Violation of Bell-type Inequality in the Hanbury Brown-Twiss (HBT) Toy-Model: Quantum Correlations beyond Local-Realism

لطالما فُهم الضوء على أنه موجة، تتماوج عبر الفضاء مثل اضطراب في بركة ماء. لعقود من الزمن، وصف العلماء سلوكه باستخدام قوانين الفيزياء الكلاسيكية المألوفة، معتبرين إياه مجالاً كهرومغناطيسياً مستمراً. ومع ذلك، ظهرت طبقة أعمق من الواقع في منتصف القرن العشرين عندما أدرك الباحثون أن الضوء يسلك أيضاً سلوك تدفق من الجسيمات المنفصلة التي تسمى الفوتونات. وقد أدت هذه الطبيعة المزدوجة إلى ظهور مجال البصريات الكمومية، الذي يستكشف كيفية تفاعل الضوء مع المادة عند أكثر مستوياتها جوهرية. ومن أشهر التجارب في هذا المجال هي تأثير "هانبري براون وتوي" (Hanbury Brown and Tress)، وهي تقنية صُممت في الأصل لقياس حجم النجوم البعيدة. ومن خلال وضع كاشفين متباعدين وقياس كيفية تذبذب سطوع ضوء النجوم بشكل متزامن، اكتشف علماء الفلك أن الضوء يمتلك شخصية إحصائية لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها بالكامل. كشف هذا التأثير أن الفوتونات يمكن أن تصل في مجموعات أو تتجنب بعضها البعض، وهي سلوكيات تشير إلى وجود صلة أعمق وأغرب بين الجسيمات. واليوم، لا يزال السؤال قائماً: هل يمكن لهذه الإعدادات البصرية أن تكشف عن نوع أكثر عمقاً من الاتصال يُعرف بـ "اللانمطية" أو "اللا-محلية" (non-locality)، حيث تؤثر الجسيمات على بعضها البعض فورياً عبر الفضاء، متحديةً فكرة أن كل شيء يجب أن يُفسر بأسباب محلية خفية؟

في دراسة حديثة، شرع باحثون في المعهد الهندي للتعليم والبحث العلمي في مهاري (IISER Mohali) في استقصاء هذا السؤال باستخدام نسخة مبسطة من تجربة قياس النجوم الشهيرة. إن الإعداد الأصلي لتأثير "هانبري براون وتوي" معقد، ويتضمن ثمانية مسارات مختلفة يمكن للضوء أن يسلكها أثناء انتقاله من مصدرين إلى كاشفين. ولجعل الرياضيات قابلة للإدارة دون فقدان الفيزياء الجوهرية، أنشأ الفريق نموذجاً انسيابياً يستخدم أربعة مسارات فقط. لقد تخيلوا مصدرين للضوء، يرسل كل منهما حالة كمومية خاصة تُعرف باسم "الفراغ المعتصر ثنائي النمط" (two-mode squeezed vacuum). هذه الحالات ليست ضوءاً عادياً؛ بل هي موارد كمومية مُعدة بعناية حيث ترتبط خصائص الضوء بطريقة لا يمكن للفيزياء الكلاسيكية محاكاتها. وجه الباحثون هذه الأشعة عبر سلسلة من المرايا، ومقسمات الأشعة، والمستقطبات، محاكيين رحلة الضوء في التجربة الأصلية ولكن ضمن إطار نظري محكم. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت الارتباطات بين الضوء الواصل إلى الكاشفين يمكن أن تكسر قاعدة رياضية محددة تُعرف باسم "متباينة من نوع بيل" (Bell-type inequality). تعمل هذه القاعدة كخط حدودي: إذا ظلت القياسات داخل الخط، فيمكن تفسير النتائج في عالم كلاسيكي حيث يتم تحديد كل شيء بواسطة عوامل محلية خفية. أما إذا تجاوزت القياسات الخط، فإن ذلك يثبت أن الضوء يُظهر "لا-محلية" كمومية حقيقية.

وجد الفريق أن نموذجهم المبسط قد تجاوز بالفعل ذلك الحد. فعندما حللوا البيانات الناتجة عن نظامهم رباعي الأنماط، أظهرت الارتباطات بين الكاشفين انتهاكاً للمتباينة، مما أثبت أن الضوء كان يتصرف بطريقة لا يمكن لأي وصف كلاسيكي تفسيرها. حدث هذا الانتهاك تحديداً عندما تم إعداد مصادر الضوء في حالة "معتصرة" (squeezed state)، وهي حالة يتم فيها تقليل عدم اليقين في خصائص الضوء دون الحد الكمومي القياسي. لاحظ الباحثون أن التأثير كان في أقوى حالاته عندما تم إعداد كلا المصدرين بشكل معتصر متطابق، لكنهم اكتشفوا أيضاً شيئاً مفاجئاً: حتى لو كان أحد المصدرين معتصراً والآخر بقي في حالة قياسية تشبه الحالة الكلاسيكية، فإن النظام لا يزال ينتج انتهاكاً للمتباينة. يشير هذا إلى أن المكونات البصرية في الإعداد، والتي تعمل كخلاط، كانت قادرة على جعل الشعاعين المنفصلين "متشابكين" (entangled)، ونسجهما في حالة كمومية واحدة "لا-محلية". كما بحثت الدراسة فيما يحدث عندما لا يكون الضوء نقياً تماماً بل يحتوي على بعض الضوضاء الحرارية، مما يحاكي بيئة أكثر دفئاً. ووجدوا أن الاتصال "اللا-محلي" استمر حتى في درجات الحرارة المحدودة، وإن كان قوة الانتهاك تتلاشى تدريجياً مع ارتفاع درجة الحرارة.

تؤكد هذه النتائج أن إعداد "هانبري براون وتوي" ليس مجرد أداة لقياس أحجام النجوم أو عد الفوتونات، بل هو منصة قوية لاختبار الأسس الجوهرية للواقع. ومن خلال تجريد التجربة إلى عناصرها الأساسية، أظهر الباحثون أن السمات "اللا-محلية" الغريبة لميكانيكا الكم قوية بما يكفي للصمود في ترتيب بصري مبسط. يسلط العمل الضوء على أن الحد الفاصل بين العالم الكلاسيكي الذي نراه والعالم الكمومي الذي يكمن تحته ليس جداراً صلباً، بل هو خط نفاذ يمكن عبوره بنوع صحيح من الضوء. وبينما اعتمدت الدراسة على الحسابات النظرية بدلاً من التجربة الفيزيائية المخبرية، فإن الصرامة الرياضية للنموذج توفر خارطة طريق واضحة للتحقيقات المستقبلية. إنها تشير إلى أنه حتى في نظام يحتوي على أربعة مسارات للضوء فقط، يمكن للكون أن يكشف عن أسراره الأكثر إثارة للدهشة، ليثبت أن الطبيعة الكمومية للضوء ليست مجرد فضول هش، بل هي سمة أساسية لكيفية عمل العالم.