يتناول مقال جاكلين كوان في مجلة New Scientist فكرة “الأبدية الكمومية”، أي إمكانية وجود حالات كمومية تبقى مستقرة لفترات طويلة جدًا وربما إلى الأبد، عبر ظاهرة تُعرف باسم التموضع متعدد الأجسام MBL. ينطلق المقال من التوتر بين هذه الفكرة وبين الديناميكا الحرارية التي تفترض أن الأنظمة تميل مع الزمن إلى الفوضى والاتزان الحراري، ثم يشرح كيف اقترح فيليب أندرسون منذ عام 1958 أن الاضطراب داخل المواد قد يحاصر الإلكترونات ويمنعها من الحركة، ما يفتح الباب أمام حالات كمومية متجمدة. ورغم أن شكوكًا كبيرة ظهرت لاحقًا بسبب “الانهيارات الحرارية” والرنينات التي قد تزعزع هذه الحالات، فإن تجارب حديثة على الذرات فائقة البرودة والكيوبتات فائقة التوصيل، منها تجارب في كوريا وغوغل، تشير إلى أن التموضع قد يستمر إذا جرى التحكم في الاضطراب بدقة. ويخلص المقال إلى أن الطريق نحو إثبات وجود حالات كمومية دائمة ما زال طويلًا، لكنه قد يفتح آفاقًا هائلة في صناعة مواد جديدة، وتطوير الحواسيب الكمومية، وتخزين المعلومات الكمومية، والساعات فائقة الدقة.
A quantum state that lasts forever may finally be within our grasp
يقولون إن لا شيء يدوم إلى الأبد، لكن من قال إنهم يعرفون؟ صحيح أن مرور السنوات يبهت النقوش على التماثيل، وأن ألوان اللوحات تتقشر مع الزمن، وحتى أقوى القلاع تنهار في النهاية. لكن هذه كلها سمات العالم كما نعرفه على المستوى البشري. أما في العالم الكمومي، فالأمور تعمل بطريقة مختلفة قليلًا.
منذ ما يقرب من سبعين عامًا، يلاحق الفيزيائيون حلم “الأبدية الكمومية”: ترتيب من الذرات يتموضع بطريقة تجعل الحالات الكمومية بينها متجمدة إلى الأبد، كأنها ضوء يرتد بلا نهاية داخل قاعة مرايا لا تنتهي. وإثبات إمكانية وجود شيء كهذا لن يكون مجرد إنجاز علمي مذهل، بل سيكون مفيدًا للغاية أيضًا. فالحالات الكمومية التي تدوم إلى الأبد، أو حتى لفترات طويلة جدًا، قد تمكّننا من إنشاء حالات جديدة تمامًا من المادة، قد يشكل بعضها أساسًا لحواسيب كمومية قوية. يقول الفيزيائي الرياضي فويتشيك دي رويك من جامعة KU Leuven في بلجيكا: “سيفتح ذلك الباب أمام فئة جديدة تمامًا من الأطوار التي يستحيل وجودها بطريقة أخرى”.
لكن هناك سبب وجيه جعل الأبدية تبدو دائمًا بعيدة المنال. فالديناميكا الحرارية، وهي إحدى الركائز الأساسية للفيزياء النظرية الحديثة، تؤكد أن التفاصيل الدقيقة للأشياء تُمحى في النهاية دائمًا. وحتى وقت قريب، لم تفعل محاولات الفيزيائيين لدراسة الأبدية الكمومية سوى تأكيد هذه الحقيقة التي بدت حتمية. أما الآن، فيبدو أن الأمور بدأت تتغير، إذ تشير تجارب قوية إلى أن الأبدية قد لا تكون بعيدة عن متناولنا.
إحدى القواعد التي تحكم الواقع هي أن الأشياء تميل إلى أن تصبح أكثر فوضوية مع مرور الوقت، ما لم تُبذل طاقة للتدخل. هذه حقيقة مألوفة في الحياة عمومًا، لكنها أيضًا افتراض أساسي تقوم عليه الديناميكا الحرارية، أي فيزياء الحرارة والعمل والطاقة. فهي تفسر لماذا يتحول الحليب عند سكبه في القهوة إلى لون كريمي موحد، حتى من دون تحريك. وعلى نطاق أوسع، تقول النظرية إن جميع الأنظمة تصل في النهاية إلى حالة من “الاتزان الحراري”، أي إن الأجزاء المختلفة للأشياء تختلط وتتحول إلى متوسطات عامة.
