“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
فيزياء الكم هي ما أسميه «علماً وجودياً». إنه علم يضعنا في تواصل مباشر مع غرابة الكون وعظمته.
وهي أيضاً «علم مفيد». تَعِد بتقنيات ستخلق صناعات بمليارات أو تريليونات الدولارات.
لكنّه بالطبع علم يُساء فهمه. أقل من جزء من مائة من واحد بالمائة من البشر يمكنه أن يشرح ما هو الكم فعلاً أو إلى أين يتجه. هدف هذا الدرس هو أن يجعلك واحداً من القادرين على ذلك.
ماذا يعني «الكم»
الكم يعني «على أجزاء». عندما بدأ العلماء العمل مع الأشياء الصغيرة كالإلكترونات والفوتونات، شاهدوا سلوكيات غير بديهية، أسموها سلوكيات «كمومية». لم تتناسب هذه السلوكيات مع نموذج العالم الذي عرفناه.
على سبيل المثال، يقول نموذجنا القديم إن للأشياء خصائص محددة جيداً، كالموقع، ويمكننا قياس هذا الموقع في كل الأوقات. ومع ذلك، وجدنا أن الإلكترونات لا تتصرف هكذا. تتصرف وكأنها ليست في موقع محدد على الإطلاق. يمكن أن تكون لها آثار بعيدة المدى تثبت أنها تتصرف كسحابة أكثر منها كجسيم. صاغ العلماء هذا بـ التراكب، لأنه مفهوم يتجاوز «الموقع».
على مدى الـ 50 عاماً التالية، أدمج العلماء هذه الملاحظات في نموذج جديد كلياً للكون. هذا النموذج أكثر تساهلاً، فيسمح بأشياء لم نظن أنها ممكنة. على سبيل المثال، لا يتطلب من الإلكترونات والفوتونات أن يكون لها موقع أو اتجاه أو سرعة محددة.
تبيّن أن هذا النموذج الجديد أكثر دقة بكثير من القديم.
منذ ذلك الحين، استحوذ الكم على الفيزياء. في أكبر مؤتمر للفيزياء في العالم، قمة APS العالمية للفيزياء 2025، كان أكثر من 75% من العارضين مرتبطين بالكم.
ما الذي يفتحه الكم
الآن، تُؤتي ثمار 100 عام من التقدم في ميكانيكا الكم أُكلها. تقنيات كمومية جديدة تدخل السوق ويمكنها كسر كثير من الافتراضات التي حملناها عن العالم. إليك بعض الأمثلة.
تشخيصات أفضل
افترضنا أن هناك حداً لأصغر شيء يمكننا رؤيته بالضوء العادي. أسماه Ernst Abbe حد الانعراج. لرؤية شيء أصغر، اضطررنا إلى اختراع المجاهر الإلكترونية، حتى هذه لها حدودها الخاصة.
ابتُكرت مجاهر كمومية جديدة قادرة على كسر حدّ الحيود. تستخدم هذه المجاهر الخصائص الكمومية للضوء لرؤية أجسام بالغة الصغر تصل في صغرها إلى حجم الفيروسات.
حواسيب أسرع
كنا نعتقد أن هناك مسائل لا يمكن لأي حاسوب أن يحلّها أبداً. اثنتان من أبرز هذه المسائل هما:
- كسر كلمات السر "RSA" بطول 2048 بت، التي تُستخدم في جميع أنحاء الإنترنت.
- التنبؤ بالخصائص الجزيئية، وهو ما يسمح بتصميم فئات جديدة كلياً من الأدوية.
لكننا نعلم الآن أن كلتيهما ممكنة. بالطبع، كسر كلمات السر ليس نتيجة جيدة للعالم. ولذلك علينا أن نكون حذرين ومطّلعين جداً حول هذه التقنيات.
اتصالات آمنة
كنا نعتقد أنه إذا أرسلت معلومات عبر الإنترنت، فلا توجد طريقة لضمان عدم نسخها سرّاً من قبل أحدهم.
لكننا نعلم الآن أن الكم يتيح أوّل اتصالات في العالم لا يمكن التنصّت عليها.
ثلاثة مفاهيم أساسية
للكم ثلاثة مفاهيم أساسية فقط:
- القياس
- التراكب
- التشابك الكمومي
في الأدلة التالية، ستتعلم عن كل من هذه المفاهيم الأساسية بعمق.