Indefinite causal order in cavity quantum electrodynamics

في عالم الكم، يمكن أن تصبح قواعد السبب والنتيجة مرنة بشكل مفاجئ. عادةً، نفكر في الأحداث وهي تقع في تسلسل صارم: أولاً يحدث شيء ما، ثم يليه شيء آخر. إذا ضغطت على مفتاح، يضيء المصباح؛ وإذا دفعت كرة، فإنها تتدحرج. هذا التدفق الخطي هو الطريقة التي تسير بها حياتنا اليومية، وهي الطريقة التي تُصمم بها معظم التجارب الكمومية تقليديًا. ومع ذلك، فإن مفهومًا يُعرف باسم "الترتيب السببي غير المحدد" يتحدى هذا الحدس؛ فهو يسمح بحالة يقع فيها حدثان، ولكن السؤال حول أيهما حدث أولاً ليس له إجابة محددة. بدلاً من خط زمني واحد، يوجد النظام في حالة تراكب لكلا الترتيبين الممكنين في آن واحد. وبينما يبدو هذا كأنه فضول نظري، فقد وجد الباحثون أن تسخير هذا الغموض يمكن أن يوفر أدوات قوية جديدة لمعالجة المعلومات، مما قد يحل مشكلات مستحيلة بالنسبة للأنظمة ذات الترتيب الثابت والمعياري.

لقد نقل فريق من الفيزيائيين هذا المفهوم الآن من مجال حزم الضوء إلى مجال الذرات والمرايا. في دراسة جديدة، استكشفوا كيفية سلوك الترتيب السببي غير المحدد داخل نظام "الكهروديناميكا الكمومية للفجوات" (cavity quantum electrodynamics). وهذا الإعداد عبارة عن نظام يتفاعل فيه ذرة واحدة مع الضوء المحبوس داخل غرفتين منفصلتين ومتطابلتين. أراد الباحثون معرفة ما سيحدث إذا تمكنوا من جعل الذرة تمر عبر هاتين الغرفتين في حالة تراكب لكلا الترتيبين الممكنين: المرور عبر الغرفة (أ) ثم (ب)، والمرور عبر الغرفة (ب) ثم (أ)، في الوقت نفسه. ومن خلال القيام بذلك، اكتشفوا أن هذا الترتيب الغريب يمكن أن يخلق اتصالًا قويًا بين الضوء في الغرفتين، على الرغم من أن الموجات الضوئية لم تتلامس مباشرة أبدًا.

تتضمن التجربة ذرة واحدة تعمل كرسول، وغرفتين فارغتين مليئتين بالضوء. ولخلق الترتيب غير المحدد، استخدم الباحثون آلية تحكم، وهي في الأساس "مفتاح كمومي"، لتحديد مسار الذرة. إذا تم ضبط المفتاح على حالة واحدة، تمر الذرة عبر الغرفة الأولى ثم الثانية. وإذا تم ضبطه على الحالة الأخرى، يتم عكس الترتيب. وتأتي الطفرة عندما يوضع المفتاح في حالة تراكب لكلتا الحالتين؛ ففي هذه الحالة، لا تختار الذرة مسارًا واحدًا، بل تسافر عبر كلا التسلسلين في وقت واحد. ووجد الباحثون أنه عندما تخرج الذرة من هذه الرحلة مزدوجة المسار، يصبح المجال الضوئي داخل الغرفتين المنفصلتين مرتبطًا بعمق؛ حيث يتشاركان اتصالًا كموميًا يُعرف باسم "التشابك"، مما يعني أن حالة الضوء في إحدى الغرفتين ترتبط فورًا بحالة الضوء في الغرفة الأخرى، رغم أن الموجات الضوئية في الغرفتين لم تتفاعل مع بعضها البعض قط.

هذا التأثير لافت للنظر بشكل خاص لأن القدرة على خلق هذا التشابك مستقلة عما إذا كانت الذرة قد بدأت في حالة مثارة أو حالة أرضية، وكذلك عن الوقت الذي تستغرقه الذرة للعبور عبر كل فجوة. ومع ذلك، فإن الحالة الناتجة المحددة واحتمالية الحصول عليها تعتمد على الظروف الأولية للذرة ونتائج القياس. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون أن هذه العملية يمكن أن تولد أنماطًا ضوئية محددة وعالية التعقيد. فعلى سبيل المثال، إذا بدأت الغرف بدون أي ضوء على الإطلاق، يمكن للعملية أن تخلق حالة يوجد فيها فوتون واحد في حالة تراكب بين كونه في الغرفة الأولى أو الثانية، ولكنه لا يكون في كليهما ولا في أي منهما. هذا النوع من الحالات يُعرف باسم "حالة نون" (NOON state)، وهي قيمة بالغة للأجهزة فائقة الدقة. والأكثر إثارة للدهشة، هو أن الفريق أثبت أن النظام يمكنه تبديل الفوتون بين الغرفتين دون تغيير حالة الذرة نفسها. في إعداد قياسي حيث تسافر الذرة بترتيب ثابت، يكون مثل هذا التبديل دون تغيير "الرسول" أمرًا مستحيلاً. فالترتيب غير المحدد يسمد للذرة أن تعمل كجسر يعيد ترتيب الضوء دون ترك أي أثر لرحلتها.

كما كشét الدراسة كيف يعطل هذا الترتيب غير المحدد الإيقاع الطبيعي للنظام. في الفيزياء الكمومية القياسية، عندما تتفاعل الذرة مع الضوء، فإنها غالبًا ما تظهر تذبذبًا موجيًا متوقعًا في مستويات طاقتها، يُعرف باسم "تذبذبات رابي" (Rabi oscillations). ووجد الباحثون أنه عند إدخال الترتيب السببي غير المحدد، فإن هذا الإيقاع الجيبي السلس إما يتلاشى تمامًا أو يفقد شكله المنتظم تمامًا. لم يعد النظام يسلك سلوك النبض المنتظم المشاهد في السيناريوهات ذات الترتيب الثابت، بل يعتمد المخرج على القياس المحدد لمفتاح التحكم، مما يؤدي إلى مجموعة متنوعة من الحالات النهائية الممكنة للضوء.

تشير تداعيات هذه النتائج إلى طريقة جديدة للتحكم في التفاعل بين المادة والضوء. فمن خلال التلاعب بترتيب الأحداث، يمكن للعلماء إنشاء حالات متشابكة بين أنظمة متباعدة كانت لتبقى منفصلة لولا ذلك. ويقترح الباحثون أنه يمكن تحقيق ذلك فيزيائيًا باستخدام ذرة محتجزة تتحرك على مسار دائري، حيث يتم تقسيم الحزمة الموجية للذرة وإعادة دمجها، مما يسمح لها فعليًا بزيارة فجوتين في حالة تراكب من الترتيبات. ورغم أن هذا العمل الحالي هو استقصاء نظري قائم على نماذج راسخة للتفاعل بين الضوء والمادة، إلا أنه يفتح الباب أمام إمكانيات جديدة. إنه يشير إلى أنه من خلال احتضان الغموض حول سؤال "أيهما حدث أولاً"، يمكننا فتح قدرات جديدة للتحكم في الأنظمة الكمومية، وخلق التشابك، وأداء مهام محظورة تمامًا في عالم ذي سبب ونتيجة ثابتين.