وبناءً على ذلك، قد تظن أن لا شيء يمكن أن يستمر إلى الأبد. لكن في عام 1958، اقترح الفيزيائي فيليب أندرسون استثناءً لافتًا في عالم المواد. ولتخيل الفكرة، يمكن النظر إلى داخل المادة باعتباره شبكة من أنواع مختلفة من الذرات، قد تكون مرتبة بدرجات متفاوتة. فالبلورات، مثلًا، تميل إلى امتلاك نمط ثلاثي الأبعاد متكرر بدقة من الذرات، بينما تكون الذرات في مواد أخرى، مثل الزجاج، شديدة الاضطراب. كما يمكن للمواد أن تحتوي على جسيمات وموجات، مثل الإلكترونات أو الضوء، تتحرك داخلها.
تخيل أندرسون أخذ بلورة وإدخال قدر من الاضطراب إليها، كأن تُضاف شوائب مثلًا، أو تُزاح بعض الذرات قليلًا عن مواقعها. واعتقد أن هناك ترتيبات معينة يمكن فيها لإلكترون يتحرك على شكل موجة أن يتشتت مرارًا وتكرارًا بسبب هذا الاضطراب. عندها تلغي التموجات المتشتتة بعضها بعضًا بشكل كامل إلى درجة تمنع الإلكترون من الانتقال إلى أي مكان. يصبح الجسيم محاصرًا، وتتحول حالته الكمومية إلى حالة متجمدة في الزمن، على الأقل إلى أن تزول المادة نفسها من الوجود. وقد أثبت أندرسون نظريًا أن هذا يمكن أن يحدث، وهو ما منحه لاحقًا نصيبًا من جائزة نوبل في الفيزياء عام 1977. وبعد عقود، أثبتت التجارب صحة فكرته، وإن كان ذلك في مجموعات مبسطة من الذرات لم تكن فيها الجسيمات تتجاذب وتتدافع وتتبادل الطاقة كما يحدث في العالم الحقيقي.
ومع ذلك، تكهن أندرسون بأن هذا التأثير يمكن أن يحدث أيضًا في العالم الفوضوي للمواد الحقيقية، حيث تتدافع الجسيمات وتتجاذب بالفعل. وأصبحت فكرة أن الجسيم المحاصر يمكن أن يتجنب التحرر بفعل هذه التفاعلات، ويدخل بدلًا من ذلك في حالة متجمدة، تُعرف باسم “التموضع متعدد الأجسام” أو Many-Body Localisation، واختصارًا MBL. يقول دي رويك: “ينبغي أن تكون الفوضى موجودة في كل مكان. ينبغي أن تكون، إلى حد ما، أمرًا لا مفر منه. لكن هذه الأنظمة ذات التموضع متعدد الأجسام لا تُظهر فوضى”.
لقد جذب الوعد المغري بالأبدية اهتمام أجيال من الفيزيائيين، لكننا لم نحصل على أول إشارة جادة إلى أن التموضع متعدد الأجسام قد يكون ممكنًا فعلًا إلا في عام 2006. فقد بنى الفيزيائي دينيس باسكو من جامعة برينستون، وإيغور ألينر وبوريس ألتشولر من جامعة كولومبيا في نيويورك، وصفًا رياضيًا لمادة موصلة يمكن للإلكترونات أن تنزلق خلالها بسهولة. ثم أثبتوا رياضيًا أن تغيير بنية هذه المادة بحيث تصبح أكثر اضطرابًا يمكن أن يحاصر تلك الإلكترونات، مكونًا حالة من التموضع متعدد الأجسام، ومحولا المادة من موصل كهربائي إلى عازل.
لم يكن ذلك برهانًا تجريبيًا، لكنه رفع مكانة فكرة التموضع متعدد الأجسام. والأهم من ذلك أن العمل أشار إلى أننا إذا تمكنا من تحقيق هذه الحالة فعليًا، فإنها ستغير خصائص المواد على نحو جذري، وربما تنتج حالات جديدة تمامًا من المادة. ومن الأمثلة على ذلك “البلورة الزمنية” التي تصورها الفيزيائي فرانك ويلتشك في الأصل عام 2012، إلى جانب حالات أخرى عديدة قد تكون مفيدة لتقنيات مختلفة، من تخزين المعلومات الكمومية إلى الساعات فائقة الدقة.
لكن المشكلة في هذه الحالات أنها، رغم أن كثيرًا منها قد لُوحظ بالفعل، لا تدوم طويلًا. ولكي تستمر، نحتاج إلى تحقيق التموضع متعدد الأجسام بصورة كاملة. يقول الفيزيائي الرياضي فرانسوا هوفينيرز من كينغز كوليدج لندن: “لدينا كل هذه المسارات التي جرى استكشافها بالفعل، لكن هناك شكًا يظل مخيمًا عليها”.
