذا يجب أن أعطيكم خط الطول والعرض بدقة عالية جدًا لأخبركم بدقة كيف تم تحضير هذا الكيوبت.

لذا، بمعنى ما، هناك الكثير من المعلومات التي يتم إدخالها، لكن القليل جدًا منها يخرج، لأنه عندما تراقبها، تحصل على جزء واحد فقط. لذا فإن هذا البت لن يخبرك بكيفية وضع الكيوبت، إذا جاز التعبير، على الكرة الأرضية عند خط عرض وخط طول محددين. ولهذا السبب يعتبر النقل الآني رائعًا، لأنني أرسلت إليك هاتين القطعتين فقط، وكان ذلك كافيًا لإعادة بنائه بشكل مثالي.

إنها القطعتان مع التشابك الذي شاركناه، والذي كان لدينا البصيرة للتحضير له بالأمس.

ليفين: صحيح، لذلك هذا فرق كبير. هذا مذهل، الآن. أنت ترسل لي المعلومات فعليًا، إما عبر الإنترنت أو الإشارات الضوئية أو كيفما ترسلها إليّ. لكن بطريقة ما، أحصل على المزيد من المعلومات بسبب الترتيب المتشابك الذي اتفقنا عليه.

لذلك ليس الأمر كما لو كان لديك مكتب ايكيا الخاص بك، وكنت بحاجة إلى بعض المعلومات حول كيفية بناء مكتبي، فحطمت مكتبك إلى أجزاء لتعرف كيفية تجميعه. لا يزال عليك أن تخبرني بكل القليل من المعلومات. لذا، هناك شيء مختلف جذريًا في العملية الكمومية عن العملية الكلاسيكية. ما هي ميزة ذلك؟ لماذا هو مثير جدا؟ ما هي الصفقة الكبيرة؟

المهارة المسبقة: حسنًا، أولاً يا جانا، أنت وأنا فيزيائيان نظريان، لذا، كما تعلم، لا يتطلب الأمر الكثير لإثارة حماستنا.

ليفين: [يضحك] قطعاً.

المهارة المسبقة: ولكن ما هو مفيد ل؟ هذا سؤال جيد. لذا، لنفترض أننا نريد توزيع التشابك حول العالم. يبدو الأمر رائعًا، أليس كذلك؟ لقد اعتبرنا أنه من المسلم به أنه يمكننا أنا وأنت مشاركة التشابك بين كاليفورنيا ونيويورك، ولم نتحدث عن كيفية تمكننا من القيام بذلك.

في الواقع، نحن لا نعرف كيفية القيام بذلك الآن باستخدام التكنولوجيا الموجودة حاليًا. لا يوجد سبب يمنعنا من حيث المبدأ، ولكن لأسباب عملية، ومع التكنولوجيا المتوفرة لدينا حاليًا، لا يمكننا إرسال كيوبت من كاليفورنيا إلى نيويورك ونصله دون أي ضرر.

أفضل طريقة لإرسال الكيوبتات هي إرسال الفوتونات عبر الألياف الضوئية، والألياف الضوئية لها خسائر. لذا، إذا حاولت إرسال كيوبت مسافة مائة كيلومتر، فلديك فرصة واحدة فقط من بين 50 للوصول إلى الهدف دون أن يختفي. وإذا حاولت إرسالها لمسافة ألف كيلومتر، وهو ما لا يكفي للوصول إلى نيويورك، فاحتمال وصولها إلى هناك صفر تقريبًا.

إذًا، كيف يمكننا مشاركة التشابك؟ حسنًا، نعتقد أننا سنفعل ذلك باستخدام النقل الآني. يبدو الأمر دائريًا بعض الشيء، أليس كذلك؟ لأننا نحتاج إلى التشابك للقيام بالنقل الآني. لكن هذه هي الفكرة: يمكنني إرسال كيوبت، على سبيل المثال، 10 كيلومترات، كما تعلمون، أو 50 كيلومترًا، مع احتمالية نجاح عالية جدًا.

ليفين: هذا لا يزال جيدًا جدًا.

المهارة المسبقة: نعم، هذا ليس سيئا للغاية. لكن لنفترض الآن أنني أريد أن أقطع كل الطريق من كاليفورنيا إلى نيويورك، لذا ما أفعله هو، أقوم بإدخال الكثير من العقد الصغيرة على طول الطريق، حيث سنقوم بربط الاتصالات الكمومية نوعًا ما. لذا دعونا نتخيل أننا نحاول الانتقال من A إلى C وما نفعله هو أننا نشارك التشابك بين A وB وبين B وC. ومن ثم لدينا طريقة لإجراء قياس عند B لنصفي هذين المتشابكين أزواج. نحن نسميها مبادلة التشابك.

