Observing Bell Inequality Violation Beyond the Qubit Bound in a Spinor Bose--Einstein Condensate

تشتهر ميكانيكا الكم بالسماح للجسيمات بالارتباط بطرق تبدو وكأنها تتحدى المنطق السليم. فعندما يكون جسيمان متشابكين، فإن قياس أحدهما يكشف فوراً عن معلومات حول الآخر، بغض النظر عن المسافة الفاصلة بينهما. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "اللانحلية" (nonlocality)، سلط الضوء عليها لأول مرة الفيزيائي جون بيل، الذي اقترح طريقة لاختبار ما إذا كانت هذه الروابط يمكن تفسيرها من خلال قواعد خفية وموجودة مسبقاً، أو ما إذا كانت تتطلب حقاً واقعاً غريباً غير كلاسيكي. لعقود من الزمن، استخدم العلماء هذا الاختبار لإثبات أن الطبيعة هي بالفعل كمومية، لكنهم فعلوا ذلك في الغالب باستخدام أنظمة بسيطة ذات حالتين، مثل العملات المعدنية التي لا يمكن أن تكون إلا وجهاً أو ظهراً. وبينما تعد هذه الأنظمة ثنائية الحالة مفيدة، إلا أنها تمثل رؤية محدودة للغاية للعالم الكمومي. فالعديد من الأنظمة الكمومية في العالم الحقيقي أكثر تعقيداً، وهي قادرة على الوجود في ثلاث حالات أو أكثر في آن واحد، تماماً مثل حجر النرد الذي يمكن أن يظهر جوانب واحد أو اثنين أو ثلاثة أو أربعة أو خمسة أو ستة. وكان فهم ما إذا كانت هذه الأنظمة الأكثر تعقيداً ومتعددة الحالات يمكن أن تظهر أيضاً هذه الروابط اللانحلية العميقة مسألة مفتوحة رئيسية، خاصة عند التعامل مع مجموعات ضخمة من الجسيمات حيث يستحيل تتبع كل فرد منها.

لقد أجاب فريق من الباحثين الآن على هذا السؤال من خلال إثبات أن سحابة من الذرات يمكن أن تظهر هذه الروابط الكمومية المعقدة بطريقة لا تستطيع الأنظمة البسيطة ثنائية الحالة تحقيقها أبداً. فمن خلال العمل على تكاثف بوز-أينشتاين ذي السبين-1 (spin-1 Bose-Einstein condensate)، وهي حالة من المادة حيث تتصرف حوالي 31,000 ذرة من الروبيديوم ككيان كمومي واحد، استطاع العلماء إنشاء نوع محدد من الحالة الكمومية يُعرف باسم "الضغط النيماتي المغزلي" (spin-nematic squeezing). في هذه الحالة، لا تكون الذرات مرتبطة فحسب، بل تكون خصائصها الداخلية مترابطة بطريقة تقلل من عدم اليقين في قياسات معينة إلى ما دون ما هو ممكن لأي مجموعة من الجسيمات البسيطة ثنائية الحالة. ومن خلال قياس السلوك الجماعي للسحابة بأكملها دون النظر إلى الذرات الفردية، لاحظ الباحثون انتهاكاً لـ "متباينة بيل" تجاوز الحد النظري للبتات الكمومية (qubits)، وهي الوحدات القياسية ثنائية الحالة لمعلومات الكم. توفر هذه النتيجة دليلاً مباشراً على أن الذرات تعمل كأنظمة حقيقية ثلاثية المستويات، أو "تريتات" (qutrits)، وأن ارتباطاتها أكثر تعقيداً بشكل جوهري من أي شيء يمكن تحقيقه باستخدام البتات الكمومية الثنائية البسيطة.

أُجريت التجربة في مختبر حيث قام الباحثون بحجز سحابة من ذرات الروبيديوم-87 في شعاع ضوئي مركز، وتبريدها حتى شكلت تكاثف بوز-أينشتاين. في البداية، جُهزت جميع الذرات في حالة محددة وهادئة حيث شغلت المستوى الطاقي الأوسط لبنيتها الداخلية. ولإنشاء الروابط الكمومية اللازمة، استخدم الباحثون تقنية تسمى "ديناميكيات خلط السبين" (spin-mixing dynamics). فمن خلال ضبط الحقول المغناطيسية وترددات الميكروويف بعناية، حفز الباحثون التصادمات بين الذرات التي تسببت في تغيير مستوياتها الداخلية تلقائياً، حيث انتقلت من المستوى الأوسط إلى المستويين العلوي والسفلي في آن واحد. هذه العملية، التي استمرت لمدة 95 مللي ثانية تقريباً، ولّدت حالة متشابكة للغاية حيث تم "ضغط" الذرات بطريقة قللت من الضوضاء العشوائية في اتجاهات محددة. ثم قام الباحثون بقياس الخصائص الجماعية للسحابة بأكملها، باحثين عن الأنماط في كيفية توزيع الذرات بين حالاتها الداخلية الثلاث الممكنة.

