«ميكانيكا الكم-Quantum Mechanic» هي فرع من الفيزياء الحديثة يقوم بوصف تصرفات الجسيمات دون الذرية Sub-Atomic Particles مثل الإلكترونات Electrons و الفوتونات Photons و غيرها.
ميكانيكا الكم تمتلك بعض الصفات و الحالات الكمية الغريبة, مثل إمكانية تواجد جسيم واحد بمكانين في نفس اللحظة, وذلك أشبه بوجودك في المطبخ و عرفة نومك في نفس اللحظة. رغم غرابة هذا فهذه الخاصية والتي تعرف بالتراكب الكمي Quantum Superposition أيدتها تجارب عديدة, ومع أنه لا يمكننا تخيل هذه الصفة الغريبة لكنها مقبولة بين الفيزيائيين بسبب تأييد التجارب لها.
عندما يكون لدينا أكثر من جسيم, مثل وجود جسيمين أو أكثر تُكَون هذه الجسيمات ما يعرف النظام الكمي Quantum System.
من المستحيل “تقنيا” الحصول علي جميع المعلومات حول نظام كمي كبير يتكون من مئات أو آلاف الجسيمات. لكن هنالك تقنية جديدة تمكننا من وصف النظام الكمي من خلال بضع قياسات قليلة.
لوقتٍ طويل كانت التجارب تجري علي رقم صغير من الجسيمات, حتي سلوك ذرة وحيدة أو جزئ منفرد قد يكون صعب الوصف. لكن اليوم يمكن التحكم في آلاف الذرات في التجارب, لكن بالنسبة للحسابات النظرية فهذا يسبب مشاكل حقيقة.
في المجلة العلميةNature Communications قام علماء من جامعة فيينا التقنية TU Wien والجامعة الحرة في برلين Free University of Berlin بتقديم «طريقة القياس المقطعي الكمي-Quantum tomography method». ببساطة
هي طريقة تمكننا من وصف و قياس أنظمة كمية كبيرة بدقة عالية من خلال بضع قياسات قليلة.
الفكرة وراء تلك التقنية بسيطة: بالرغم من أن النظام يمكنه الوجود في حالة من حالات تراكب الخواص -و التي لا يمكننا تخيلها بسبب امتلاك النظام خصائص مختلفة في نفس اللحظة مثل وجود الإلكترون في أكثر من مكان في نفس اللحظة- فيمكننا إهمال العديد من تلك الخواص المتراكبة.
في الحياة اليومية عندما تلقي عملة معدنية فالنتيجة أما صورة Head أو كتابة Tail, لكن تصرف الجسيمات دون الذرية أكثر تعقيداً من ذلك. حيث أن النظام الكمي يمكنه الوجود في حالتين مختلفين, أو في مزيج بينهما (قد يكون صورة Head و كتابة Tail في نفس اللحظة) ولذلك وصف حالة الجسيمات أعقد من وصف حالة العملة المعدنية .
يقول جورج شميدماير Jörg Schmiedmayer البروفسور في مركز فيينا لعلوم الكم و التكنولوجيا في جامعة فيينا التقنية:
“كلما كان عدد الجسيمات أكثر, كان وصف النظام أصعب. وبالنسبة لنظام مكون من مئات الجسيمات فالحالات الكمية الممكنة لهذا النظام تفوق عدد الذرات في الكون كله. و من المستحيل كتابة هذه الحالات وإجراء الحسابات عليها”
لكن معرفة الحالة كمية ليس دائماً ضرورياً. الطريقة النظرية الجديدة و التي تم تطويرها في برلين علي يد الفريق البحثي بقيادة جينس إيسرت Jens Eisert والتي تستخدم طريقة جديدة في وصف الأنظمة الكمية وتدعى continuous matrix product states وتعني “حالات حاصل المصفوفات المتتابعة “و تعرف إختصارا بcMPS. وهذا النوع من الحالات الكمية يمثل جزء صغير من الحالات الكمية الممكنة، لكن من وجهة نظر فيزيائية فهي مهمة. لكل حالة كمية ممكنة, توجد cMPS قريبة من الحالة الكمية الحقيقية.
الأمر يشبه الكسور Fractions في الرياضيات, حيث توجد العديد من الأرقام النسبية Rational Numbers (الأرقام التي يمكن كتابتها في صورة كسر) وبالرغم من أنها تمثل جزء بسيط من الأرقام الحقيقية Real Numbers لكن حتي الأرقام الحقيقية والتي لا يمكن كتابتها في صورة كسور, يمكن أن نجد أرقام كسرية قريبة منها, مثل الثابت الرياضي «ط-Pi» حيث أنه رقم غير نسبي Irrational number ولكن يمكن أعتبار أن 22/7 تساويه –إعتباطاً- و سيكون الناتج واقعياً حيث أن الفرق بسيط جدا, وذلك كافٍ ومُرضٍ بالنسبة للإستخدامات الحياتية.
باستخدام تلك الطريقة يمكننا قراءة حالات الأنظمة الكمية الكبيرة, حيث أننا نحتاج فقط إلي عدد قليل من القياسات الدقيقة و التي سنتسخدمها في إيجاد حالة كمية قريبة من الواقع بما يكفي لنتوقع نتائج تجارب آتية.
الأمر يشبه جهاز التصوير المقطعي Tomography الموجود بالمستشفيات, حيث تستخدم عدة صور للجسم لتكوين نموذج ثلاثي الأبعاد للجسم البشري. وهذه التقنية الجديدة تستخدم بعض القياسات لتكون صورة عن حالة النظام الكمي، وذلك لا يفتح الباب أمام فيزياء كم متعددة الأجسام فحسب, بل يحسن من تقنيات المحاكاة للأنطمة الكمية، حيث أن بعض الأنظمة الكمية يصعب التحكم به في المعمل فيقوم الفيزيائون بدراسة نظام شبيه به (تحكمه نفس القواعد) مما يخبرنا الكثير عن النظام الأول.
ترجمة و إعداد: Alaa Adel
المصدر: http://goo.gl/aF2SHi
