استخدم الفيزيائيون تقنيات الكم المتقدمة لاختبار التنبؤات من نظرية عمرها عقود.
عند النقطة التي تتغير فيها المادة من مرحلة إلى أخرى، يمكن لمواد مختلفة تمامًا أن تبدأ فجأة في اتباع نفس القواعد الرياضية. اقتراب الماء من الغليان وفقدان المغناطيس لمغناطيسيته من الأمثلة المألوفة على التحولات الطورية.
يوضح جيسون أليسيا، أستاذ الفيزياء النظرية في جامعة ويليام ك. ديفيس: “يطلق الفيزيائيون على هذه السمة اسم “العالمية”، حيث تختفي التفاصيل المجهرية الفوضوية ولا يبقى سوى عدد قليل من الميزات الأساسية. يصف الفيزيائيون الكثير من هذا السلوك العالمي باستخدام إطار رياضي يُعرف باسم نظرية المجال المطابق.
في العمل ذكرت في المجلة طبيعة، انضمت المجموعة التجريبية لأستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا مانويل إندريس ومجموعة نظرية أليسيا إلى الباحثين في جامعة باريس ساكلاي والجامعة التقنية في ميونيخ للتحقيق التجريبي في نظريتين مختلفتين للمجال المطابق باستخدام أجهزة محاكاة الكم، وهي أنظمة متخصصة تتعلق بأجهزة الكمبيوتر الكمومية المصممة لمهام معينة.
باستخدام التكنولوجيا التي تم تطويرها لهذه المحاكيات، قام الباحثون لأول مرة بقياس مستويات الطاقة في المادة الكمومية الاصطناعية التي تنبأت بها نظريات إيسينج ونظريات إيسينج ثلاثية الحرج. (يشير إيسينج إلى إرنست إيسينج، الفيزيائي الذي تمكن في العشرينيات من القرن العشرين من حل نموذج مبكر للمغناطيسية). وتصف كلتا النظريتين السلوك العالمي الذي يظهر عندما يصل نظام كمي، له خصائص مثل التشابك والتراكب، إلى نقطة حرجة بين حالتين، حيث تكون إحداهما أكثر انتظامًا من الأخرى.
على عكس التحول اليومي مثل تحول الماء إلى بخار، فإن هذا التغيير ينتج بالكامل عن طريق التأثيرات الكمومية بدلاً من درجة الحرارة، على الرغم من أنه يحدث بالقرب من الصفر المطلق. عند هذه النقطة الحرجة، يمكن لأشعة الليزر أن تثير النظام إلى سلسلة من الطاقات المتميزة التي تشبه درجات السلم. تقول أليسيا: “إن مستويات الطاقة التي تنبأت بها هذه النظريات مهمة لأنها تشفر معلومات عميقة حول النظريات نفسها”.
تضع أجهزة المحاكاة الكمومية التنبؤات القديمة على المحك
لمدة 40 عامًا تقريبًا، استخدم الفيزيائيون نظريات المجال المطابق للتنبؤ بالنسب الدقيقة التي تفصل بين مستويات الطاقة هذه. ومع ذلك، حتى الآن، لم يتم قياس هذه المسافات بشكل تجريبي.
يقول شيانجكاي صن، المؤلف الرئيسي المشارك للدراسة الجديدة وطالب دراسات عليا يعمل في مختبر إندريس: “أدواتنا الجديدة مستوحاة من منصات الحوسبة الكمومية”. “على مدى السنوات العشر الماضية، تعلم الناس التحكم في هذه الأنظمة، والآن وصلنا إلى النقطة حيث يمكننا استخدامها لإجراء أبحاث الفيزياء الأساسية.”
قام الباحثون ببناء نظامهم الكمي باستخدام التكنولوجيا التي يستخدمها مختبر إندريس أيضًا لأجهزة الكمبيوتر الكمومية: مصفوفات من الذرات المحايدة التي يتم تثبيتها في مكانها بواسطة أشعة الليزر تسمى الملقط البصري. قام نظام ذري محايد ذو صلة في المختبر مؤخرًا باحتجاز 6100 ذرة في مصفوفة واحدة. على الرغم من أن مصفوفات الملقط الضوئية قد تم تطويرها إلى حد كبير من أجل الحوسبة الكمومية، إلا أن الباحثين استخدموا نفس التقنية هنا للتحقيق في مشكلة أساسية في الفيزياء.