تقوم بقياس الكيوبتين في النقطة B، ثم تقول لـ A وC: "أوه، هذه هي نتيجة القياس التي حصلت عليها". الآن يمكن لـ A وC مشاركة التشابك. نعم؟ في الواقع، نحن نقوم بتوسيع نطاق التشابك. إنه بديل عن النقل الآني.

ولم أخبركم بالقصة بأكملها بعد، لأنه إذا لم يكن التشابك من A إلى B جيدًا والتشابك من B إلى C ليس جيدًا جدًا، فيمكننا أخذ الكثير من أزواج التشابك التي تكون مزعجة نوعًا ما وغير كاملة، وهناك طريقة لاستخلاصها إلى عدد أقل من الأزواج المتشابكة، والتي تكون ذات جودة أعلى بكثير. ومن خلال القيام بذلك بشكل متكرر، يمكننا إنشاء اتصال بين كاليفورنيا ونيويورك، ومن ثم يمكننا استخدامه لأي شيء نريده. قد نستخدمه لتطوير هذا المفتاح المشترك الذي نعرف أنه خاص، أو قد نستخدمه لإرسال معلومات كمومية.

إليك طريقة أكثر بساطة وأقصر مسافة يمكننا من خلالها استخدام النقل الآني. إذا كان لدينا شريحتان في كمبيوتر كمي، ونريد إرسال معلومات كمومية من واحدة إلى أخرى، فإن الطريقة التي يمكننا بها القيام بذلك هي عن طريق إنشاء التشابك بين الشريحتين، ثم استخدام النقل الآني لإرسال المعلومات من واحدة إلى الأخرى . وربما سيكون هذا ضروريًا لتوسيع نطاق الحوسبة الكمومية لتشمل الأنظمة الكبيرة التي يمكنها حل المشكلات الصعبة حقًا.

ليفين: سنكون الظهر.

[فاصل لإدراج الإعلان]

ليفين: مرحبًا بكم مرة أخرى في "فرحة السبب".

إذن أنت تتحدث حقًا عن التقنيات. أعلم أنك قمت مؤخرًا ببعض الأعمال الرائدة لمركز جديد في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. مركز قياس الدقة الكمية، أعتقد أنه سيتم تسميته.

المهارة المسبقة: هذا صحيح، نعم. لقد تم إجراء البحوث الخاصة بك.

ليفين: نعم. وهل هذا موجه جزئيًا نحو تطوير التقنيات؟ كما قلت، أنت عالم فيزياء نظرية. وهذا ما قاله بعض الناس: "الفائدة المدهشة للأفكار عديمة الفائدة". لكن هل أنت موجه نحو تطوير التقنيات بمركز كهذا، أم أنك تتطلع إلى إحداث ثورة في فهمنا الأساسي لميكانيكا الكم، أو كليهما؟

المهارة المسبقة: لا يمكننا حقًا فصل هذه الأشياء. العلم والتكنولوجيا يتقدمان معا. ومع تطور علومنا، فإننا نطور تقنيات أفضل، وهذا يتيح اكتشافات جديدة. عندما يتقدم العلم، يتم ذلك من خلال مزيج من الأفكار الجديدة والتقنيات الجديدة.

لذا، أنا مهتم بالحواسيب الكمومية، على سبيل المثال، وهناك أسباب تجعلني أتوقع أنه في النهاية سيكون لذلك تأثير عملي كبير على المجتمع. ولكنها أيضًا أداة رائعة للاكتشاف العلمي. لذا، في مركز القياس الدقيق الكمي، نعم، سنقوم بتطوير التكنولوجيا، ولكن مع التركيز على استراتيجيات قياس أفضل تستغل خصائص مثل التشابك الكمي، والذي سيسمح لنا بقياس الأشياء بدقة أكبر وبتدخل أقل.

الجميع يريد قياس الأشياء بشكل أفضل، ويمكن أن تساعدنا استراتيجيات الكم في إجراء قياسات لم تكن ممكنة لولا ذلك. هذا هو حقا الموضوع الفكري لهذا المركز.

ليفين: نعم، والجميع يريد التحكم في المعلومات بشكل أفضل وأسرع.

المهارة المسبقة: حسنًا، الجميع يدرك أهمية المعلومات، وما هي المعلومات الكمية التي سيتم استخدامها وأين سيكون التأثير العملي الكبير - لا يزال هناك الكثير من الأسئلة المفتوحة حول ذلك.

