Single-photon time qubit: Quantum-vacuum control and complementarity of the arrow of time

في القوانين القياسية للفيزياء، يُعامل الوقت عادةً كخلفية صامتة وغير متغيرة. إنه الساعة على الحائط التي تكتك للأمام بوتيرة ثابتة، تقيس كم استغرق جسيم من الحركة أو كيف تغير مجال ما، لكنه لا يُعتبر أبداً شيئاً يمكن إمساكه أو تدويره أو عكسه كجسم مادي. وبينما يستطيع العلماء قياس موضع جسيم أو دوران ذرة، ظل الوقت نفسه بارامتراً ثابتاً، شارعاً في اتجاه واحد لا يمكن دخوله كمتغير. وهذا يخلق لغزاً عميقاً في الفيزياء الكمومية: إذا كانت القوانين الأساسية للطبيعة تعمل بنفس الكفاءة عند تشغيلها للأمام أو للخلف، فلماذا لا تتحرك تجربتنا للوقت إلا في اتجاه واحد؟ لعقود من الزمن، حاول الباحثون تخيل طريقة لمعاملة الوقت ليس كقاعدة ثابتة، بل كخاصية كمومية يمكن أن توجد في حالة تراكب، مما يسمح للنظام بالتطور في اتجاهين متضادين في آن واحد.

لقد نقل فريق من الفيزيائيين هذه الفكرة الآن من مجرد تجربة فكرية نظرية إلى واقع مختبري عملي. فمن خلال بناء جهاز بصري متخصص، تمكنوا من إنشاء فوتون واحد يحمل "كيوبت زمن" (time qubit)، وهو بت كمومي يشفر اتجاه الزمن نفسه. في هذه التجربة، لم يكتفِ الباحثون بمراقبة الوقت، بل قاموا بالتحكم فيه فعلياً، عبر قلب تدفق تطور الفوتون من الأمام إلى الخلف وبالعكس. لقد أثبتوا أنه من خلال التلاعب الدقيق بطور موجات الضوء أثناء إنشاء فوتون من الفراغ، استطاعوا إجبار ذلك الفوتون على التطور كما لو كان الزمن يسير في الاتجاه المعاكس. هذا الإنجاز يثبت أن سهم الزمن يمكن معاملته كمتغير كمومي قابل للتحكم، مما يفتح باباً جديداً لاختبار التناظرات الأعمق في الكون، وربما بناء حواسيب كمومية مستقبلية تعمل بناءً على منطق قائم على الزمن.

بدأت الرحلة نحو هذا الاختراق بمقترح نظري من فيزيائي يدعى بلوخ، الذي تخيل "كيوبت الزمن" كنظام ذي مستويين، يشبه العملة المعدية التي يمكن أن تكون وجهاً أو ظهراً، ولكن حيث يمثل الجانبان تطور الزمن للأمام وللخلف. لسنوات، ظل هذا مفهوماً رياضياً، أو "تجربة ذهنية" (gedankenexperiment)، لأن أحداً لم يعرف كيفية بنائه دون الاعتماد على جسيمات موجودة بالفعل. كان التحدي يكمن في توليد جسيم يمكنه الوجود في حالة حركة للأمام وللخلف في الزمن في آن واحد، ثم قياس تلك الحالة دون تدمير المعلومات الكمومية الدقيقة. وقد حل الباحثون في جامعة كوريا، بقيادة تاي هيون يون، هذه المعضلة باستبدال الإعداد الساكن للأفكار السابقة بنظام نشط ينشئ الفوتونات من الفراغ الكمومي.

في تجربتهم، استخدم الفريق جهازاً يسمى مقياس تداخل "ماش-زيندر" (Mach-Zehnder interferometer)، وهو إعداد كلاسيكي في البصريات حيث يتم تقسيم شعاع الضوء إلى مسارين ثم إعادة دمجهما. ومع ذلك، بدلاً من تقسيم فوتون واحد كان يسير بالفعل عبر المختبر، استبدلوا مقسم الشعاع الأولي ببلورتين متوازيتين مصنوعتين من مادة تسمى "نيوبات الليثيوم ذات الاستقطاب الدوري". كانت هذه البلورات تُدار بواسطة ليزر نبضي قوي ويتم تلقيمها بشعاع ليزر مستمر وثابت. عندما يصطدم الليزر النبضي بالبلورات، فإنه يحفز عملية يتم فيها إنشاء أزواج من الفوتونات تلقائياً من فراغ الفضاء الخالي. وكان أحد الفوتونات من كل زوج هو "فوتون الإشارة"، والآخر هو "الفوتون الخامل" (idler photon). ومن خلال ضبط توقيت وطور الليزرات التي تصطدم بالبلورتين بعناية، استطاع الباحثون التحكم في كيفية ولادة هذه الفوتونات الجديدة.

كان مفتاح التحكم في سهم الزمن يكمن في العلاقة الطورية بين الليزرات والبلورات. وجد الباحثون أنهم من خلال إزاحة طور ليزر التلقيم في إحدى البلورتين بمقدار محدد بالنسبة للأخرى، يمكنهم عكس طريقة تطور فوتون الإشارة. في أحد المسارين، يتطور الفوتون بشكل طبيعي، كما لو كان الزمن يتدفق للأمام. وفي المسار الآخر، تسببت نفس العملية الرياضية في جعل الفوتون يتطور كما لو كان الزمن يتدفق للخلف. لم يكن هذا خدعة بصرية؛ فالفوتون في المسار الثاني كان متطابقاً رياضياً مع فوتون تم إرساله عبر الزمن إلى الوراء. ثم تم دمج المسارين، اللذين يمثلان الزمن للأمام والخلف، في نهاية مقياس التداخل.

