الأحداث الصغيرة النطاق لها عواقب ضخمة. ولا يوجد مجال علمي يوضح ذلك أفضل من فيزياء الكم ، التي تستكشف السلوكيات الغريبة للأشياء الصغيرة جدًا في الغالب. في عام 2019 ، ذهبت تجارب الكم إلى أماكن جديدة وأكثر غرابة وحوسبة الكم العملية اقتربت من الواقع ، على الرغم من بعض الخلافات. كانت هذه الأحداث الكمية الأكثر أهمية والمدهشة لعام 2019.
جوجل تدعي "تفوق الكم"
إذا كان أحد العناصر الإخبارية الكمومية لعام 2019 يجعل كتب التاريخ ، فمن المحتمل أن يكون هذا إعلانًا كبيرًا جاء من Google: أعلنت شركة التكنولوجيا أنها حققت "التفوق الكمومي". هذه طريقة رائعة لقول أن Google قامت ببناء جهاز كمبيوتر يمكنه أداء مهام معينة بشكل أسرع من أي جهاز كمبيوتر كلاسيكي. (تتضمن فئة أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية أي جهاز يعتمد على أجهزة 1 و 0 القديمة العادية ، مثل الجهاز الذي تستخدمه لقراءة هذه المقالة.)
إن ادعاء السيادة الكمومية من Google ، إذا تم إثباته ، سيشير إلى نقطة انعطاف في تاريخ الحوسبة. تعتمد أجهزة الكمبيوتر الكمومية على تأثيرات فيزيائية غريبة صغيرة النطاق مثل التشابك ، بالإضافة إلى بعض الشكوك الأساسية في الكون النانوي ، لإجراء حساباتها. من الناحية النظرية ، تمنح هذه الجودة هذه الآلات مزايا معينة على أجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية. يمكنهم بسهولة كسر مخططات التشفير الكلاسيكية ، وإرسال رسائل مشفرة تمامًا ، وتشغيل بعض المحاكاة بشكل أسرع مما يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية وحل المشكلات الصعبة بسهولة شديدة بشكل عام. تكمن الصعوبة في عدم قيام أي شخص أبدًا بصنع جهاز كمبيوتر كمّي بسرعة كافية للاستفادة من تلك المزايا النظرية - أو على الأقل لم يستفد منها أحد ، حتى إنجاز Google هذا العام.
ليس كل من يشتري مطالبة السيادة لشركة التكنولوجيا بالرغم من ذلك. سوبهاش كاك ، متشكك كمومي وباحث في جامعة ولاية أوكلاهوما ، حدد العديد من الأسباب في هذا المقال لـ Live Science.
اقرأ المزيد حول تحقيق Google للسيادة الكمومية.
الكيلوغرام يذهب الكم
جاءت نقطة انعطاف كمومية أخرى لعام 2019 من عالم الأوزان والمقاييس. كان الكيلوغرام القياسي ، وهو الجسم المادي الذي حدد وحدة الكتلة لجميع القياسات ، منذ فترة طويلة اسطوانة بلاتينيوم إيريديوم عمرها 130 عامًا تزن 2.2 رطل. ويجلس في غرفة في فرنسا. تغير هذا العام.
كان الكيلو القديم جيدًا ، بالكاد تغير الكتلة على مر العقود. لكن الكيلو الجديد مثالي: استنادًا إلى العلاقة الأساسية بين الكتلة والطاقة ، بالإضافة إلى الغرابة في سلوك الطاقة بمقاييس الكم ، تمكن الفيزيائيون من الوصول إلى تعريف للكيلوغرام الذي لن يتغير على الإطلاق بين هذا العام ونهاية الكون.
اقرأ المزيد عن الكيلوغرام المثالي.
كسر الواقع قليلا
صمم فريق من الفيزيائيين تجربة كمومية أظهرت أن الحقائق تتغير بالفعل اعتمادًا على وجهة نظرك في الموقف. أجرى الفيزيائيون نوعًا من "رمي العملة" باستخدام الفوتونات في كمبيوتر كمومي صغير ، ووجدوا أن النتائج كانت مختلفة في أجهزة الكشف المختلفة ، اعتمادًا على وجهات نظرهم.
وكتب التجريبيون في مقال نشرته مجلة لايف ساينس "نظهر أنه في عالم الذرات والجسيمات الدقيقة الذي تحكمه القواعد الغريبة لميكانيكا الكم ، يحق لمراقبين مختلفين الحصول على الحقائق الخاصة بهم". "وبعبارة أخرى ، وفقًا لأفضل نظرياتنا حول اللبنات الأساسية للطبيعة نفسها ، يمكن للحقائق أن تكون ذاتية في الواقع."
