Almost-Quantum Correlations Violate Information Causality

في المشهد الغريب للفيزياء الكمومية، يمكن للجسيمات أن ترتبط بطرق تتحدى حدسنا اليومي. فعندما يتم قياس جسيمين من هذا النوع على مسافات متباعدة، يبدو أن نتيجة قياس أحدهما تؤثر على الآخر فوراً، وهي ظاهرة تُعرف باللا-محلية (nonlocality). لعقود من الزمن، حاول الفيزيائيون فهم حدود هذا الاتصال؛ فهم يعلمون أن الطبيعة لا تسمح للمعلومات بالانتقال بسرعة أكبر من الضوء، وهي قاعدة تُسمى مبدأ عدم إرسال الإشارات (no-signaling principle). ومع ذلك، تظل هناك مساحة شاسعة من الاحتمالات ضمن تلك القاعدة. تشير بعض النماذج النظرية إلى وجود ارتباطات قوية جداً لدرجة أنها قد تسمح بإنجاز أعمال مستحيلة، مثل تخمين رمز سري بدقة مثالية باستخدام تلميح ضئيل فقط. ولتفسير سبب اتباع كوننا لقواعد ميكانيكا الكم المحددة وليس هذه الاحتمالات الأكثر جموحاً، اقترح العلماء مبدأً توجيهياً يسمى "السببية المعلوماتية" (information causality). تقترح هذه الفكرة حداً بسيطاً: إذا أرسلت لشخص ما رسالة بحجم معين، لنقل بت واحد (bit)، فلا يمكنه الحصول على أكثر من تلك الكمية من المعلومات حول بياناتك السرية، بغض النظر عن مدى براعته في فك التشفير. ينطبق هذا المبدأ في عالمنا الكمومي المعروف ويساعد في تفسير سبب توقف الطبيعة عند حدود معينة دون الوصول إلى الاحتمالات النظرية الأكثر تطرفاً.

وقد اختبرت مجموعة من الباحثين في مركز "إس. إن. بوس" للعلوم الأساسية في كولكاتا هذا المبدأ ضد مجموعة محددة وعالية التعقيد من الارتباطات النظرية المعروفة باسم "شبه الكمومية" (almost-quantum). هذه الارتباطات هي تخفيف رياضي للقواعد الكمومية؛ فهي أقل صرامة قليلاً مما تسمح به ميكانيكا الكم، لكنها لا تزال تستوفي العديد من القيود الفيزيائية الأخرى المعروفة. لسنوات، أشارت عمليات المحاكاة الحاسوبية إلى أن الارتباطات شبه الكمومية قد تحترم السببية المعلوماتية، وتندرج بسلام ضمن حدود عالم فيزيائي منطقي. ومع ذلك، فإن الدراسة الجديدة تقلب هذا التوقع. فمن خلال تصميم لعبة اتصالات محددة، أثبت الباحثون أن الارتباطات شبه الكمومية يمكن أن تنتهك مبدأ السببية المعلوماتية دون أي حد. في سيناريوهم، يسمح بت واحد من الاتصال للمستقبل بالوصول إلى كمية هائلة من المعلومات حول بيانات المرسل، وهو إنجاز محظور تماماً في كوننا.

تعتمد التجربة على لعبة ذكية تتضمن طرفين، أليس وبوب، يتشاركان اتصالاً غامضاً. تمتلك أليس سلسلة طويلة من البتات العشوائية، وتقسمها إلى مجموعات عديدة. يُطلب من بوب تحديد محتويات مجموعة معينة يتم اختيارها عشوائياً. في لعبة قياسية، إذا أرسلت أليس لبوب بت واحداً فقط من المعلومات، فيجب أن يكون قادراً فقط على تعلم بت واحد من بياناتها. وقد صمم الباحثون بروتوكولاً تستخدم فيه أليس وبوب نوعاً خاصاً من الاتصال، وهو "صندوق شبه كمومي"، للعب هذه اللعبة. يمتلك هذا الصندوق خاصية فريدة: يمكنه أحياناً إنتاج نتيجة محددة تعمل كشهادة مثالية. إذا ظهرت هذه الشهادة، فإنها تثبت بيقين مطلق أن مجموعة معينة من بيانات أليس تتكون بالكامل من الرقم واحد. والأهم من ذلك، أن هذه الشهادة لا تكذب أبداً؛ فإذا ظهرت، تكون البيانات تماماً كما زُعم. ومع ذلك، فإن هذه الشهادة نادرة الحدوث.

