تُكرّم جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2025 ثلاثة علماء فيزياء الكم – جون كلارك، وميشيل إتش. ديفوريت، وجون إم مارتينيس – لدراستهم ميكانيكا الكم في دائرة كهربائية مجهرية.
منذ الإعلان عن الجائزة، أحاطت الهتافات والإثارة بالمؤسسات المنزلية لهؤلاء الفائزين في بيركلي وسانتا باربرا ونيو هيفن.
يتزامن منح هذه الجائزة المرموقة للأبحاث الرائدة في فيزياء الكم مع الذكرى المئوية لميلاد ميكانيكا الكم – وهي نظرية علمية ثورية تشكل أساس الفيزياء الحديثة.
تمت صياغة ميكانيكا الكم في الأصل لشرح والتنبؤ بالسلوكيات المحيرة للذرات والجزيئات والجسيمات دون الذرية. ومنذ ذلك الحين، مهدت الطريق لمجموعة واسعة من التطبيقات العملية، بما في ذلك القياس الدقيق، وتكنولوجيا الليزر، والتصوير الطبي، وربما الأكثر بعيدة المدى، الأجهزة الإلكترونية شبه الموصلة ورقائق الكمبيوتر.
ومع ذلك، ظلت جوانب عديدة من العالم الكمي غامضة لفترة طويلة بالنسبة للعلماء والمهندسين. من وجهة نظر تجريبية، يشكل الحجم الصغير للجسيمات المجهرية تحديات كبيرة لدراسة القوانين الدقيقة لميكانيكا الكم في البيئات المختبرية.
وعود الآلات الكمومية
منذ العقود الأخيرة من القرن الماضي، سعى الباحثون في جميع أنحاء العالم إلى عزل الأجسام المادية الفردية والتحكم فيها وقياسها بدقة، مثل الفوتونات المفردة والأيونات الذرية، التي تعرض سلوكيات كمومية في ظل ظروف تجريبية محددة للغاية. وقد أدت هذه المساعي إلى ظهور مجال هندسة الكم الناشئ، والذي يهدف إلى الاستفادة من خصائص فيزياء الكم في الابتكارات التكنولوجية الرائدة.
واحدة من أكثر الاتجاهات الواعدة هي معالجة المعلومات الكمومية، والتي تهدف إلى تصميم وتنفيذ آلات يمكنها تشفير المعلومات ومعالجتها ونقلها والكشف عنها بطرق كمومية “غريبة”: على سبيل المثال، يمكن أن يكون الجسم في حالة تراكب لحالات مختلفة في نفس الوقت. يمكن للأجسام البعيدة أن تظهر التشابك الكمي – الارتباطات البعيدة التي تفلت من كل التفسيرات الكلاسيكية الممكنة. بالمقارنة مع أسلافها من الإلكترونيات التقليدية، يمكن لآلات المعلومات الكمومية أن تتمتع بمزايا في مهام محددة مثل الحساب، والمحاكاة، والتشفير، والاستشعار.
يتطلب تحقيق مثل هذه الآلات الكمومية أن يكون لدى المجربين إمكانية الوصول إلى مكونات فيزيائية موثوقة يمكن تجميعها والتحكم فيها على المستوى البشري، مع الالتزام الكامل بميكانيكا الكم. رغم أن الأمر قد يبدو غير بديهي، هل يمكننا كسر الحدود الضمنية للعالم الطبيعي وإدخال القوانين الفيزيائية المجهرية إلى الواقع العياني؟
ميكانيكا الكم في الدائرة الكهربائية
في عام 1985، قدم الحائزون على جائزة نوبل الثلاثة ــ الذين كانوا يعملون آنذاك في نفس المجموعة البحثية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ــ إجابة إيجابية على السؤال أعلاه. كانوا يدرسون الدوائر الكهربائية المصنوعة من الموصلات الفائقة. الموصلية الفائقة هي حالة خاصة من المادة تشتهر بتوصيل التيارات الكهربائية دون مقاومة، وذلك بسبب التفاعلات الميكانيكية الكمومية الأساسية للإلكترونات عند درجات حرارة منخفضة. ولأول مرة، لاحظ الثلاثي سلوكيات كمومية متميزة لمتغير فيزيائي مجهري.
في الموصل الفائق، يرتبط إلكترونين معًا لتكوين زوج كوبر. تتكثف أزواج الإلكترونات هذه في حالة مجهرية، والتي يمكن وصفها من خلال متغير طور جماعي مشترك بين جميع مكوناته المجهرية. في هذه الحالة، تتصرف تريليونات أو أكثر من الإلكترونات بشكل فعال ككيان واحد، يشبه المجموعات الجماعية من الذرات التي تشكل الأشياء اليومية مثل البندول أو كرات البلياردو.
