Can a Measurement Be Undone? Recovering the State of a Measured Microscopic System with a Reversible Measuring Apparatus

في العالم الكمومي، غالباً ما يُوصف فعل قياس شيء ما بأنه مقاطعة عنيفة. فقبل عملية القياس، يمكن لجسيم متناهي الصغر أن يوجد في حالة من التراكب، أي أنه يكون موجوداً في مكانين أو حالتين في آن واحد بشكل فعال. هذا التناغم الدقيق وغير المرئي يُعرف بالتماسك (coherence). ومع ذلك، في اللحظة التي نحاول فيها معرفة الحالة التي يتواجد فيها الجسيم، يبدو أن هذا التناغم يتحطم. "ينهار" الجسيم إلى حالة واحدة محددة، وتتلاشى القدرة على التواجد في مكانين في آن واحد. لعقود من الزمن، ناقش الفيزيائيون ما إذا كان هذا الانهيار قانوناً أساسياً للطبيعة — توقفاً حاداً حيث تفرض الواقع خياراً — أم أنه مجرد وهم ناتج عن تشابك جهاز القياس مع الجسيم. وإذا كان الاحتمال الأخير صحيحاً، وإذا كانت قوانين الفيزياء قابلة للعكس تماماً، فإن التناغم المفقود يجب أن يكون قابلاً للاستعادة إذا استطعنا بطريقة ما إلغاء عملية القياس وإعادة جهاز القياس إلى حالته الأصلية قبل بدء العملية.

يقترح مقترح جديد من بيتر رينكل من شركة "ماث ووركس" (The MathWorks) طريقة لاختبار ذلك بشكل مباشر. الفكرة هي بناء جهاز قياس قابل للعكس، جهاز يمكنه تخزين معلومات حول جسيم مجهري ثم يتم مسحه نظيفاً، ليعود تماماً إلى ما كان عليه قبل بدء القياس. إذا كانت ميكانيكا الكم القياسية هي القصة الكاملة، فيجب أن يستعيد الجسيم المجهري تناغمه المفقود بمجرد إعادة ضبط الجهاز. ولكن إذا كان هناك عملية فيزيائية غامضة تسبب الانهيار ليحدث بشكل دائم، حتى بعد إعادة ضبط الجهاز، فإن التناغم سيظل مكسوراً. يهدف هذا التجربة إلى رصد هذا الكسر الدائم، والتمييز بين التشابك القابل للعكس والانهيار غير القابل للعكس للواقع.

تستخدم التجربة المقترحة إعداداً محدداً يتضمن جسمين مختلفين تماماً: جزيء واحد متناهي الصغر وجسيم نانوي مشحون. يعمل الجزيء كنظام مجهري، مُعد في حالة تراكب بين حالتين داخليتين. ولأن هاتين الحالتين تمتلكان خصائص كهربائية مختلفة قليلاً، فإنهما تبذلان قوى مختلفة على الجسيم النانوي القريب. وبينما يتفاعل الجزيء مع الجسيم النانوي، يتحرك الجسيم النانوي استجابةً لذلك، مما يسجل فعلياً أي حالة كان يمتلكها الجزيء. هذه الحركة هي عملية القياس؛ فالجسيم النانوي الآن يحمل معلومة "أي حالة" (which-state).

ومن الأهمية بمكان أن التجربة لا تتوقف عند هذا الحد لقراءة النتيجة. بدلاً من ذلك، يقترح الباحثون تسلسلاً دقيقاً من القوى يوجه الجسيم النانوي للعودة عبر مسار يلغي حركته. يتم إرجاع الجسيم النانوي إلى موقعه وزخمه الأصليين بالضبط، مما يؤدي إلى محو المعلومات التي خزنها للتو. بلغة الفيزياء، يتم استعادة جهاز القياس إلى حالته ما قبل القياس. إذا كان الكون يتبع قواعد الكم القياسية، فلن يهتم الجزيء بما إذا تم قياسه ثم "إلغاء قياسه"؛ إذ ينبغي أن يعود تناغمه الكمي الأصلي، ويجب أن يتصرف كما لو أن التفاعل لم يحدث قط.