منذ ما يقرب من سبعين عامًا، يلاحق الفيزيائيون حلم “الأبدية الكمومية”: ترتيب من الذرات يتموضع بطريقة تجعل الحالات الكمومية بينها متجمدة إلى الأبد، كأنها ضوء يرتد بلا نهاية داخل قاعة مرايا لا تنتهي. وإثبات إمكانية وجود شيء كهذا لن يكون مجرد إنجاز علمي مذهل، بل سيكون مفيدًا للغاية أيضًا. فالحالات الكمومية التي تدوم إلى الأبد، أو حتى لفترات طويلة جدًا، قد تمكّننا من إنشاء حالات جديدة تمامًا من المادة، قد يشكل بعضها أساسًا لحواسيب كمومية قوية. يقول الفيزيائي الرياضي فويتشيك دي رويك من جامعة KU Leuven في بلجيكا: “سيفتح ذلك الباب أمام فئة جديدة تمامًا من الأطوار التي يستحيل وجودها بطريقة أخرى”.
لكن هناك سبب وجيه جعل الأبدية تبدو دائمًا بعيدة المنال. فالديناميكا الحرارية، وهي إحدى الركائز الأساسية للفيزياء النظرية الحديثة، تؤكد أن التفاصيل الدقيقة للأشياء تُمحى في النهاية دائمًا. وحتى وقت قريب، لم تفعل محاولات الفيزيائيين لدراسة الأبدية الكمومية سوى تأكيد هذه الحقيقة التي بدت حتمية. أما الآن، فيبدو أن الأمور بدأت تتغير، إذ تشير تجارب قوية إلى أن الأبدية قد لا تكون بعيدة عن متناولنا.
إحدى القواعد التي تحكم الواقع هي أن الأشياء تميل إلى أن تصبح أكثر فوضوية مع مرور الوقت، ما لم تُبذل طاقة للتدخل. هذه حقيقة مألوفة في الحياة عمومًا، لكنها أيضًا افتراض أساسي تقوم عليه الديناميكا الحرارية، أي فيزياء الحرارة والعمل والطاقة. فهي تفسر لماذا يتحول الحليب عند سكبه في القهوة إلى لون كريمي موحد، حتى من دون تحريك. وعلى نطاق أوسع، تقول النظرية إن جميع الأنظمة تصل في النهاية إلى حالة من “الاتزان الحراري”، أي إن الأجزاء المختلفة للأشياء تختلط وتتحول إلى متوسطات عامة.
وبناءً على ذلك، قد تظن أن لا شيء يمكن أن يستمر إلى الأبد. لكن في عام 1958، اقترح الفيزيائي فيليب أندرسون استثناءً لافتًا في عالم المواد. ولتخيل الفكرة، يمكن النظر إلى داخل المادة باعتباره شبكة من أنواع مختلفة من الذرات، قد تكون مرتبة بدرجات متفاوتة. فالبلورات، مثلًا، تميل إلى امتلاك نمط ثلاثي الأبعاد متكرر بدقة من الذرات، بينما تكون الذرات في مواد أخرى، مثل الزجاج، شديدة الاضطراب. كما يمكن للمواد أن تحتوي على جسيمات وموجات، مثل الإلكترونات أو الضوء، تتحرك داخلها.
تخيل أندرسون أخذ بلورة وإدخال قدر من الاضطراب إليها، كأن تُضاف شوائب مثلًا، أو تُزاح بعض الذرات قليلًا عن مواقعها. واعتقد أن هناك ترتيبات معينة يمكن فيها لإلكترون يتحرك على شكل موجة أن يتشتت مرارًا وتكرارًا بسبب هذا الاضطراب. عندها تلغي التموجات المتشتتة بعضها بعضًا بشكل كامل إلى درجة تمنع الإلكترون من الانتقال إلى أي مكان. يصبح الجسيم محاصرًا، وتتحول حالته الكمومية إلى حالة متجمدة في الزمن، على الأقل إلى أن تزول المادة نفسها من الوجود. وقد أثبت أندرسون نظريًا أن هذا يمكن أن يحدث، وهو ما منحه لاحقًا نصيبًا من جائزة نوبل في الفيزياء عام 1977. وبعد عقود، أثبتت التجارب صحة فكرته، وإن كان ذلك في مجموعات مبسطة من الذرات لم تكن فيها الجسيمات تتجاذب وتتدافع وتتبادل الطاقة كما يحدث في العالم الحقيقي.
ومع ذلك، تكهن أندرسون بأن هذا التأثير يمكن أن يحدث أيضًا في العالم الفوضوي للمواد الحقيقية، حيث تتدافع الجسيمات وتتجاذب بالفعل. وأصبحت فكرة أن الجسيم المحاصر يمكن أن يتجنب التحرر بفعل هذه التفاعلات، ويدخل بدلًا من ذلك في حالة متجمدة، تُعرف باسم “التموضع متعدد الأجسام” أو Many-Body Localisation، واختصارًا MBL. يقول دي رويك: “ينبغي أن تكون الفوضى موجودة في كل مكان. ينبغي أن تكون، إلى حد ما، أمرًا لا مفر منه. لكن هذه الأنظمة ذات التموضع متعدد الأجسام لا تُظهر فوضى”.
