Newtonian Gravitational Curvature-Induced Entanglement Generation

غالبًا ما يُنظر إلى الجاذبية على أنها مجرد سحب بسيط ومنتظم، وهي القوة التي تبقي أقدامنا على الأرض وتُبقي القمر في مداره. ومع ذلك، فإن الجاذبية أكثر دقة من كونها مجرد شد واحد ثابت؛ فبسبب ضعف قوة الجاذبية مع المسافة، يتعرض الجسم الذي يتميز بالطول أو العرض لسحب مختلف قليلاً عند قمته مقارنة بقاعدته. هذا الاختلاف، المعروف باسم المجال المدّي أو الانحناء، هو ما يمدد الأجسام الساقطة ويخلق المد والجزر في محيطاتنا. وبينما استخدم العلماء لفترة طويلة تأثير التمدد هذا لقياس شكل الأرض أو كثافة الصخور تحت الأرض، ظل اكتشاف هذه الاختلافات الضئيلة على مقياس ذرة واحدة أو آلة مجهرية تحديًا عميقًا. وتكمن الصعوبة في حقيقة أن الجاذبية ضعيفة للغاية مقارنة بالقوى الأخرى، وإشارتها يسهل طمسها بسبب الاهتزاز الفوضوي للحرارة وضجيج البيئة المحيطة.

لعقود من الزمن، تساءل الفيزيائيون عما إذا كان بإمكان الجاذبية أن تفعل أكثر من مجرد السحب على المادة؛ هل يمكنها حقًا التأثير على الروابط الغريبة وغير المرئية التي توجد بين الجسيمات الكمومية؟ في العالم الكمومي، يمكن لجسيمين أن يصبحا "متشابكين"، مما يعني أن خصائصهما مرتبطة بعمق بحيث تكشف قياسات أحدهما فورًا عن حالة الآخر، بغضًا عن المسافة بينهما. وتشير بعض النظريات إلى أنه إذا كانت الجاذبية نفسها قوة كمومية، فقد تخلق هذا التشابك بين جسمين. ومع ذلك، هناك احتمال آخر: ربما لا تحتاج الجاذبية لتكون قوة كمومية لخلق هذه الروابط؛ بدلاً من ذلك، قد تعمل الجاذبية ببساطة كلوحة تحكم دقيقة، تعدل سلوك آلة كمومية تقوم بالعمل الفعلي لربط الجسيمات. هذا التمييز أمر بالغ الأهمية، لأن إثبات قدرة الجاذبية على التحكم في تفاعل كمومي يعد خطوة كبيرة نحو فهم كيفية عمل الكون، حتى لو ظلت الجاذبية نفسها قوة كلاسيكية غير كمومية.

لقد أظهر فريق من الباحثين في مركز قطر للحوسبة الكمومية الآن، من خلال حسابات نظرية مفصلة، أن الانحناء الجاذبي يمكن استخدامه بالفعل لتوليد والتحكم في التشابك في جهاز هجين. وقد اقترحوا إعدادًا يتضمن بتّين كموميين صغيرين، أو "كيوبتات" (qubits)، وهما الوحدتان الأساسيتان للمعلومات الكمومية، مرتبطين بمذبذب ميكانيكي مشترك. هذا المذبذب هو في الأساس نابض مجهري يمكنه الاهتزاز. لا تتواصل الكيوبتات مع بعضها البعض مباشرة؛ بل تقوم كلتاهما بالدفع والسحب على هذا النابض المشترك. وعندما يتحرك النابض، فإنه ينقل المعلومات من كيوبت إلى آخر، مما يخلق فعليًا جسرًا بينهما. ووجد الباحثون أن وجود جسم ضخم قريب، والذي يخلق مجالًا مدّيًا جاذبيًا، يغير من صلابة هذا النابض. وهذا التغيير في الصلابة يغير سرعة اهتزاز النابض، مما يغير بدوره مدى قوة تشابك الكيوبتات مع بعضها البعض.

تعتمد الآلية على خدعة توقيت دقيقة. فبينما تتفاعل الكيوبتات مع النابض، فإنها تسبب حركة النابض في حلقة. وإذا توقف التفاعل في اللحظة المناسبة تمامًا — عندما يكمل النابض دورة كاملة ويعود إلى نقطة بدايته — يتوقف النابض عن الحركة وينفصل تمامًا عن الكيوبتات. في هذه اللحظة تحديدًا، تظل الكيوبتات في حالة تشابك مثالية، حاملة ذاكرة التفاعل. وقد حسب الباحثون أن قوة هذا التشابك تعتمد مباشرة على الانحناء الجاذبي. فإذا تغير الانحناء، يهتز النابض بمعدل مختلف قليلاً، ويتغير توقيت الحلقة، وبالتالي يتغير التشابك النهائي. وهذا يعني أنه من خلال قياس مدى تشابك الكيوبتات، يمكن استنتاج قوة الانحناء الجاذبي الذي تسبب في هذا التغيير.

