في عالم فيزياء الكم الغريب، يمكن للجسيمات أن تصبح مرتبطة بطريقة تتحدى تجربتنا اليومية. فعندما يكون جسيمان "متشابكين"، فإن أي تغيير يطرأ على أحدهما يؤثر فوراً على الآخر، بغض النظر عن المسافة بينهما. هذا الاتصال قوي لدرجة أنك إذا قمت بقياس أحدهما، يمكنك التنبؤ بنتيجة قياس الآخر بدقة تامة. ومع ذلك، هناك قاعدة صارمة في الطبيعة حول مقدار ما يمكن مشاركته من هذا الاتصال؛ وهي قاعدة تُعرف باسم "أحادية تشابك الجسيمات" (monogamy of entanglement)، والتي تملي أنه إذا كان جسيم واحد مرتبطاً بشكل مثالي بجسيم ثانٍ، فإنه لا يمكنه أن يكون مرتبطاً بشكل مثالي بجسيم ثالث. الأمر يشبه كون الرابط مورداً محدوداً؛ فلا يمكنك منح اهتمامك الكامل لشخصين مختلفين في آن واحد. لطالما استخدم العلماء هذا القيد لدراسة حدود القدرة الكمومية، وغالباً ما يقومون بإعداد ألعاب يحاول فيها عدة لاعبين تخمين قياس للحكم في وقت واحد. وفي هذه السيناريوهات، عادة ما تمنع القواعد الصارمة لأحادية التشابك اللاعبين من التفوق كثيراً على ما يمكنهم تحقيقه باستخدام الحيل الكمومية البسيطة غير المتشابكة.

قام فريق من الباحثين في جامعة روتجرز الآن بقلب هذه الفكرة رأساً على عقب من خلال تصميم نوع جديد من الألعاب يكشف عن قوة خفية في الروابط الكمومية. فبدلاً من مطالبة جميع اللاعبين بتخمين نتيجة الحكم في نفس الوقت، ابتكروا سيناريو يتم فيه اختيار لاعب واحد فقط عشوائياً ليقوم بالتخمين. هذا النهج القائم على "التخمين واحداً تلو الآخر" يغير قواعد اللعبة تماماً. فقد وجد الباحثون أنه من خلال التركيز على التخمينات الفردية بدلاً من الإجماع الجماعي، يمكن للاعبين الذين يتشاركون نوعاً معيناً من حالات الكم الثلاثية أن يتفوقوا بشكل كبير على أولئك الذين يعتمدون على المنطق الكلاسيكي. وحتى في إعداد بسيط يتضمن ثلاثة جسيمات فقط وقياسات أساسية، رفع اللاعبون الكموميون معدل نجاحهم بنسبة 4% على الأقل مقارنة بأفضل استراتيجية كلاسيكية ممكنة. ويشير هذا الاكتشاف إلى أنه على الرغم من أن الجسيمات الكمومية لا يمكنها الارتباط بالجميع بشكل مثالي في آن واحد، إلا أنه يمكن ضبطها لمشاركة قوتها بطريقة تعظم فرص أن يكون المراقب المختار عشوائياً على صواب.

بنى الباحثون دراستهم حول لعبة تضم ثلاثة مشاركين: حكم ولاعبين اثنين. في النسخة التقليدية من مثل هذه الألعاب، يقيس الحكم جسيماً ويسأل كلا اللاعبين عن النتيجة في وقت واحد. وبسبب قاعدة أحادية التشابك، يعاني اللاعبون؛ فإذا كان الحكم مرتبطاً بقوة بأحد اللاعبين، فإن الاتصال باللاعب الآخر يجب أن يضعف، مما يحد من نجاحهم الجماعي. أما في اللعبة الجديدة، فلا يزال الحكم يقيس جسيماً، لكنه يرمي عملة معدنية ليقرر أي لاعب واحد يجب أن يخمن النتيجة، بينما يظل اللاعب الآخر مستبعداً في تلك الجولة. هذا التحول يسمح للاعبين بتوزيع اتصالهم الكمومي بشكل مختلف؛ فبدلاً من محاولة أن يكونوا أقوياء بالتساوي مع كلا اللاعبين في نفس الوقت، يمكنهم تحسين حالتهم المشتركة بحيث يكون لدى أي لاعب يتم اختياره احتمالية عالية لأن يكون محقاً.

لاختبار ذلك، ركز الفريق على سيناريو محدد حيث يقيس الحكم جسيماً واحداً باستخدام أحد ثلاثة إعدادات قياسية، تُعرف بقياسات "باولي". وسألوا عن نوع الحالة المشتركة بين المشاركين الثلاثة التي تسمح للاعبين بالفوز في أغلب الأحيان. ومن خلال حسابات مفصلة ومحاكاة حاسوبية، اكتشفوا أن الاستراتيجية المثلى تتضمن عائلة معينة من الحالات ثلاثية الجسيمات التي تشبه تكويناً كمومياً شهيراً يسمى "حالة دبليو" (W-state). وتعتبر هذه الحالات خاصة لأنها تحافظ على درجة من الاتصال بين الجسيمات الثلاثة، حتى لو تمت إزالة أحدها. ووجد الباحثون أنه يمكن للاعبين تعديل "شكل" هذا الاتصال بناءً على مدى تكرار اختيار كل لاعب؛ فإذا تم اختيار لاعب واحد بشكل متكرر أكثر، فإن الحالة الكمومية ستتحول لتفضيل رابط أقوى بين الحكم وهذا اللاعب المحدد، مع الحفاظ في الوقت نفسه على قدر كافٍ من الاتصال لمساعدة اللاعب الآخر عندما يحين دوره.