لقد جذب الوعد المغري بالأبدية اهتمام أجيال من الفيزيائيين، لكننا لم نحصل على أول إشارة جادة إلى أن التموضع متعدد الأجسام قد يكون ممكنًا فعلًا إلا في عام 2006. فقد بنى الفيزيائي دينيس باسكو من جامعة برينستون، وإيغور ألينر وبوريس ألتشولر من جامعة كولومبيا في نيويورك، وصفًا رياضيًا لمادة موصلة يمكن للإلكترونات أن تنزلق خلالها بسهولة. ثم أثبتوا رياضيًا أن تغيير بنية هذه المادة بحيث تصبح أكثر اضطرابًا يمكن أن يحاصر تلك الإلكترونات، مكونًا حالة من التموضع متعدد الأجسام، ومحولا المادة من موصل كهربائي إلى عازل.
لم يكن ذلك برهانًا تجريبيًا، لكنه رفع مكانة فكرة التموضع متعدد الأجسام. والأهم من ذلك أن العمل أشار إلى أننا إذا تمكنا من تحقيق هذه الحالة فعليًا، فإنها ستغير خصائص المواد على نحو جذري، وربما تنتج حالات جديدة تمامًا من المادة. ومن الأمثلة على ذلك “البلورة الزمنية” التي تصورها الفيزيائي فرانك ويلتشك في الأصل عام 2012، إلى جانب حالات أخرى عديدة قد تكون مفيدة لتقنيات مختلفة، من تخزين المعلومات الكمومية إلى الساعات فائقة الدقة.
لكن المشكلة في هذه الحالات أنها، رغم أن كثيرًا منها قد لُوحظ بالفعل، لا تدوم طويلًا. ولكي تستمر، نحتاج إلى تحقيق التموضع متعدد الأجسام بصورة كاملة. يقول الفيزيائي الرياضي فرانسوا هوفينيرز من كينغز كوليدج لندن: “لدينا كل هذه المسارات التي جرى استكشافها بالفعل، لكن هناك شكًا يظل مخيمًا عليها”.
الانهيارات الحرارية
خلال العقد الماضي، ازدادت الشكوك حول التموضع متعدد الأجسام MBL عمقًا، نتيجة اكتشافات تمس اعتراضين أساسيين على الفكرة. يتعلق الاعتراض الأول بالحجم: قد تتمكن من استحداث التموضع متعدد الأجسام في زاوية صغيرة جدًا من مادة ما، لكن الديناميكا الحرارية تسمح أصلًا بكسر قواعدها في بقع صغيرة، لا في النظام ككل. ولكي يتحدى التموضع متعدد الأجسام الديناميكا الحرارية حقًا، لا بد أن يصمد داخل قطعة كبيرة من المادة، وهناك قدر هائل من عدم اليقين حول ما إذا كان ذلك ممكنًا. أما الاعتراض الثاني فيتعلق بالزمن: قد تراقب حالة تموضع لمدة عشر دقائق، أو ساعة، أو يوم كامل، لكن هل يمكنك أن تضمن أنها لن تختفي لو راقبتها ثانية واحدة إضافية؟
في عام 2018، توصل دي رويك وهوفينيرز إلى اكتشاف يتعلق بجانب الحجم في المسألة. فلكي يحدث التموضع متعدد الأجسام، لا بد أن يتخلل الاضطراب المادة. لكنهما أشارا إلى أنه، في الواقع، ستكون هناك دائمًا بقع صغيرة ومنتظمة على نحو غير معتاد، لا تتجمد فيها الجسيمات، بل تبقى حرة في الحركة وتبادل الطاقة. ثم أثبت دي رويك وهوفينيرز رياضيًا أن هذه البقع المنتظمة يمكن أن تغذي المناطق المتجمدة بالطاقة، فتزعزع حالة التموضع متعدد الأجسام. وسينتشر هذا التأثير بسرعة إلى أن لا تبقى أي حالات كمومية متجمدة. وقد أطلقا على هذه الآلية اسم “الانهيار الحراري”، وبدا أنها تلقي شكوكًا خطيرة حول قدرة التموضع متعدد الأجسام على الصمود في المواد الحقيقية.
ثم هناك مسألة الزمن المنفصلة. هل يمكن أن توجد آليات تقوض التموضع متعدد الأجسام، لكنها لا تظهر إلا إذا مُنحت وقتًا كافيًا؟ في عام 2024، حدد نيكولا لافلورنسي، وفابيان أليه، وجان كولبوا من جامعة تولوز في فرنسا، ظاهرة تُعرف باسم “الرنينات” قد تؤدي هذا الدور. ففي مادة ذات تموضع متعدد الأجسام، تبقى الذرات عادة مقيدة بمجموعة محددة من الخصائص الكمومية. ومع ذلك، نادرًا ما يكون هذا القيد كاملًا؛ إذ تظل هذه الخصائص تتغير تغيرًا طفيفًا للغاية مع مرور الوقت. ومن خلال هذا التغير، قد تتعثر المادة في ترتيب مختلف تمامًا، لكنه يمتلك بالصدفة الطاقة نفسها التي كانت لدى الحالة الابتدائية. وعندما يحدث ذلك، يمكن للحالتين أن تدخلا في حالة رنين أو تندمجا معًا، وهذه العملية يمكن أن تقوض المناطق النقية من التموضع متعدد الأجسام.