كان المفتاح لاكتشافهم هو اختبار رياضي، يُعرف باسم "شاهد بيل" (Bell witness)، صُمم للتمييز بين الارتباطات ثنائية الحالة البسيطة والارتباطات ثلاثية الحالة الأكثر تعقيداً. فلو كانت الذرات تتصرف كأنظمة بسيطة ثنائية الحالة، لكانت نتائج قياساتها قد بقيت ضمن حدود عددية محددة. ومع ذلك، فإن البيانات التي جُمعت من سحابة الروبيديوم تجاوزت بوضوح هذا الحد، حيث انخفضت بشكل كبير تحت الحد الذي يمكن لأي مجموعة من الجسيمات ثنائية الحالة الوصول إليه. وحسب الباحثون أنه لإنتاج النتائج المرصودة، كان لزاماً أن تُوصف ما يقرب من نصف الذرات في السحابة كأنظمة حقيقية ثلاثية المستويات. هذا الاكتشاف يستبعد احتمال أن تكون الارتباطات المرصودة مجرد نسخة معقدة من التشابك ثنائي الحالة البسيطة؛ بل يؤكد أن السحابة امتلكت بنية كمومية أغنى وذات أبعاد أعلى، وهي بنية متأصلة في طبيعة "السبين-1" للذرات.

هذا الإنجاز مهم لأنه يثبت إمكانية اكتشاف الارتباطات الكمومية عالية الأبعاد في الأنظمة العيانية (macroscopic) باستخدام القياسات الجماعية فقط. ففي العديد من التجارب السابقة، كان التحقق من مثل هذه الحالات الكمومية المعقدة يتطلب القدرة على التحكم في الجسيمات الفردية وقياسها واحداً تلو الآخر، وهي مهمة تصبح مستحيلة مع السحب التي تحتوي على عشرات الآلاف من الذرات. هنا، أظهر الباحثون أنه من خلال النظر إلى المجموعة ككل، يمكنهم المصادقة على أبعاد الروابط الكمومية دون الحاجة لرؤية الذرات الفردية. كما سلطت التجربة الضوء على أهمية "الضغط" في اتجاهين محددين في وقت واحد، وهو شرط كان ضرورياً للكشف عن الطبيعة ثلاثية المستويات للارتباطات. وعندما قام الباحثون عمداً بإزالة القدرة للنظام على الوصول إلى بنيته ثلاثية الأبعاد الكاملة، اختفى الانتهاك الكمومي الخاص، مما أكد أن التأثير يعتمد على التعقيد الكامل لذرات "السبين-1".

يؤسس هذا العمل لتكاثفات بوز-أينشتاين المغزلية (spinor Bose-Einstein condensates) كمنصة قوية لاستكشاف حدود النظرية الكمومية في الأنظمة الكبيرة والمتفاعلة. وهو يثبت أن الروابط اللانحلية الغريبة التي تنبأت بها ميكانيكا الكم ليست مقتصرة على الأنظمة الثنائية البسيطة، بل يمكنها أن تزدهر في بيئات أكثر تعقيداً ومتعددة المستويات. وهذا يفتح آفاقاً جديدة لاختبار أسس الفيزياء، ويمكن أن يؤدي إلى طرق محسنة للاستشعار الكمومي ومعالجة المعلومات التي تتجاوز قدرات التقنيات القياسية القائمة على البتات الكمومية (qubits). ومن خلال إظهار أن القياسات "خشنة الحبيبات" (coarse-grained measurements) كافية للمصادقة على الموارد الكمومية عالية الأبعاد، توفر الدراسة مساراً عملياً للمضي قدماً في استقصاء البنية الغنية والمتعددة الطبقات للارتباطات الكمومية في العالم العياني.