تكمن قوة هذا الإعداد في كيفية التغلب على الندرة. فقد أظهر الباحثون أنه باستخدام صندوق يحتوي على عدد كبير جداً من الإعدادات الممكنة — وتحديداً أكثر من 750,000 خيار مختلف لكل طرف — تصبح الشهادة النادرة فعالة بما يكفي لكسر القواعد. فعندما تظهر الشهادة، فإنها تكشف عن المجموعة الكاملة من البيانات، وليس مجرد بت واحد فقط. ولأن الصندوق متعدد الاستخدامات، فإنه يمكنه إصدار شهادة لأي من المجموعات العديدة. وقد حسب الباحثون أنه باستخدام عدد محدد من الإعدادات وطول محدد لمجموعات البيانات، فإن إجمالي المعلومات التي يكتسبها بوب يتجاوز بكثير البت الواحد الذي أرسلته أليس. وفي حالة محددة، باستخدام سلسلة تزيد عن 13 مليون بت، كانت المعلومات المكتسبة تزيد قليلاً عن بت واحد، وهو ما يكفي لإثبات الانتهاك. ومن خلال ضبط المعايير، أظهروا أن هذا الانتهاك يمكن جعله كبيراً بشكل تعسفي، مما يعني أن المستقبل يمكنه تعلم كمية غير محدودة من المعلومات من بت واحد من الاتصال.

يخلق هذا الاكتشاف انقساماً حاداً في فهمنا للنظريات الفيزيائية. فهو يثبت أن الارتباطات شبه الكمومية، رغم استيفائها للعديد من المبادئ الفيزيائية الأخرى، لا تتوافق جوهرياً مع فكرة أن المعلومات محدودة بحجم الرسالة المرسلة. ويجادل الباحثون بأن أي نظرية تسمح بهذه الارتباطات، يجب أن تتخلى عن قاعدة قياسية حول كيفية دمج المعلومات، والمعروفة باسم "قاعدة السلسلة" (chain rule). تنص هذه القاعدة أساساً على أن إجمالي المعلومات التي لديك حول نظام ما يمكن تفكيكه إلى المعلومات التي لديك حول أجزائه. وتشير الدراسة إلى أنه في عالم ذي ارتباطات شبه كمومية، سيفشل هذا التفكيك، وسيكون أسلوب تخزين المعلومات ومعالجتها مختلفاً جذرياً عما نلاحظه.

لا تدعي الورقة البحثية أن كوننا يعمل بهذه الطريقة؛ بل إنها تستخدم هذا الانتهاك النظري لصقل فهمنا لسبب كون ميكانيكا الكم هي على ما هي عليه. ويشير الباحثون إلى أن البروتوكول الخاص بهم يتطلب عدداً كبيراً جداً من الإعدادات ليعمل، وهذا هو السبب في أن عمليات البحث الحاسوبية السابقة قد أغفلت الانتهاك. إن النطاق الهائل للإعدادات المطلوبة يفسر لماذا بدا الطقم شبه الكمومي آمناً في عمليات المحاكاة السابقة ذات النطاق الأصغر. كما تسلط الدراسة الضوء على اختلاف رئيسي بين كيفية تعامل ميكانيكا الكم وهذه الارتباطات شبه الكمومية مع اليقين. في العالم الكمومي، يكون اليقين التام بشأن علاقة بين أحداث متباعدة محدوداً للغاية. أما في العالم شبه الكمومي، فقد تم تخفيف هذا الحد، مما يسمح بظهور الشهادات المثالية النادرة التي تقود إلى الانتهاك.

في نهاية المطاف، تثبت الورقة أن الارتباطات شبه الكمومية ليست وصفاً قابلاً للتطبيق لواقعنا الفيزيائي إذا أردنا الحفاظ على مبدأ السببية المعلوماتية. إنها تضع الفيزيائيين أمام خيار إما قبول هذه الارتباطات والتخلي عن قاعدة أساسية حول كيفية عمل المعلومات، أو رفض هذه الارتباطات باعتبارها غير فيزيائية. ويرى الباحثون أن الخيار الثاني هو المسار الأكثر احتمالاً، مما يعني أن القيود المحددة لميكانيكا الكم ضرورية للحفاظ على تدفق متسق للمعلومات. يضيف هذا النتاج قطعة مهمة في اللغز المستمر حول سبب اتباع الطبيعة للقواعد التي تتبعها، مما يستبعد فئة من النظريات التي كانت تبدو سابقاً كمرشح واعد لفهم أعمق للعالم الكمومي.