في عام 2018، توصل دي رويك وهوفينيرز إلى اكتشاف يتعلق بجانب الحجم في المسألة. فلكي يحدث التموضع متعدد الأجسام، لا بد أن يتخلل الاضطراب المادة. لكنهما أشارا إلى أنه، في الواقع، ستكون هناك دائمًا بقع صغيرة ومنتظمة على نحو غير معتاد، لا تتجمد فيها الجسيمات، بل تبقى حرة في الحركة وتبادل الطاقة. ثم أثبت دي رويك وهوفينيرز رياضيًا أن هذه البقع المنتظمة يمكن أن تغذي المناطق المتجمدة بالطاقة، فتزعزع حالة التموضع متعدد الأجسام. وسينتشر هذا التأثير بسرعة إلى أن لا تبقى أي حالات كمومية متجمدة. وقد أطلقا على هذه الآلية اسم “الانهيار الحراري”، وبدا أنها تلقي شكوكًا خطيرة حول قدرة التموضع متعدد الأجسام على الصمود في المواد الحقيقية.
ثم هناك مسألة الزمن المنفصلة. هل يمكن أن توجد آليات تقوض التموضع متعدد الأجسام، لكنها لا تظهر إلا إذا مُنحت وقتًا كافيًا؟ في عام 2024، حدد نيكولا لافلورنسي، وفابيان أليه، وجان كولبوا من جامعة تولوز في فرنسا، ظاهرة تُعرف باسم “الرنينات” قد تؤدي هذا الدور. ففي مادة ذات تموضع متعدد الأجسام، تبقى الذرات عادة مقيدة بمجموعة محددة من الخصائص الكمومية. ومع ذلك، نادرًا ما يكون هذا القيد كاملًا؛ إذ تظل هذه الخصائص تتغير تغيرًا طفيفًا للغاية مع مرور الوقت. ومن خلال هذا التغير، قد تتعثر المادة في ترتيب مختلف تمامًا، لكنه يمتلك بالصدفة الطاقة نفسها التي كانت لدى الحالة الابتدائية. وعندما يحدث ذلك، يمكن للحالتين أن تدخلا في حالة رنين أو تندمجا معًا، وهذه العملية يمكن أن تقوض المناطق النقية من التموضع متعدد الأجسام.
اختبار الأبدية
قد يبدو أن كل هذا يضرب أسس الأبدية الكمومية في الصميم. لكن التجارب التي أُجريت خلال السنوات القليلة الماضية بدأت الآن تروي قصة أكثر تفاؤلًا. فالكثير مما يعرفه الفيزيائيون عن التموضع متعدد الأجسام يأتي من النماذج الحاسوبية، لكن هذه النماذج لا يمكن أن تكبر كثيرًا قبل أن تصبح معقدة إلى درجة يصعب التعامل معها. وكان الحل الواضح هو إجراء تجارب حقيقية، لكن ذلك ظل دائمًا بعيد المنال. فلكي يختبر الفيزيائيون التموضع متعدد الأجسام على نحو صحيح، يحتاجون إلى إعداد حالات كمومية شديدة الحساسية، وتعريضها لاضطراب مضبوط بدقة، ثم مراقبة تطورها من دون أن يؤدي القياس نفسه إلى محو التأثير. ولم تصبح التجارب على الذرات فائقة البرودة، والأيونات المحصورة، والكيوبتات فائقة التوصيل، وهي اللبنات الأساسية للحواسيب الكمومية، دقيقة بما يكفي لهذه المهمة إلا مؤخرًا.
بدأ هذا التحول يعيد تشكيل المجال. خذ مثلًا دراسة نُشرت عام 2025 بقيادة جونهيك هور في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا، والتي اختبرت التموضع متعدد الأجسام في مصفوفات حقيقية من الذرات فائقة البرودة، بلغ حجمها شبكة من 24 في 24. يقول أليه، الذي لم يشارك في العمل: “هذه تجربة على نظام يمتلك حجمًا ومقياسًا زمنيًا أكبر مما يمكننا تحقيقه في المحاكاة”. ويعمل أليه ولافلورنسي كلاهما في طليعة مجال المحاكاة الحاسوبية، لكن هذه المحاكاة تبدأ في مواجهة صعوبات عندما تصل إلى نحو عشرين جسيمًا أو أكثر قليلًا.
