Network Nonlocality Without Entanglement Of All Sources

في عالم الكم، يمكن للجسيمات أن تتشارك اتصالاً عميقاً لدرجة أن قياس أحدهما يكشف فوراً شيئاً عن الآخر، بغض النظر عن المسافة الفاصلة بينهما. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التشابك، هي واحدة من أغرب سمات الطبيعة وأكثرها فائدة. لعقود من الزمن، درس العلماء كيف يخلق هذا الاتصال "اللا-محلية" (nonlocality)، وهو مصطلح يصف ارتباطات لا يمكن تفسيرها بأي منطق محلي معتاد. تقليدياً، تضمنت هذه التجارب طرفين فقط يتشاركان مصدراً واحداً للجسيمات. ومع ذلك، ومع تقدم التكنولوجيا نحو بناء شبكات كمومية واسعة النطاق، يتطلع الباحثون الآن إلى نماذج أكثر تعقيداً؛ حيث تتضمن هذه الشبكات مصادر متعددة ومستقلة توزع الجسيمات على عقد مختلفة عديدة. لم يعد السؤال يدور حول شخصين يتشاركان سراً فحسب، بل حول كيفية عمل شبكة كاملة من المصادر المستقلة معاً لخلق اتصالات تتحدى التفسير الكلاسيكي.

لقد استكشف فريق من الباحثين مؤخراً كيف تعتمد قوة هذه الاتصالات الكمومية على التشابك الذي توفره المصادر في شكلين محددين من الشبكات: الخط المستقيم والنجمة. في الشبكة الخطية، تترتب المصادر في سلسلة، تمرر الجسيمات من طرف إلى آخر. أما في شبكة النجمة، فيستقبل مركز محوري جسيمات من عدة مصادر مستقلة تشع نحو الخارج. أراد العلماء معرفة ما إذا كان كل مصدر في هذه الشبكات يحتاج إلى أن يكون متشابكاً لإيجادة هذه الارتباطات الغريبة غير الكلاسيكية. كما سعوا لفهم مدى مقدار التشابك المطلوب لكسر حدود الفيزياء الكلاسيكية في كل إعداد.

وجد الباحثون فرقاً مفاجئاً بين الشكلين. ففي السلسلة الخطية، يجب أن يكون كل مصدر في السلسلة متشابكاً لتوليد السلوك غير الكلاسيكي المنشود؛ فإذا كان هناك مصدر واحد فقط في الخط غير متشابك، تفشل الشبكة بأكملها في إنتاج التأثير. وهذا يعني أنه في الخط المستقيم، تحدد الحلقة الأضعف قوة النظام بأكمله. ومع ذلك، تتصرف شبكة النجمة بشكل مختلف تماماً؛ فمن الممكن هنا توليد نفس الارتباطات غير الكلاسيكية حتى لو لم تكن بعض المصادر متشابكة على الإطلاق. إذ يمكن للمركز المحوري تعويض نقص التشابك في الأذرع الخارجية، بشرط أن تكون المصادر المتبقية متصلة بشكل كافٍ. ويكشف هذا الاكتشاف أن هندسة الشبكة نفسها تلعب دوراً حاسماً في كيفية استخدام الموارد الكمومية.

وللوصول إلى هذه الاستنتاجات، حلل الفريق الحدود الرياضية لهذه الشبكات باستخدام مقياس محدد للتشابك يسمى "التوافق" (concurrence)، والذي يتراوح من صفر عند انعدام التشابك إلى واحد عند أقصى درجات التشابك. وقد حسبوا أقصى انتهاك ممكن لمتراجحة كلاسيكية لكلا نوعي الشبكات. وأظهر تحليلهم أنه بالنسبة للشبكة الخطية، يجب أن يتجاوز حاصل ضرب تشابك جميع المصادر عتبة معينة، ومن الأهمية بمكان ألا يكون أي مصدر صفراً. وفي المقابل، بالنسبة لشبكة النجمة، يحتاج حاصل ضرب تشابك جميع المصادر فقط إلى تجاوز القيمة 1 مقسوماً على 2 مرفوعة للقوة n/2 (حيث n هو عدد المصادر) لرصد التأثير غير الكلاسيكي. وهذا يعني أنه في تكوين النجمة، يمكنك امتلاك مصدر واحد أو أكثر غير متشابك تماماً، طالما أن المصادر الأخرى قوية بما يكفي لدفع الناتج الإجمالي فوق تلك العتبة المحددة.

كما بحثت الدراسة في كيفية تعامل هذه الشبكات مع الضجيج، وهو مصدر قلق عملي رئيسي لتقنيات الكم في العالم الحقيقي. ولأن شبكة النجمة يمكنها تحمل وجود بعض المصادر غير المتشابكة، فهي أكثر متانة بطبيعتها ضد الأخطاء والعيوب مقارنة بالسلسلة الخطية. وقد أثبت الباحثون أنه بالنسبة لكمية معينة من إجمالي التشابك المتاح في النظام، تولد طوبولوجيا النجمة إشارة غير كلاسيكية أقوى من الخطية. وعلى العكس من ذلك، إذا كان مطلوباً مستوى معيناً من السلوك غير الكلاسيكي، فإن شبكة النجمة تحتاج إلى تشابك إجمالي أقل من مصادرها لتحقيق ذلك. ويشير هذا إلى أنه بالنسبة لأنظمة الاتصالات الكمومية المستقبلية، فإن ترتيب المصادر في نمط النجمة قد يكون استراتيجية أكثر كفاءة وموثوقية من ترتيبها في خط.

يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة لتصميم الشبكات الكمومية. فهو يثبت أنه بينما يعد التشابك ضرورياً، إلا أنه ليس بالضرورة أن يكون حاضراً في كل مكون من مكونات الشبكة ذات شكل النجمة لتحقيق أكثر التأثيرات الكمومية تقدماً. وقد حدد الباحثون فئات محددة من الحالات الكمومية التي تعظم هذه التأثيرات، وأظهروا أن العلاقة بين مقدار التشابك والارتباط غير الكلاسيكي الناتج يمكن قياسها بدقة. وبينما يركز التحليل الحالي على أنظمة بسيطة مكونة من جسيمين، فإن النتائج تقدم فهماً تأسيسياً لكيفية بناء شبكات أكبر وأكثر تعقيداً. وتشير النتائج إلى أنه من خلال اختيار شكل الشبكة المناسب، يمكن للمهندسين بناء أنظمة أكثر تسامحاً مع المكونات غير المثالية، مما يقرب حلم الإنترنت الكمومي القابل للتوسع من الواقع.