ومع ذلك، إذا كانت هناك آلية انهيار فيزيائية موجودة — آلية تدمر التماسك الكمي بشكل دائم في اللحظة التي يتم فيها إنشاء المعلومة — فإن الجزيء لن يستعيد حالته بالكامل. فحتى بعد إعادة ضبط الجسيم النانوي، سيحتفظ الجزيء بـ "ندبة" من عملية القياس، مما يظهر فقداناً دائماً للتناغم. صُممت التجربة لرصد هذا الفقد الطفيف المتبقي. ومن خلال تكرار هذه الدورة مئات الآلاف من المرات، يأمل الباحثون في معرفة ما إذا كان هناك قدر ضئيل وغير مفسر من التماسك مفقود.

تحدد الورقة تصميماً ملموساً لهذا الاختبار باستخدام جزيء يشبه هيدروكسيد الكالسيوم وجسيم نانوي مشحون. يتم تثبيت الجزيء في مصيدة، ويكون الجسيم النانوي معلقاً في مكان قريب. خلال دورة واحدة تستغرق حوالي 4.19 ميلي ثانية، يتحرك الجسيم النانو بقدر كافٍ لتمييز الحالتين للجزيء بوضوح، مما يسجل المعلومة فعلياً. ثم تنعكس العملية، مما يعيد الجسيم النانوي إلى نقطة الصفر في الإزاحة. ويحسب الباحثون أنه إذا قاموا بتشغيل هذه الدورة 500,000 مرة، فيمكنهم اكتشاف معدل فقد يصل إلى 5.51 في الثانية. ستسمح هذه الحساسية بوضع حد جديد ومباشر للنظريات التي تتنبأ بالانهيار الدائم، مثل "التوطين التلقائي المستمر" (Continuous Spontaneous Localization)، وهو نموذج يشير إلى أن الجاذبية أو الكتلة تسببان انهيار الحالات الكمومية.

تكمن أهمية هذا النهج في مباشرته. لقد حاولت التجارب السابقة استنتاج الانهيار من خلال البحث عن آثار جانبية، مثل التسخين غير المتوقع أو الإشعاع المنبعث من الجسيمات المنهارة. وبالمقابل، ينظر هذا الاقتراح إلى عملية القياس نفسها. إنه يطرح سؤالاً تشغيلياً بسيطاً: إذا قمنا بتخزين معلومات في آلة ثم قمنا بحذف تلك المعلومات عن طريق إعادة الآلة إلى حالتها الأصلية، فهل يستعيد النظام الكمومي توازنه؟ الإجابة على هذا السؤال لا تعتمد على تفاصيل أي نظرية محددة، بل على الطبيعة الأساسية لكيفية تفاعل المعلومات والواقع.

يقر الباحثون بأن بناء مثل هذا الجهاز أمر صعب. فهو يتطلب تحكماً فائقاً في المجالات الكهربائية والقدرة على الحفاظ على استقرار الجسيم النانوي أثناء حركته وعودته. لقد رسموا المسارات اللازمة، بما في ذلك الحاجة إلى إلغاء المجالات الكهربائية الشاردة التي قد تحاكي إشارة الانهيار. كما يشيرون إلى أنه بينما يستخدم تصميمهم جزيئاً وجسيماً نانوياً محددين، فإن المنطق ينطبق على أي نظام يمكن فيه لجسم مجهري أن يدفع جسماً أكبر (متوسط الحجم) ويتم دفع هذا الجسم الأخير للعودة.

إذا بُنيت هذه التجربة ولم تجد أي فقد متبقٍ، فسيقدم ذلك دليلاً قوياً على أن ميكانيكا الكم كاملة وأن انهيار الدالة الموجية ليس حدثاً فيزيائياً بل هو نتيجة لكيفية تفاعلنا مع العالم. أما إذا وجدت فقداً، فستكون اكتشافاً ثورياً، يثبت وجود حد أساسي وغير قابل للعكس لمدى المعلومات التي يمكن محوها، حتى في مختبر محكوم تماماً. وفي الوقت الحالي، تقف الورقة كمخطط تفصيلي لاختبار قد يحسم أخيراً ما إذا كان يمكن حقاً التراجع عن العالم الكمومي.