قارن هور وفريقه بين نوعين من الاضطراب يمكن أن يؤثرا في المصفوفة. في النوع الأول، مُنحت كل ذرة طاقة عشوائية تمامًا. وأدى ذلك إلى إنتاج مشهد مرقّط: مناطق شديدة الاضطراب تتخللها امتدادات نظيفة على نحو غير معتاد، وهي بالضبط تلك البقع النادرة التي يُعتقد أنها تعمل كبذور لعملية الاتزان الحراري. أما في النوع الثاني، فقد اتبع الاضطراب نمطًا شبه عشوائي، أي إنه كان خاليًا تمامًا من أي بقع منتظمة.
ومع اختبار الفريق لمصفوفات أكبر فأكبر، أصبح التباين بين نوعي الاضطراب واضحًا بقوة. ففي حالة الاضطراب العشوائي، احتاجت الأنظمة الأكبر إلى اضطراب أقوى باستمرار لكي تبقى في حالة تموضع، وهي إشارة إلى أن التموضع متعدد الأجسام سيُمحى حتمًا مع ازدياد حجم الأنظمة. لكن في حالة الاضطراب شبه الدوري، لم يتغير الحد الفاصل تقريبًا مع ازدياد حجم المحاكاة. ويرى أليه أن الدلالة هنا هي أن تنظيم اضطراب المادة يمكن أن يساعد في تثبيت حالات التموضع متعدد الأجسام كلما كبرت المقاييس.
يقول آموس تشان من جامعة ووريك في المملكة المتحدة، وهو أحد المشاركين مع هور في الدراسة، إنه لم يتضح بعد ما الذي يدفع عملية الاتزان الحراري في حالة الاضطراب العشوائي، هل هي الانهيارات الحرارية، أم الرنينات، أم شيء آخر. لكنه يقول إن البيانات الأحدث التي قاسها الباحثون منذ نشر ورقتهم تزيد الثقة في أن التموضع يمكن أن يستمر في المصفوفات ثنائية الأبعاد عندما يُضبط الاضطراب بعناية. ورغم أن ذلك لا يُعد دليلًا حاسمًا على وجود التموضع متعدد الأجسام، فإنه يوضح لماذا تكتسب هذه الأجيال الجديدة من الأنظمة الكمومية التجريبية أهمية كبيرة: فهي تستطيع اختبار ما إذا كان التموضع متعدد الأجسام ينجو من الشيء الذي قد يدمره، أي الحجم.
أما التجربة الثانية، التي نُشرت بعد فترة وجيزة من دراسة هور وفريقه بواسطة مجموعة الحوسبة الكمومية التابعة لغوغل، فقد درست أنظمة تضم ما يصل إلى 70 كيوبتًا فائق التوصيل. ووجد الباحثون أنه عند مستوى متوسط من الاضطراب، استقر النظام في حالة غريبة تقع في المنتصف؛ ليست تموضعًا متعدد الأجسام بالمعنى الكامل، لكنها تقاوم الاتزان الحراري مع ذلك، وتُعرف باسم “الزجاج الكمومي”.
ويعمل فيزيائيون آخرون على مسار آخر قد يسمح لنا أخيرًا بتحديد وجود حالات التموضع متعدد الأجسام بدقة. ولفهم ذلك، من المفيد التفكير في الطريقة التي نعرّف بها حالات المادة. فلا أحد يثبت أن قطعة من الحديد مغناطيسية من خلال مراقبة كل ذرة فيها إلى نهاية الزمن. بدلًا من ذلك، ننظر إلى خاصية في الذرات تُسمى “اللف المغزلي الكمومي”. وعندما يصطف عدد كافٍ من هذه اللفات المغزلية، نقول إن المادة “غيّرت طورها” وأصبحت مغناطيسًا. ومؤخرًا، يحاول أليه ولافلورنسي وآخرون إيجاد طريقة مشابهة لتعريف التموضع متعدد الأجسام.
ولفعل ذلك، يدخلون إلى عالم الحالات الكمومية المجردة. فهم يأخذون في الاعتبار كل خاصية كمومية لكل ذرة في المادة، ثم يرسمونها على خريطة متعددة الأبعاد. في أي لحظة معينة، تمثل الحالة الكلية للمادة نقطة واحدة على هذه الخريطة، ومع مرور الوقت، ستتغير هذه النقطة وتستكشف تضاريس الخريطة. لكن الأمر الحاسم هو أن أليه ولافلورنسي وجدا في عام 2019 أن المادة التي تُظهر تموضعًا متعدد الأجسام لن تفعل ذلك. بل ستظل محصورة في بقع محددة من الخريطة، متجمدة داخل جزر صغيرة لا تملك وسيلة لاستكشاف ما يتجاوزها. ويُعرف هذا السلوك باسم “التعدد الكسري”، وإذا تصرفت مادة بهذه الطريقة، فإن ذلك يدل على أنها تُظهر حالة من التموضع متعدد الأجسام.
