من الفيزياء الذرية الى الحاسوبية الكمومية

كنت اريد ان اختم مادة (الفيزياء الذرية atomic physics) لهذا الفصل بمحاضرة قصيرة عن الحاسوبية الكمومية quantum computation.

و تاريخيا فان الفيزياء الذرية هى الميكانيك الكمومى و الميكانيك الكمومى هو الفيزياء الذرية.

اما فى هذا العصر فان رأس حربة الميكانيك الكمومى هو الحاسوبية الكموميى.

أهم و ابسط مفهوم فى الحاسوبية الكمومية هو مفهوم الكيوبت qubit بدون ادنى شك.

و هذا المفهوم يمكن تقديمه كتطبيق لما يسمى -فخ او شرك بول Paul trap- التى هى تقنية تسمح لنا بايقاع الشوراد او الايونات ions فى فخ او شرك اى حصرها فى موضع محدود فى الفضاء. هذا يسمى تفخيخ الايونات ion trapping. و تذكروا فان الشوارد -جمع شاردة- او الايونات -جمع ايون- هى ذرات مشحونة كهربائيا اى ذرات فقدت البعض من الكتروناتها.

اذن عندما يتم حصر شاردة فى موضع محدد من الفضاء فانها سوف تلعب دور الكيوبت (لانه لا يبقى لها الا حرية الدوران حول محورها الى اليمين او الى اليسار).

لكن الكيوبت هو شيء ابسط من كل هذه التجريبيات بكثير.

الكيوبت هو عبارة عن جملة تتميز بحالتين كموميتين مميزيتين فقط تسمى حالات المؤشر pointer states ولهذا فان فضاء هيلبرت Hilbert space بالنسبة للكيوبت هو فضاء شعاعى مركب ببعدين.

وهذه هى بالضبط خاصية السبين spin اى عزم اللف الذاتى.

اذن السبين هو ابسط و اهم مثال عن الكيوبت. بل عندى و حسب فهمى فان السبين هو الكيوبت و الكيوبت هو السبين.

وبما ان هذه الحاسوبية الكمومية مثلها مثل الفيزياء الذرية هى ليست الا تطبيق من تطبيقات الميكانيك الكمومى.

و بما ان السبين هو المقدار الفيزيائى الكمومى الوحيد الذى ليس له نظير كلاسيكى.

فانه اذن اذا اردنا تقديم مدخل بسيط عن الحاسوبية الكمومية فانه ليس علينا الا بناء بوابة منطقية كمومية quantum logical gate باستخدام السبين ككيوبت.

البوابة المنطقية الكمومية هى دارة كهربائية كمومية التى يمكن ايضا فهمها على انها ذرة اصطناعية artificial atom.

والبوابة المنطقية الكونية universal quantum gate التى تأتى منها جميع البوابات الكمومية الاخرى هى ال CNOT التى هى عبارة عن النفى المشروط controlled not.

لكن هذه الدارة الكمومية تحتاج الى اثنين من الكيوبيتات -جمع كيوبت- اى تحتاج الى ايونتين واقعتين فى فخ او تحتاج الى اثنين من السبينات -جمع سبين-.

النموذج المثالى عندى بدون ادنى تردد هو جملة مشكلة من اثنين من السبينات -السبين الاول يلعب دور الكيوبت الاول و السبين الثانى يلعب دور الكيوبت الثانى-.

اذن هنا نصل الى التشابك الكمومى quantum entanglement. وهذا شيء من الميكانيك الكمومى وهو امر معقد جدا. حالة السبين الاول او حالة السبين الثانى لم تعد حالات مستقلة بل هما معا حالة واحدة ذات كينونة موحدة.

اما من الناحية العملية فاننا نصل الى تقنية الرنين المغناطيسى النووى nuclear magnetic resonance او NMR اختصارا الذى يسمح لنا بالتحكم فى حالة السبين الاول انطلاقا من حالة السبين الثانى و العكس وهذا عبر تفاعل بين هذين السبينين و عبر ارسال اشعاع كهرومغناطيسى سائق driving على جملة السبينين.

اذن المحاضرة تنقسم الى اربعة اجزاء.

اذن نحتاج الى دراسة جملة كمومية مشكلة من اثنين من السبينات يتفاعلان عبر ما يسمى الاقتران سبين-سبين spin-spin coupling.

ثم علينا دراسة كيف يتم استعمال الاشعاع الكهرومغناطيسى من اجل تحقيق الرنين resonance بين السبينين.

ثم علينا فهم الخواص النظرية الفيزيائية و الرياضية و الميتافيزيقية للتشابك الكمومي بين السبينين.

ثم علينا بناء البوابة الكمومية المنطقية من هذه الجملة.

هذه اذن محاضرة سهلة الى حد ما فى حد ذاتها لكنها معقدة جدا بالنسبة للطلبة و لذا قررت فقط تحويل الجزء الاول الى مسألة.

وخلال بحثى فى هذا الموضوع وصلت الى المرجع فى الرابط الذى شرح تقنية ال NMR بابسط ما يكون.

هو كتاب فى الكيمياء الفيزيائية لكنه كتاب فى الفيزياء الاساسية بامتياز.