اقرأ المزيد عن الافتقار إلى الواقع الموضوعي.
حصل التشابك على بريقه الساحر
وللمرة الأولى ، قام الفيزيائيون بعمل صورة للظاهرة التي وصفها ألبرت أينشتاين بأنها "عمل مخيف على مسافة" ، حيث يظل جسيمان مرتبطان جسديًا على الرغم من فصلهما عبر مسافات. تم التحقق من هذه الميزة في العالم الكمي منذ فترة طويلة تجريبيًا ، لكن هذه كانت المرة الأولى التي يراها فيها أي شخص.
اقرأ المزيد عن صورة التشابك التي لا تُنسى.
حدث شيء كبير في اتجاهات متعددة
في بعض النواحي ، فإن التناقض المفاهيمي للتشابك ، يتيح التراكب الكمي كائنًا واحدًا أن يكون في مكانين (أو أكثر) في وقت واحد ، نتيجة للمادة الموجودة كجزيئات وموجات. عادة ، يتم تحقيق ذلك بجسيمات صغيرة مثل الإلكترونات.
لكن في تجربة عام 2019 ، تمكن الفيزيائيون من تحقيق التراكب على أوسع نطاق على الإطلاق: باستخدام جزيئات ضخمة من 2000 ذرة من عالم العلوم الطبية المعروفة باسم "oligo-tetraphenylporphyrins المخصب بسلاسل الفلورو ألكيل سلفانيل".
اقرأ عن الإنجاز الكلي للتراكب.
عبرت الحرارة الفراغ
في الظروف العادية ، يمكن للحرارة أن تعبر الفراغ بطريقة واحدة فقط: في شكل إشعاع. (هذا ما تشعر به عندما تعبر أشعة الشمس مساحة لتضرب على وجهك في يوم صيفي.) وإلا ، في النماذج المادية القياسية ، تنتقل الحرارة بطريقتين: أولاً ، يمكن للجزيئات النشطة أن تطرق في جزيئات أخرى وتحول طاقتها . (لف يديك حول كوب شاي دافئ لتشعر بهذا التأثير.) ثانيًا ، يمكن للسائل الدافئ أن يحل محل السائل الأكثر برودة. (هذا ما يحدث عندما تقوم بتشغيل المدفأة في سيارتك ، تغمر الداخل بالهواء الدافئ.) لذا بدون إشعاع ، لا يمكن للحرارة أن تعبر فراغًا.
لكن فيزياء الكم ، كالعادة ، تخرق القواعد. في تجربة عام 2019 ، استغل الفيزيائيون حقيقة أن الفراغات على المستوى الكمي ليست فارغة حقًا. وبدلاً من ذلك ، فهي مليئة بالتقلبات العشوائية الصغيرة التي تظهر وتختفي من الوجود. وجد الباحثون ، على نطاق صغير بما فيه الكفاية ، أن الحرارة يمكن أن تعبر الفراغ من خلال القفز من تقلبات إلى أخرى عبر الفضاء الذي يبدو خالياً.
اقرأ المزيد عن تسرب الحرارة عبر الفراغ الكمومي للفضاء.
قد يكون السبب والنتيجة إلى الوراء
هذه النتيجة التالية بعيدة كل البعد عن اكتشاف تم التحقق منه تجريبيا ، بل إنها خارج نطاق فيزياء الكم التقليدية. لكن الباحثين الذين يعملون مع الجاذبية الكمومية - وهي بنية نظرية مصممة لتوحيد عوالم ميكانيكا الكم والنسبية العامة لأينشتاين - أظهروا أنه في ظل ظروف معينة قد يتسبب حدث ما في حدوث حدث في وقت سابق.
يمكن أن تؤثر بعض الأشياء الثقيلة جدًا على تدفق الوقت في محيطها المباشر بسبب النسبية العامة. نحن نعلم أن هذا صحيح. ويفرض التراكب الكمومي أن الأجسام يمكن أن تكون في أماكن متعددة في وقت واحد. كتب الباحثون ضع جسمًا ثقيلًا جدًا (مثل كوكب كبير) في حالة من التراكب الكمومي ، ويمكنك تصميم سيناريوهات غريبة حيث يحدث السبب والنتيجة بترتيب خاطئ.
اقرأ المزيد عن عكس السبب والنتيجة.