كانت النتائج دقيقة وقابلة للقياس. فعندما كان لكلا اللاعبين فرصة متساوية في الاختيار، سمحت الاستراتيجية الكمومية لهما بالفوز بنسبة 83.3% تقريباً من المرات. وفي المقابل، فإن أفضل استراتيجية كلاسيكية ممكنة، حيث يعتمد اللاعبون فقط على تعليمات متفق عليها مسبقاً دون أي تشابك كمومي، لم تستطع تحقيق سوى معدل نجاح يبلغ حوالي 78.9%. وهذه الفجوة التي تبلغ نحو أربعة ونصف في المائة هي فجوة كبيرة في عالم المعلومات الكمومية، مما يثبت أن الميزة الكمومية حقيقية وليست مجرد إمكانية نظرية. كما أظهرت الدراسة أن هذه الميزة تتجاوز ما يمكن تحقيقه إذا كان اللاعبون يتشاركون ببساطة اتصالاً قوياً بين اثنين منهم فقط مع تجاهل الثالث؛ فقد وفرت الحالة ثلاثية الجسيمات فائدة فريدة لا يمكن للروابط ثنائية الجسيمات مضاهاتها، مما يثبت أن الكل بالفعل أكبر من مجموع أجزائه.

إن هذا العمل لا يقتصر على تحسين نتيجة لعبة فحسب، بل يقدم طريقة جديدة لفهم كيفية توزيع المعلومات الكمومية في الشبكات المعقدة. فمن خلال تخفيف شرط الاتفاق المتزامن، أظهر الباحثون أن التشابك متعدد الأطراف (multipartite entanglement) -أي الاتصالات التي تشمل ثلاثة جسيمات أو أكثر- هو أكثر فائدة مما كان يُعتقد سابقاً في سياقات معينة. وتشير النتائج إلى أنه في التطبيقات الواقعية، مثل شبكات الاتصال الآمن حيث قد يحتاج عقد مركزية إلى التفاعل مع مستخدمين مختلفين في أوقات عشوائية، يمكن أن تكون هذه الحالات الكمومية المحددة ذات قيمة عالية جداً. وتوفر الدراسة إطاراً واضحاً لتحديد أي الحالات الكمومية هي الأنسب لهذه المهام، متجاوزةً بذلك حدود النماذج القديمة التي ركزت حصراً على التخمين المتزامن.

تحقق الباحثون من نتائجهم باستخدام أدوات رياضية متقدمة تحاكي حدود ميكانيكا الكم، مما يضمن عدم وجود استراتيجية أفضل ضمن القوانين الفيزيائية المعروفة. وقد أكدوا أن الحالات المثلى التي حددوها هي بالفعل أفضل الحلول الممكنة للعبة كما هي معرفة. وبينما لا تزال الدراسة نظرية حالياً، فإن وضوح النتائج يوفر أساساً صلباً للتجارب المستقبلية. يسلط عمل الفريق الضوء على أن "أحادية" التشابك، التي غالباً ما تُعتبر قيداً، يمكن التعامل معها ببراعة. فمن خلال تغيير قواعد الاشتباك من جهد جماعي إلى جهد فردي، فتحوا مستوى جديداً من الأداء، مظهرين أن الأنظمة الكمومية يمكن أن تكون مرنة بشكل ملحوظ عندما تتوفر الظروف المناسبة.

وفي السياق الأوسع للعلوم الكمومية، تضيف هذه الورقة قطعة حاسمة في لغز كيفية تسخير التشابك للاستخدام العملي. فهي تتحدى الافتراض بأن المزايا الكمومية لا تظهر إلا في سيناريوهات محددة للغاية ومتماثلة. وبدلاً من ذلك، تظهر أنه من خلال تخصيص الحالة الكمومية لتناسب احتمالات المهمة المطلوبة، يمكننا استخلاص قيمة أكبر من هذه الروابط الهشة. وتترك الدراسة الباب مفتوحاً أمام التساؤل عما إذا كانت هذه الحالات نفسها يمكن أن تساعد في تحسين أنواع أخرى من الألعاب الكمومية، لكنها تثبت بقوة أن العالم الكمومي، بالنسبة لمهمة التخمين الفردي، يقدم ميزة متميزة وقابلة للقياس. ويقف هذا العمل كشهادة على فكرة أنه حتى في كون تحكمه قواعد صارمة، هناك دائماً مساحة لمنظور جديد للكشف عن الإمكانات الخفية.