وما يجعل هذا الاكتشاف قويًا بشكل خاص هو كيفية تعامله مع الواقع المادي الفوضوي. ففي أي تجربة حقيقية، لن يكون النابض الميكانيكي ساكنًا تمامًا؛ إذ سيهتز بسبب الحرارة، كما ستفقد الكيوبتات خصائصها الكمومية بمرور الوقت بسبب الضجيج. وقد وضع الباحثون نماذج لهذه العيوب واكتشفوا مرونة مذهلة؛ حيث وجدوا أنه إذا بدأ النابض ساخنًا ومهتزًا، فإن هذه الحرارة الأولية لا تفسد التجربة. ولأن النابض يعود إلى نقطة بدايته في نهاية الدورة، فإن آثار الحرارة الأولية تلغي بعضها البعض تمامًا، مما يترك التشابك سليمًا. وهذا يعني أن النظام لا يحتاج إلى التبريد إلى الصفر المطلق لدرجة الحرارة لكي يعمل، وهو مطلب جعل العديد من التجارب الكمومية الأخرى صعبة التنفيذ للغاية.

ومع ذلك، فإن النظام ليس محصنًا ضد جميع أشكال الضجيج. فقد حدد الباحثون أنه بينما تعتبر الحرارة الأولية قابلة للانعكاس، فإن التسرب المستمر للطاقة من النابض إلى محيطه، والمعروف باسم "التخميد"، يمثل مشكلة دائمة. هذا التسرب يحمل معه معلومات عن حالات الكيوبتات، مما يؤدي تدريجيًا إلى تلاشي التشابك. وبالمثل، إذا فقدت الكيوبتات ذاتها تماسكها الكمومي بسبب الضجيج البيئي، فإن الإشارة تتلاشى. وتظهر الدراسة أن نجاح التجربة يعتمد على معدل تسرب هذه الطاقة ومعدل الضجيج، وليس فقط على درجة حرارة البيئة. ومن خلال الموازنة الدقيقة بين هذه العوامل، حدد الباحثون أنه لا يزال بإمكان النظام توليد تشابك قابل للقياس، بشرط إجراء التجربة ضمن نافذة زمنية محددة قبل أن يصبح الضجيج قويًا جدًا.

ولجعل هذا العمل أداة عملية للاستشعار، اقترح الباحثون طريقة لعزل الإشارة الجاذبية عن القوى المربكة الأخرى. فالجسم الضخم الذي يخلق المجال المدّي يمارس أيضًا سحبًا موحدًا على النظام، مما قد يُخلط بينه وبين إشارة الانحناء. ولحل هذه المشكلة، اقترحوا تقنية مشابهة لسماعات إلغاء الضجيج، حيث تُجرى التجربة في إعدادين مختلفين قليلاً. ومن خلال مقارنة النتائج عند وجود الجسم الضخم في وضع واحد مقابل وضع آخر، يتم إلغاء السحب الموحد، مما يترك فقط الإشارة الناتجة عن تغير الانحناء. هذا النهج التفاضلي يسم يسمح للنظام باكتشاف البصمة المحددة لتدرج المجال الجاذبي، والتي تنخفض بسرعة أكبر بكثير مع المسافة مقارنة بالسحب الموحد.

يمثل هذا العمل تقدمًا نظريًا هامًا في كيفية استخدام الجاذبية للتحكم في الأنظمة الكمومية. فهو يوضح أن الجاذبية لا تحتاج لأن تكون قوة كمومية لتوليد التشابك الكمومي؛ بل يكفي أن تكون متحكمًا دقيقًا في آلة كمومية. وقد أظهر الباحثون أن العملية برمتها يمكن وصفها بدقة رياضية تامة، دون الحاجة إلى تقديم افتراضات تبسيطية غالبًا ما تخفي السلوك الحقيقي لمثل هذه الأنظمة. كما حددوا الحد الأقصى لمدى دقة قدرة هذا الإعداد على قياس الانحناء الجاذي، موضحين أنه يمكنه الوصول إلى الحدود الأساسية التي تسمح بها قوانين ميكانيكا الكم.

وعلى الرغم من أن هذه الدراسة هي حاليًا مقترح نظري ولم يتم بناؤها بعد في مختبر، إلا أنها توفر خارطة طريق واضحة لما قد يبدو عليه مثل هذا التجربة. فهي تحدد الشروط المحددة المطلوبة، وأنواع الضجيج التي يجب إدارتها، والقياسات التي يجب اتخاذها. وقد أكد الباحثون أن نتائجهم تستند إلى حسابات ومحاكاة دقيقة، مما يؤكد أن الفيزياء تصمد حتى عندما لا يكون النظام مثاليًا. يفتح هذا العمل مسارًا جديدًا لاستشعار الجاذبية، مبتعدًا عن قياس القوى المحلية نحو قياس انحناء الفضاء نفسه باستخدام الروابط الكمومية الدقيقة وغير الموضعية. ويشير ذلك إلى أنه في المستقبل، قد نتمكن من بناء مستشعرات تستخدم تشابك الجسيمات الصغيرة لرسم خريطة للتشوه الطفيف في الجاذبية بدقة غير مسبوقة.