لكن يمكننا أن نتوقع أنه مع المعلومات الكمومية، مع الحوسبة الكمومية، باستخدام التشابك الكمي للقياس، سنكون قادرين على القيام بأشياء لم نتمكن من القيام بها من قبل. وسيكون لذلك تأثير عملي في نهاية المطاف.

ليفين: هل تتوقع أن يمتد هذا التأثير العملي إلى حياتنا اليومية؟

المهارة المسبقة: في النهاية، أتوقع ذلك. لا نعرف على وجه اليقين كيف سيكون هذا التأثير. في حالة الحوسبة الكمومية، أفضل فكرة لدينا حاليًا - وهي فكرة قديمة، يعود تاريخها إلى أكثر من 40 عامًا ريتشارد فاينمان - هو أنه يمكننا استخدام أجهزة الكمبيوتر الكمومية لفهم كيفية تصرف الأنظمة الكمومية بشكل أعمق.

يفهم الفيزيائيون مثلنا أن هذا مثير للاهتمام، ولكنه مهم أيضًا لأنه يمكن أن يتيح اكتشاف أنواع جديدة من المواد ذات خصائص مفيدة، وأنواع جديدة من المركبات الكيميائية، ربما بما في ذلك الأدوية وما إلى ذلك. وكل هذا يؤثر في نهاية المطاف على حياة الناس اليومية. ومع القياس الكمي أيضًا، أعتقد أن تكنولوجيا الكم سوف تمس كل شيء في العلوم في النهاية.

لنفترض أنه في علم الأحياء والطب، نود أن نكون قادرين على مراقبة ما يحدث داخل الخلايا، بطريقة غير جراحية وبحساسية أعلى. وهذا سيكون مهمًا للعلاجات في نهاية المطاف، وسيكون مهمًا أيضًا لفهم العلوم البيولوجية بشكل أعمق.

ليفين: هناك أيضًا مجال للتنقل الآني الكمي في فهم الطبيعة الأساسية للجاذبية، والتي أعلم أنها كانت مجالًا مركزيًا في بحثك. كيف يمكن أن يلعب التشابك دورًا في أشياء كبيرة ومتثاقلة مثل الثقوب السوداء؟

المهارة المسبقة: بالنسبة لي، هذا أحد أكثر الأشياء إثارة حول المعلومات الكمومية، فهو يمنحنا طرقًا جديدة للتفكير في أسئلة أساسية أخرى، بما في ذلك فيزياء المادة المكثفة، حيث نحاول فهم الحالات شديدة التشابك للمادة الكمومية، وفي فيزياء الجاذبية.

تعود هذه القصة إلى عام 1935 عندما ظهرت صحيفتان مشهورتان في مجلة مراجعة البدنية. واحد منهم، من قبل أينشتاين و [ناثان] روزين، كان حول ملاحظة أنه يمكننا إيجاد حلول في النسبية العامة لمعادلات أينشتاين، التي تصف الزمكان، والتي يوجد فيها ثقب دودي في الفضاء. لم يكن هذا مفهومًا جيدًا في ذلك الوقت، ولكن في الحقيقة، الحل يصف ثقبين أسودين، لهما تصميم داخلي مشترك، وهو نوع من الثقب الدودي الذي يربط الجزء الداخلي من هذين الثقبين الأسودين.

والورقة التي كتبها أينشتاين، [بوريس] بودولسكي وكان روزين حول التشابك الكمي والطريقة الغريبة التي تسمح للأنظمة بالارتباط مع بعضها البعض بطريقة لا يمكننا وصفها من حيث المعلومات الكلاسيكية.

وما وصلنا إلى تقديره في السنوات العشر الماضية: هاتان الظاهرتان، التشابك الكمي والثقوب الدودية في الفضاء، ترتبطان ارتباطًا وثيقًا ببعضهما البعض. في الواقع، يمكن النظر إليهما على أنهما طريقتان لوصف الشيء نفسه. هذا شيء شائع في الفيزياء وممكِّن للغاية. إذا كانت لدينا طريقتان مختلفتان لوصف نفس الظاهرة، والتي تبدو مختلفة تمامًا عن بعضها البعض، ولكنهما تصفان نفس الفيزياء تمامًا، فإن ذلك يمكن أن يمكّننا من الحصول على فهم أعمق.