تصدع الأنفاق الكمومية
لقد عرف الفيزيائيون منذ فترة طويلة عن تأثير غريب يعرف باسم "نفق الكم" ، حيث يبدو أن الجسيمات تمر عبر حواجز تبدو غير قابلة للسير. ليس لأنهم صغار جدًا لدرجة أنهم يجدون ثقوبًا. في عام 2019 ، أظهرت تجربة كيف يحدث هذا حقًا.
تقول فيزياء الكم أن الجسيمات هي أيضًا موجات ، ويمكنك التفكير في تلك الموجات على أنها توقعات احتمالية لموقع الجسيم. لكنها لا تزال موجات. حطم موجة ضد حاجز في المحيط ، وسوف تفقد بعض الطاقة ، ولكن ستظهر موجة أصغر على الجانب الآخر. ووجد الباحثون أن تأثيرًا مشابهًا يحدث في العالم الكمي. وطالما أن هناك القليل من الموجة الاحتمالية المتبقية على الجانب البعيد من الحاجز ، فإن الجسيم لديه فرصة لجعله يمر من خلال العائق ، عبر نفق في مساحة حيث يبدو أنه لا ينبغي أن يصلح.
اقرأ المزيد عن تأثير الأنفاق الكمومية المدهش.
ربما ظهر الهيدروجين المعدني على الأرض
كانت هذه سنة كبيرة بالنسبة لفيزياء الضغط العالي. وأحد أكثر المطالبات جرأة جاء من مختبر فرنسي ، أعلن أنه قد أنشأ مادة الكأس المقدسة لعلوم المواد: الهيدروجين المعدني. تحت ضغوط عالية بما فيه الكفاية ، مثل تلك التي يعتقد أنها موجودة في قلب المشتري ، يعتقد أن ذرات الهيدروجين أحادية البروتون تعمل كمعدن قلوي. ولكن لم ينجح أي شخص على الإطلاق في توليد ضغوط عالية بما يكفي لإثبات التأثير في المختبر من قبل. هذا العام ، قال الفريق إنهم رأوه عند 425 جيجا باسكال (4.2 مليون مرة من الضغط الجوي للأرض على مستوى سطح البحر). ولكن لا يشتري الجميع هذا الادعاء.
اقرأ المزيد عن الهيدروجين المعدني.
لقد رأينا السلاحف الكمومية
انطلق كتلة من الذرات فائقة البرودة مع مجال مغناطيسي ، وسترى "الألعاب النارية الكمومية": نفاثات الذرات تطلق في اتجاهات عشوائية على ما يبدو. اشتبه الباحثون في أنه قد يكون هناك نمط في الألعاب النارية ، ولكن لم يكن واضحًا فقط من النظر. بمساعدة الكمبيوتر ، اكتشف الباحثون شكلاً لتأثير الألعاب النارية: سلحفاة كمومية. لا أحد يعرف بعد لماذا يأخذ هذا الشكل.
اقرأ المزيد عن السلاحف الكمومية.
الكمبيوتر الكمومي الصغير عاد بالزمن
من المفترض أن يتحرك الزمن في اتجاه واحد فقط: إلى الأمام. انسكب بعض الحليب على الأرض ، ولا توجد طريقة لتجفيف الأوساخ تمامًا وإرجاع نفس الحليب النظيف مرة أخرى إلى الكوب. لا تنتشر دالة الموجة الكمومية المنتشرة.
باستثناء هذه الحالة ، فعلت ذلك. باستخدام حاسوب كمومي صغير يتألف من 2 كيلو بايت ، تمكن الفيزيائيون من كتابة خوارزمية يمكنها إعادة كل تموج من الموجة إلى الجسيم الذي أنشأها - مما يؤدي إلى فك الحدث وإرجاع سهم الزمن بشكل فعال.
اقرأ المزيد عن عكس سهم الوقت.
شهد كمبيوتر كمومي آخر 16 العقود الآجلة
ميزة لطيفة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، التي تعتمد على التراكبات بدلاً من 1s و 0s ، هي قدرتها على إجراء حسابات متعددة في وقت واحد. هذه الميزة معروضة بالكامل في محرك تنبؤ كمي جديد تم تطويره في عام 2019. ومحاكاة سلسلة من الأحداث المتصلة ، تمكن الباحثون وراء المحرك من ترميز 16 مستقبلًا محتملاً في فوتون واحد في محركهم. الآن هذا تعدد المهام!
اقرأ المزيد عن العقود المستقبلية الـ 16 المحتملة.
