التحرك في العالم الكمي

قد تكون محاكاة سلوك جسيم واحد مهمةً صعبةً جدًا في الفيزياء. على كلٍ؛ هو سلوك مايكروسكوبي، ولا يمكننا رؤيته في العالم الحقيقي.


يصبح الأمر أكثر تعقيدًا عندما ندرك أن الجسيم يتبع قوانين فيزياء الكم، والتي تسمح له بأن يتواجد في مكانين أو أكثر في نفس الوقت؛ من خلال ظاهرة تُعرف بالتراكب الكمي Quantum Superposition.


فهم كيف تتصرف الجسيمات الكمومية، هو أمرٌ ضروريٌ لتعزيز فهمنا الأساسي لقوانين الفيزياء. الدكتور C. M. Chandrashekar، وهو باحث في Thomas Busch’s Quantum Systems Unit، في معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا Okinawa Institute of Science and Technology، يقوم بعمل محاكاة، ويُجري دراسات تحليلية لفهم كيفية انتقال الجسيمات الكمومية المفردة.


وقد نُشرت دراسته في 10 أكتوبر 2014، في مجلة Nature العلمية.



الخطوة الأولى لمحاكاة فيزياء الكم، هي العثور على القوانين الأساسية التي تحكم حركة الجسيمات الكمومية، ثم التعمّق في التعقيد خطوة بخطوة.


في عمل الدكتور Chandrashekar، تسير الجسيمات على شبكة شعرية lattice عبارة عن مجموعة محددة من المسارات التي تشبه شبكة المدينة. كلما تحركت الجسيمات للأمام، كلما اقتربت من تقاطعات حيث يمكنها الذهاب لليمين أو اليسار. ولكن بموجب قوانين ميكانيكا الكم، هذه الجسيمات لا تملك الخيار؛ فيمكنها المتابعة في كلا الإتجاهين، والإنتهاء في مكانين مختلفين في آنٍ واحد.
يبدو مسار الجسيمات وكأنه شبكة متفرعة مع بعض المسارات المؤدية لنقطة بعيدة عليها، ومسارات أخرى متداخلة وتنتهي في نفس النقطة. يمكن أن تلغي المسارات التي تؤدي إلى نفس النقطة بعضها البعض فيما يُعرف باسم التداخل الهدّام Destructive Interference، أو يُجمعا معا فيما يُعرف باسم التداخل البنّاء Constructive Interference. هذه الحركة، حيث يتحرك الجسيم ويتعرض لتداخلات، تُعرف بين علماء الفيزياء بالمشي الكمي Quantum Walk. في نهاية المحاكاة، يجمع الدكتور Chandrashekar البيانات في توزيع إحتمالي؛ وهو رسم بياني يمثل احتمالات تواجد الجسيمات في كل نقطة على الشبكة الشعرية في أي لحظة في نفس الوقت.



قام الدكتور Chandrashekar بمحاكاة انتقال الجسيمات الكمومية على شبكات مختلفة، وتحليل التوزيعات الإحتمالية لكل واحدة. اهتمامه الأكبر ينصب على الشبكات الشعرية الأكثر تعقيدا، والتي تحتوي على تقاطعات مكسورة، حيث لا يُعد ممكنًا للجسيمات المضي قِدمًا.

لكل محاكاة، وجد الدكتور Chandrashekar طريقة لوصف ديناميكية الجسيمات رياضيًا، ووجد التوزيع الإحتمالي المطابق. وقال الدكتور Chandrashekar:
” هناك احتمال قوي بأن الجسيمات تتواجد في مكان واحد، بالرغم من إمكانية تواجدها في أي مكان، والتداخل الكمي هو الذي يسبب ذلك.”
وجود نموذج لهذه العملية يعني أنه يمكن عكس السير، ولذلك فهو يمكنه العمل للوراء من خلال التوزيع الإحتمالي للتنبؤ بالوضع المبدئي للجسيمات، والطريقة التي تتحرك بها.

يقول أيضا:
” أي مساحة متقطعة تمثل شبكة شعرية، ولكنها غالبًا ما تكون معقدةً إلى حد ما. ”
يمكن رسم أي مساحة متصلة على شكل قطع صغيرة جدا للتبسيط، ثم يمكن للدكتور Chandrashekar جعل الفجوات بين القطع متناهية في الصغر، وإجراء المحاكاة مرة أخرى.
ويقول أيضًا:
” في النهاية، جعلنا الفجوة بين القطع الصغيرة تؤول إلى الصفر، وكان لدينا خلفية فراغية متصلة. ”



فهم حركة الجسيمات الكمومية له مدى واسع من الآثار، وسوف يساعد في الدفع قدمًا بالأفكار في الحوسبة الكمومية؛ مما يسمح لأجهزة الكمبيوتر بالتخزين، وإجراء المزيد من العمليات على البيانات باستخدام نفس القدر من الذاكرة والطاقة. وسوف يساعد على فهم عمليات الانتقال الأساسية للإلكترونات أو الطاقة في الأنظمة المعقدة.



المحاكاة تستخدم شبكات شعرية سداسية تُلقي الضوء على أجزاء من علم النانو، مثل مصممين أنابيب الكربون النانوية، الذين يعتمدون على التركيب الذري السداسي للجرافين.


يقول الدكتور Chandrashekar:
” ترى بعض الملاحظات وتتساءل، ما الذي أدى إليها؟ المشي الكمي، قد يكون مسئولا عن بعض العمليات التي لم نفهمها حتى الآن. ”