وهكذا، ما نقدره الآن، والذي يمكننا أن نقوله بوضوح تام في نسخة الجاذبية الكمومية التي نفهمها بشكل أفضل، هو أنه إذا أصبح ثقبان أسودان متشابكين للغاية مع بعضهما البعض، فسوف يكونان متصلين بواسطة ثقب دودي في الفضاء.

يمكن أن يكون لدى أليس ثقبها الأسود، ويمكن أن يكون لدى بوب ثقبه الأسود، وإذا كانا متشابكين مع بعضهما البعض، فهذا يعني أن أليس وبوب يمكن أن يقفزا إلى ثقبيهما الأسودين. ومن ثم يمكن أن يلتقيا، وربما تقيما علاقة لفترة من الوقت، على الرغم من أنه سيكون محكوم عليهما، مثل روميو وجولييت، بضرب التفرد والتدمير. ولكن يمكننا أن نجعل الأمر أكثر متعة، وهنا يأتي دور النقل الآني.

يمكننا أن نصنع ثقبًا دوديًا في الفضاء، في ظل الظروف المناسبة، ويمكن عبوره. الثقب الدودي الأصلي الذي وصفه أينشتاين وروزن في الأصل هو مثال على الثقب الدودي غير القابل للعبور. هذا يعني أنه لا يمكنك القفز من أحد الطرفين والخروج من الطرف الآخر. لكن ما توصلنا إلى تقديره هو أنه من الممكن في نظرية الكم إرسال نبضة طاقة سلبية إلى ثقب أسود. عندما ترسل عادة مادة إلى ثقب أسود، فإنها تجعل أفق الحدث الخاص به يتحرك إلى الخارج قليلاً، ويمكن لنبض الطاقة السلبية أن يجعله يتحرك إلى الداخل قليلاً. وهذا بالضبط ما نحتاجه حتى تتمكن أليس من رمي جزء صغير أو كيوبت في ثقبها الأسود، ولكي تخرج عند نهاية بوب.

هناك طريقة بديلة لوصف هذا، وهي في الواقع شكل من أشكال النقل الآني الكمي.

لذا أعتقد أن هذا ممتع حقًا، لأنه يشير إلى أن حدس الجاذبية يمكن أن يساعدنا على فهم سلوك الأنظمة الكمومية المعقدة للغاية والتي لولا ذلك قد تبدو غير بديهية للغاية.

ليفين: إنه تحول رائع ورائع للغاية للتعمق في هذا الأمر في الكم، لمحاولة فهم الظواهر واسعة النطاق، مثل وجود الثقوب السوداء أو بقائها.

وسوف أتسلل إلى سؤال واحد حول تبخر الثقوب السوداء، وكيف يمكن أن يكون النقل الآني الكمي ذا صلة بفهم كيف أنه إذا قفزت أليس إلى ثقبها الأسود، فقد لا تضيع معلوماتها في النهاية، وقد يكون هذا النقل الكمي الآني طريقة لنا لاستعادة ما حدث لأليس بعد أن قفزت في الثقب الأسود.

المهارة المسبقة: حسنًا، كنت أعلم عندما اجتمعت مع جانا ليفين أننا سنتحدث في النهاية عن الثقوب السوداء.

ليفين: [يضحك] أستطيع تحويل أي محادثة إلى محادثة حول الثقوب السوداء.

المهارة المسبقة: لا مفاجأة هناك.

في الواقع، أعتقد أن ما وصفته للتو يمنحنا فكرة عن العملية التي تهرب بها المعلومات من الثقوب السوداء، وهو ما نعتقد أنه يحدث بالفعل. قوانين الفيزياء لا تسمح بتدمير المعلومات، حتى عندما تسقط في الثقوب السوداء وتتبخر الثقوب السوداء. فقط يحصل على تدافع في شكل ما يصعب قراءته للغاية. هناك نوع من انتهاك المنطقة. هذا هو أحد أهم المبادئ الأساسية في الفيزياء. لقد أشرنا إليها سابقًا - أن المعلومات لا يمكن أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

ولكن، بمعنى ما، للخروج من الثقب الأسود، فإن المعلومات، بحكم تعريفها، تنتقل بسرعة أكبر من الضوء. الضوء محصور بالداخل، والمعلومات تخرج. وما يشير إليه ذلك هو أن فكرة السببية - الطريقة التي نفكر بها عادةً، وهي أن هناك حدًا للسرعة التي يمكن أن تنتقل بها المعلومات - ليست صحيحة تمامًا في جميع الظروف. وهذا المبدأ يمكن انتهاكه.

والزمكان نفسه قد لا يكون في الحقيقة فكرة أساسية. بل هو الخاصية الناشئة لبعض الأنظمة الكمومية المعقدة حيث تكون الأشياء متشابكة للغاية.