ومنذ عام 2019، عمل المنظرون على تحويل هذه الفكرة إلى شيء قابل للقياس. ففي عام 2025، طرحت ورقة بحثية لديفيد لوغان من معهد تاتا للبحوث الأساسية في مومباي، وسثيتادي روي من جامعة أكسفورد، اختبارًا ممكنًا في نظام من اللفات المغزلية الكمومية. يقوم الاختبار على إعداد اللفات المغزلية في نمط بسيط، مثل أن تكون متناوبة بين الأعلى والأسفل. ثم يُترك النظام ليتطور، وبعد ذلك يُسأل: كم بقي من ذلك النمط ظاهرًا في وقت لاحق؟ في نظام عادي يصل إلى الاتزان الحراري، ينبغي أن يتلاشى النمط، لكن إذا كان التموضع متعدد الأجسام موجودًا، فإن جزءًا من النمط يجب أن يبقى بعناد. يقول المنظر ديفيد هيوز من جامعة برينستون: “إن التعدد الكسري جذاب لأنه مرتبط بصورة مباشرة إلى حد ما بما تستطيع التجارب النظر إليه”. ويقول لافلورنسي إن مجموعته بدأت هذا العام البحث عن هذه البصمة باستخدام الذرات فائقة البرودة. ويضيف: “الفكرة هي البدء في اختبار هذا البعد متعدد الكسور تجريبيًا. إنه أمر مثير للغاية”.
أما هيوز، فمن جانبه، لا يزال يشك في أن تكون هذه التجارب هي القول الفصل. يقول: “ربما ما زلنا ننتظر نظريات كبرى في الفيزياء الرياضية تحسم كل هذه الخلافات في النهاية”. لكن ربما لا ينبغي أن يكون ذلك مفاجئًا. فلم يقل أحد إن الطريق إلى الأبدية الكمومية سيكون قصيرًا.
بدأ هذا التحول يعيد تشكيل المجال. خذ مثلًا دراسة نُشرت عام 2025 بقيادة جونهيك هور في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا، والتي اختبرت التموضع متعدد الأجسام في مصفوفات حقيقية من الذرات فائقة البرودة، بلغ حجمها شبكة من 24 في 24. يقول أليه، الذي لم يشارك في العمل: “هذه تجربة على نظام يمتلك حجمًا ومقياسًا زمنيًا أكبر مما يمكننا تحقيقه في المحاكاة”. ويعمل أليه ولافلورنسي كلاهما في طليعة مجال المحاكاة الحاسوبية، لكن هذه المحاكاة تبدأ في مواجهة صعوبات عندما تصل إلى نحو عشرين جسيمًا أو أكثر قليلًا.
قارن هور وفريقه بين نوعين من الاضطراب يمكن أن يؤثرا في المصفوفة. في النوع الأول، مُنحت كل ذرة طاقة عشوائية تمامًا. وأدى ذلك إلى إنتاج مشهد مرقّط: مناطق شديدة الاضطراب تتخللها امتدادات نظيفة على نحو غير معتاد، وهي بالضبط تلك البقع النادرة التي يُعتقد أنها تعمل كبذور لعملية الاتزان الحراري. أما في النوع الثاني، فقد اتبع الاضطراب نمطًا شبه عشوائي، أي إنه كان خاليًا تمامًا من أي بقع منتظمة.
ومع اختبار الفريق لمصفوفات أكبر فأكبر، أصبح التباين بين نوعي الاضطراب واضحًا بقوة. ففي حالة الاضطراب العشوائي، احتاجت الأنظمة الأكبر إلى اضطراب أقوى باستمرار لكي تبقى في حالة تموضع، وهي إشارة إلى أن التموضع متعدد الأجسام سيُمحى حتمًا مع ازدياد حجم الأنظمة. لكن في حالة الاضطراب شبه الدوري، لم يتغير الحد الفاصل تقريبًا مع ازدياد حجم المحاكاة. ويرى أليه أن الدلالة هنا هي أن تنظيم اضطراب المادة يمكن أن يساعد في تثبيت حالات التموضع متعدد الأجسام كلما كبرت المقاييس.
يقول آموس تشان من جامعة ووريك في المملكة المتحدة، وهو أحد المشاركين مع هور في الدراسة، إنه لم يتضح بعد ما الذي يدفع عملية الاتزان الحراري في حالة الاضطراب العشوائي، هل هي الانهيارات الحرارية، أم الرنينات، أم شيء آخر. لكنه يقول إن البيانات الأحدث التي قاسها الباحثون منذ نشر ورقتهم تزيد الثقة في أن التموضع يمكن أن يستمر في المصفوفات ثنائية الأبعاد عندما يُضبط الاضطراب بعناية. ورغم أن ذلك لا يُعد دليلًا حاسمًا على وجود التموضع متعدد الأجسام، فإنه يوضح لماذا تكتسب هذه الأجيال الجديدة من الأنظمة الكمومية التجريبية أهمية كبيرة: فهي تستطيع اختبار ما إذا كان التموضع متعدد الأجسام ينجو من الشيء الذي قد يدمره، أي الحجم.