كشفت السلاسل الذرية عن الطيف المتوقع
بدأت التجربة بترتيب ذرات السترونتيوم في خط باستخدام الملقط البصري. دفعت أشعة الليزر الإضافية الذرات إلى حالات ريدبيرج عالية الطاقة، مما تسبب في تفاعل الذرات المجاورة بقوة. هذه التفاعلات جعلت السلسلة بأكملها تتصرف بشكل جماعي بدلًا من أن تكون جسيمات منفصلة. ثم قام الباحثون بتعديل أشعة الليزر حتى وصل النظام إلى النقطة الحرجة التي تنبأت بها النظرية.
ولقياس مستويات الطاقة فيه، طوروا طريقة تسمى التحليل الطيفي لتعديل الأجسام المتعددة. قام الباحثون بقيادة السلسلة الذرية بأكملها بلطف عن طريق تغيير أشعة الليزر بترددات مختارة وسجلوا مدى قوة استجابة الذرات. ومن خلال المسح عبر الترددات وتحديد قمم الاستجابة، أعادوا بناء سلم الطاقة. تشبه الفكرة فرك إصبع مبلل حول كأس نبيذ: يتردد صدى الزجاج عند تحريكه بالتردد الصحيح، لكنه يستجيب قليلاً للتردد الخطأ.
يقول صن: “لقد كررنا التجربة على سلاسل تصل إلى 35 ذرة، وظهرت الدرجات كما تنبأت نظرية المجال المطابق لإيسينج: انهارت الأطياف على منحنى عالمي واحد بمجرد إعادة قياس حجمها”. “ثم قمنا بضبط النقطة الثلاثية الحرجة وقمنا بقياس أدنى مستويات طيفها المتميز، والتي جاءت في النسب المختلفة التي تتنبأ بها النظرية.”
كشف التناظر عن نمط طاقة ثانٍ
ولأن الباحثين تمكنوا من التحكم في كل ذرة على حدة، فقد تمكنوا من إجراء قياسات قد تكون أصعب بكثير في المواد التقليدية. أدى فرز الإثارات حسب تماثلها إلى الكشف عن عائلة ثانية من مستويات الطاقة التي كانت مخفية في القياس الأولي. كما أدى تغيير الذرات الموجودة في طرفي السلسلة إلى إعادة ترتيب سلم الطاقة، مما أدى إلى إنتاج أنماط مختلفة تنبأت بها نظرية إيسينج ثلاثية الحرجة.
تقول أليسيا: “على الرغم من أننا نعتقد أن هذه النظريات صحيحة، فمن المهم أن يكون لدينا إدراك تجريبي، وهو شيء يمكنك حثه وحثه”. “إن رؤية هذه التوقعات تتحقق هو شيء جميل.”
يمكن للأنظمة الأكبر حجمًا استكشاف فيزياء غير معروفة
ويخطط الباحثون بعد ذلك لتوسيع النهج من سلاسل الذرات أحادية البعد إلى أنظمة أكبر مرتبة في شبكات. يقول صن: “في البعدين، نظريات المجال المطابق ليست مفهومة جيدًا، لذا فهذه فرصة مثيرة”.
يقول إندريس: “ما يثير اهتمامي هو أن هذه التقنية لا تتطلب معرفة الإجابة مسبقًا. وهنا يمكننا التحقق من قياساتنا ومقارنتها بالتنبؤات الدقيقة”. “الخطوة التالية هي الإشارة إلى الأنظمة التي لا يعرف أحد فيها استجابة النظام من الناحية الكمية، بما في ذلك الأنظمة التي لا تستطيع أجهزة الكمبيوتر التقليدية الوصول إليها.”
المرجع: “ملاحظة أطياف نظرية المجال المطابق في جهاز محاكاة الكم” بقلم Xiangkai Sun (孙向恺)، Yuan Le (乐媛)، Stephen Naus، Richard Bing-Shiun Tsai، Lewis RB Picard، Sara Murciano، Michael Knap، Jason Alicea and Manuel Endres، 19 أغسطس 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10904-x
بتمويل من وزارة الطاقة الأمريكية، بما في ذلك مسرع الأنظمة الكمومية ومركز علوم الكم التابع لها؛ مؤسسة العلوم الوطنية، بما في ذلك معهد المعلومات الكمومية والمادة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (IQIM)؛ مكتب أبحاث الجيش؛ وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة؛ مكتب القوات الجوية للبحث العلمي؛ مؤسسة جوردون وبيتي مور؛ و Deutsche Forschungsgemeinschaft.
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
كاتب المصدر:
Whitney Clavin, California Institute of Technology