فكيف نعتقد، في ظل الظروف العادية، أن فكرة السببية هذه تبدو راضية تمامًا؟ حسنًا، أعتقد أن لدينا إجابة لذلك، ومن المثير للاهتمام أنها مرتبطة بالحوسبة الكمومية.

نعتقد أنه كذلك ممكن انتهاك السببية، لإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء. لكن للقيام بذلك يتطلب حسابًا كميًا من النوع الذي قد تقوم به على كمبيوتر كمي، وهو أمر معقد جدًا وقوي جدًا لدرجة أننا لن نتمكن أبدًا من القيام بذلك عمليًا.

لذلك، ينبغي أن نكون قادرين على تمزيق المسافة بيني في كاليفورنيا وبينك، جانا، في نيويورك. من حيث المبدأ، يمكننا ذلك. من الناحية العملية، من الصعب للغاية القيام بذلك، وسيتطلب مثل هذه الحسابات القوية، بحيث لن ينجح أحد على الإطلاق.

ليفين: مميز. الآن يا جون، لقد أمضيت الكثير من حياتك محاولًا فهم بعض المفاهيم الأكثر مراوغة وصعوبة في نظرية الكم. ما الذي يجلب لك السعادة في دراسة الفيزياء النظرية والانتقال الآني الكمي؟

المهارة المسبقة: حسنًا، من السهل جدًا الترفيه عني، لذا فإن الكثير من الأشياء تجلب لي السعادة. ولكن كل من الأسئلة والأجوبة يمكن أن تجلب الفرح. الأفكار التي لم تسمع بها من قبل وتدرك أنها عميقة ورائعة يمكن أن تجلب السعادة. لذلك عندما أدركت لأول مرة أننا نستطيع نظريًا - وأعتقد في نهاية المطاف عمليًا - بناء أجهزة كمبيوتر كمومية قوية جدًا لدرجة أنها ستكون قادرة على حل المشكلات التي لن نكون قادرين على حلها أبدًا لو كان هذا عالمًا كلاسيكيًا، لقد كانت إحدى أسعد اللحظات، أن أواجه مثل هذه الفكرة العميقة والمثيرة للاهتمام. والتفكير في ذلك قادني في النهاية إلى تغيير اتجاه بحثي.

ليفين: إنها أشياء جميلة. لقد تحدثنا مع عالم الفيزياء النظرية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا جون بريسكيل حول الطبيعة المذهلة والتطبيقات المحتملة للانتقال الآني الكمي. جون، شكرًا جزيلاً لك على وجودك معنا اليوم.

المهارة المسبقة: لقد قضيت وقتًا رائعًا يا جانا. شكرًا لك.

ليفين: أنا أيضاً. من الممتع دائمًا التحدث. 'حتى قريبا.

[مسرحيات الموضوع]

ليفين: "فرحة لماذا" هو بودكاست من مجلة كوانتا، وهي مطبوعة مستقلة تحريريا بدعم من مؤسسة سايمونز. ليس لقرارات التمويل التي تتخذها مؤسسة سيمونز أي تأثير على اختيار المواضيع أو الضيوف أو القرارات التحريرية الأخرى في هذا البودكاست أو في مجلة كوانتا.

"فرحة لماذا" من إنتاج إنتاج بي آر إكس. فريق الإنتاج هو كيتلين فولدز، وليفيا بروك، وجنيفيف سبونسلر، وميريت جاكوب. المنتج التنفيذي لشركة PRX Productions هو جوسلين غونزاليس. قدم مورغان تشيرش وإدوين أوتشوا مساعدة إضافية. من مجلة كوانتاوقدم جون ريني وتوماس لين التوجيه التحريري، بدعم من مات كارلستروم، وصامويل فيلاسكو، ونونا غريفين، وأرلين سانتانا، وماديسون غولدبرغ.

الموسيقى المميزة لدينا هي من APM Music. جاء جوليان لين باسم البودكاست. الحلقة من تصميم بيتر غرينوود وشعارنا من تصميم جاكي كينج وكريستينا أرميتاج. شكر خاص لمدرسة كولومبيا للصحافة وبيرت أودوم ريد في استوديوهات كورنيل للبث.

أنا مضيفتك، جانا ليفين. إذا كان لديك أي أسئلة أو تعليقات بالنسبة لنا، يرجى مراسلتنا عبر البريد الإلكتروني على [البريد الإلكتروني محمي]. شكرا على الإنصات.