لمراقبة الحركة الميكانيكية الكمومية لمتغير الطور العياني هذا، قام العلماء الثلاثة بتصنيع جهاز يسمى تقاطع جوزيفسون، والذي يتكون من قطعتين من الموصلات الفائقة مفصولة بطبقة عازلة أرق من 1/10000 من شعرة الإنسان. اكتشفوا أنه عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية (أقل من -273 درجة مئوية، أو -459 درجة فهرنهايت)، يُظهر فرق الطور المتغير عبر تقاطع جوزيفسون ظاهرة ميكانيكية كمومية فريدة تُعرف باسم النفق الكمي، حيث يمكن لجسم ما الهروب من حاجز دون الحاجة إلى تسلق قمته.
علاوة على ذلك، قام الفريق بتعريض تقاطع جوزيفسون للإشعاع الكهرومغناطيسي الميكروويف الذي يكون تردده قريبًا من إشارات الواي فاي. وقاموا بقياس مستويات الطاقة في الدائرة بقيم منفصلة أو كمية، والتي عادة ما تكون موجودة فقط في الذرات والجزيئات المجهرية. وبالتالي يمكن الإشارة إلى الجهاز المستخدم في هذه التجارب باسم “ذرة اصطناعية” – على وجه التحديد، دائرة كهربائية ذات خصائص شبيهة بالذرة، وهي في نفس الوقت مجهرية في الحجم، وقابلة للتعديل في التصميم، وميكانيكية الكم بطبيعتها.
التداعيات والتوقعات
كان للأعمال الرائدة التي قام بها كلارك وديفوريت ومارتينيز العديد من التأثيرات العميقة. وعلى المستوى الأساسي، اقترحوا أن الظواهر الكمومية المتميزة – التي كان يُعتقد في السابق أنها موجودة فقط على المستوى المجهري – يمكن أن تظهر في الواقع على مستويات فيزيائية أكبر بكثير. وفي غضون ذلك، فتح اختراع الذرات الاصطناعية فائقة التوصيل آفاقًا جديدة تمامًا نحو بناء آلات كمومية مفيدة ذات تقنيات هندسية متقدمة.
بناءً على هذه الاكتشافات، حقق الباحثون – بما في ذلك الحائزون على جائزة نوبل ومجموعاتهم البحثية – إنجازات كبيرة في بناء نماذج أولية لأجهزة الكمبيوتر الكمومية باستخدام دوائر كمومية فائقة التوصيل في العقود التي تلت ذلك. وحدة الجهاز الأولية التي تشكل معالجات المعلومات هذه هي البت الكمي فائق التوصيل، أو “qubit” للاختصار. كل كيوبت فائق التوصيل عبارة عن ذرة اصطناعية تحتوي على واحد أو أكثر من تقاطعات جوزيفسون. يمكن تحضير حالتها الكمومية ومعالجتها وقياسها بدقة بواسطة المجربين. يعد الكمال والتكامل بين البتات الكمومية فائقة التوصيل من بين أحدث التحديات في تكنولوجيا المعلومات الكمومية.
تُكرّم جائزة نوبل للفيزياء لعام 2025 الأبحاث الأصلية في التقاطع بين العلوم الأساسية والتطبيقية. اختبر الفائزون بالجائزة فرضيات ميكانيكا الكم العميقة من خلال تجارب واضحة وصارمة.
ومن تلك الذرات الاصطناعية انبثقت الجهود الجريئة والتقدم السريع في بناء آلات عملية للمعلومات الكمومية. لقد أدى الجمع بين الاستفسارات الفكرية البحتة والتقدم الهندسي إلى تشكيل هذا المجال متعدد التخصصات منذ إنشائه.
ولذلك فإن جائزة نوبل هذه هي تكريم للمخترعين الثلاثة للدوائر الكمومية فائقة التوصيل، الذين تمثل عقولهم الفضولية ورؤاهم الواسعة ومواقفهم المغامرة الروح العلمية الحقيقية وستستمر في إلهام الأجيال القادمة.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: تشيكسين وانغ، جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا
اقرأ المزيد:
لا يعمل Zhixin Wang لدى أي شركة أو مؤسسة أو يستشيرها أو يمتلك أسهمًا فيها أو يتلقى تمويلًا منها قد تستفيد من هذه المقالة، ولم يكشف عن أي انتماءات ذات صلة بعد تعيينه الأكاديمي.