أما التجربة الثانية، التي نُشرت بعد فترة وجيزة من دراسة هور وفريقه بواسطة مجموعة الحوسبة الكمومية التابعة لغوغل، فقد درست أنظمة تضم ما يصل إلى 70 كيوبتًا فائق التوصيل. ووجد الباحثون أنه عند مستوى متوسط من الاضطراب، استقر النظام في حالة غريبة تقع في المنتصف؛ ليست تموضعًا متعدد الأجسام بالمعنى الكامل، لكنها تقاوم الاتزان الحراري مع ذلك، وتُعرف باسم “الزجاج الكمومي”.
ويعمل فيزيائيون آخرون على مسار آخر قد يسمح لنا أخيرًا بتحديد وجود حالات التموضع متعدد الأجسام بدقة. ولفهم ذلك، من المفيد التفكير في الطريقة التي نعرّف بها حالات المادة. فلا أحد يثبت أن قطعة من الحديد مغناطيسية من خلال مراقبة كل ذرة فيها إلى نهاية الزمن. بدلًا من ذلك، ننظر إلى خاصية في الذرات تُسمى “اللف المغزلي الكمومي”. وعندما يصطف عدد كافٍ من هذه اللفات المغزلية، نقول إن المادة “غيّرت طورها” وأصبحت مغناطيسًا. ومؤخرًا، يحاول أليه ولافلورنسي وآخرون إيجاد طريقة مشابهة لتعريف التموضع متعدد الأجسام.
ولفعل ذلك، يدخلون إلى عالم الحالات الكمومية المجردة. فهم يأخذون في الاعتبار كل خاصية كمومية لكل ذرة في المادة، ثم يرسمونها على خريطة متعددة الأبعاد. في أي لحظة معينة، تمثل الحالة الكلية للمادة نقطة واحدة على هذه الخريطة، ومع مرور الوقت، ستتغير هذه النقطة وتستكشف تضاريس الخريطة. لكن الأمر الحاسم هو أن أليه ولافلورنسي وجدا في عام 2019 أن المادة التي تُظهر تموضعًا متعدد الأجسام لن تفعل ذلك. بل ستظل محصورة في بقع محددة من الخريطة، متجمدة داخل جزر صغيرة لا تملك وسيلة لاستكشاف ما يتجاوزها. ويُعرف هذا السلوك باسم “التعدد الكسري”، وإذا تصرفت مادة بهذه الطريقة، فإن ذلك يدل على أنها تُظهر حالة من التموضع متعدد الأجسام.
ومنذ عام 2019، عمل المنظرون على تحويل هذه الفكرة إلى شيء قابل للقياس. ففي عام 2025، طرحت ورقة بحثية لديفيد لوغان من معهد تاتا للبحوث الأساسية في مومباي، وسثيتادي روي من جامعة أكسفورد، اختبارًا ممكنًا في نظام من اللفات المغزلية الكمومية. يقوم الاختبار على إعداد اللفات المغزلية في نمط بسيط، مثل أن تكون متناوبة بين الأعلى والأسفل. ثم يُترك النظام ليتطور، وبعد ذلك يُسأل: كم بقي من ذلك النمط ظاهرًا في وقت لاحق؟ في نظام عادي يصل إلى الاتزان الحراري، ينبغي أن يتلاشى النمط، لكن إذا كان التموضع متعدد الأجسام موجودًا، فإن جزءًا من النمط يجب أن يبقى بعناد. يقول المنظر ديفيد هيوز من جامعة برينستون: “إن التعدد الكسري جذاب لأنه مرتبط بصورة مباشرة إلى حد ما بما تستطيع التجارب النظر إليه”. ويقول لافلورنسي إن مجموعته بدأت هذا العام البحث عن هذه البصمة باستخدام الذرات فائقة البرودة. ويضيف: “الفكرة هي البدء في اختبار هذا البعد متعدد الكسور تجريبيًا. إنه أمر مثير للغاية”.
أما هيوز، فمن جانبه، لا يزال يشك في أن تكون هذه التجارب هي القول الفصل. يقول: “ربما ما زلنا ننتظر نظريات كبرى في الفيزياء الرياضية تحسم كل هذه الخلافات في النهاية”. لكن ربما لا ينبغي أن يكون ذلك مفاجئًا. فلم يقل أحد إن الطريق إلى الأبدية الكمومية سيكون قصيرًا.