ما جعل هذه التجربة فريدة حقاً هو كيفية تعامل الباحثين مع معلومات "أي مسار" (which-way information). في ميكانيكا الكم، إذا عرفت أي مسار سلكه الجسيم، فإن نمط التداخل الذي يثبت طبيعته الموجية يختفي. في هذه الحالة، كان "المسار" هو اتجاه الزمن. اكتشف الباحثون أن تقلبات الفراغ للفوتونات الخاملة تعمل كسجل لاتجاه الزمن الذي اتخذه فوتون الإشارة. إذا تُركت الفوتونات الخاملة وحدها، فإنها ستكشف ما إذا كان فوتون الإشارة قد تحرك للأمام أو للخلف، مما يدمر التراكب الكمومي. ومع ذلك، من خلال استخدام ليزر تلقيم مشترك ومتماسك لتحفيز إنشاء الفوتونات، استطاع الباحثون محو هذه المعلومات. فقد أجبر ليزر التلقيم المسارين على أن يصبحا غير متمايزين، مما سمح لفوتون الإشارة بالوجود في حالة تراكب نقي من الحركة للأمام وللخلف في الزمن في آن واحد.

تحقق الفريق من ذلك من خلال قياس مدى وضوح أنماط التداخل. ووجدوا علاقة دقيقة بين قوة ليزر التلقيم ووضوح التراكب الزمني. عندما كان التلقيم ضعيفاً، كانت تقلبات الفراغ هي السائدة، وتصرف الفوتون كجسم كلاسيكي له اتجاه زمني محدد. ومع زيادة قوة التلقيم، تم محو معلومات "أي مسار"، ودخل الفوتون في حالة تراكب كمومي نقي، حيث لم يعد سهم الزمن ثابتاً. وقد أكد هذا قانوناً أساسياً من قوانين التكامل (complementarity): كلما عرفت أكثر عن اتجاه الزمن، قلّ بإمكانك رؤية التداخل الموجي للزمن نفسه، والعكس صحيح.

لم يكتف الفريق بإثبات أن الزمن يمكن أن يكون متغيراً كمومياً، بل أظهروا قدرتهم على إجراء عمليات شاملة على "كيوبت الزمن" هذا، تماماً كما ينفذ الحاسوب البوابات المنطقية على بت قياسي. فمن خلال ضبط طور ليزر التلقيم، استطاعوا تدوير حالة كيوبت الزمن، وتحويل حالة زمن أمامي نقي إلى حالة زمن خلفي، أو إنشاء مزيج معقد من كليهما. كما أظهروا قدرتهم على قياس حالة كيوبت الزمن دون الحاجة إلى التخلص من البيانات أو انتظار حالات نادرة، وهو إنجاز كان مستحيلاً بالأساليب السابقة. وقد سمح لهم ذلك بقياس "صدى لوشميت" (Loschmidt echo) مباشرة، وهي كمية تصف مدى قدرة النظام على العودة في الزمن، مما يوفر طريقة جديدة لاختبار إمكانية عكس القوانين الفيزيائية.

كما وحدت هذه التجربة عدة طرق مختلفة للتفكير في الزمن في الفيزياء الكمومية. فقد جمعت بين فكرة كيوبت الزمن المنفصل، ومفهوم الساعة النسبية حيث يُعرف الزمن من خلال العلاقة بين الأنظمة، والوصف الموجي المستمر للزمن والتردد. ومن خلال ربط كيوبت الزمن بـ "مشط التردد" (frequency comb) — وهو ليزر ينتج طيفاً من الترددات المتباعدة بانتظام — أنشأ الباحثون نظاماً يتعايش فيه الخطوات المنفصلة للزمن والتدفق المستمر للزمن في جهاز واحد قابل للقياس. يشير هذا التوحيد إلى أن سهم الزمن ليس سمة أساسية غير قابلة للتغيير في الكون، بل هو خاصية يمكن التلاعب بها، والتحكم فيها، وحتى عكسها تحت الظروف الكمومية المناسبة.

تتجاوز آثار هذا العمل حدود المختبر. فالقدرة على التحكم في اتجاه الزمن على المستوى الكمومي يمكن أن تؤدي إلى أنواع جديدة من المستشعرات والحواسيب الكمومية الأكثر صموداً أمام الأخطاء. كما أنها توفر طريقة جديدة لمحاكاة الأنظمة الفيزيائية المعقدة، مثل تلك الموجودة في الكون المبكر أو بالقرب من الثقوب السوداء، حيث يسلك تدفق الزمن سلوكاً مختلفاً عما نعيشه في تجربتنا اليومية. لقد أظهر الباحثون أن سهم الزمن ليس جداراً صلباً، بل هو قرص يمكن تدويره، مما يفتح الباب أمام مستقبل يمكن فيه هندسة نسيج الزمن لتطبيقات عملية. ويقف هذا العمل كشهادة على قدرة البصريات الكمومية على تحويل المفاهيم النظرية المجردة إلى واقع ملموس وقابل للتحكم، مثبتاً أن حتى أكثر جوانب كوننا جوهرية تخضع لقواعد ميكانيكا الكم.