يمكن أن تكون لامحلية الحالات الكمومية انتقالية

روابط مخيفة تنتشر

الفيزياء الكمومية مشهورة بـ«الفعل المريب عن بُعد»، حيث تبدو الجسيمات مرتبطة بطريقة غامضة حتى عندما تكون متباعدة. يطرح هذا البحث سؤالاً لافتاً: إذا كان جسيم واحد مرتبطاً بقوة بجسيم ثانٍ، وكان هذا الثاني مرتبطاً بقوة بجسيم ثالث، هل يمكن لقواعد الفيزياء الكمومية أن تُجبر على وجود رابط مريب مشابه بين الأول والثالث؟ يبرهن المؤلفون أنه، على مستوى الحالات الكمومية، يمكن أن تكون الإجابة نعم: يمكن أن تكون اللامحلية الكمومية انتقالية.

من الأسرار المشتركة إلى تفسيرات مستحيلة

في الحياة اليومية، عادةً ما تكون الترابطات لها أسباب بسيطة: إذا كان شخصان يحملان نفس المظلة فربما لأنهما رأيا نفس النشرة الجوية. اللامحلية الكمومية مختلفة. عندما تقيس مختبرات بعيدة جزيئات مُحضّرة خصيصاً، يمكن أن تحصل على نتائج لا يمكن لأي تفسير قائم على معلومات مشتركة وعلاقةُ سببٍ ونتيجة عادية—مقيدة بسرعة الضوء—أن يشرحها بالكامل. هذا السلوك، الذي يكشف عنه خروقات متباينات بيل، يدعم التشفير الكمومي المستقل عن الجهاز وتقنيات متقدمة أخرى.

عندما تكون المشاركة محدودة بشدة

الروابط الكمومية اللامحلية ليست قابلة للمشاركة بحرية. إذا شارك طرفان أقوى الترابطات اللامحلية الممكنة، فلا يمكن لطرف ثالث أن يكون مرتبطاً بهما بقوة مماثلة—وهي خاصية تُعرف بالتفرّد (monogamy). ومع ذلك، هناك طرق مدهشة يمكن عبرها أن تنتشر الترابطات. أظهرت أعمال سابقة تأثيراً قريباً يُسمى «انتقالية التشابك»: في بعض الحالات المخلوطة، إذا كان النظام A وB متشابكين وB وC متشابكين، فإن أي حالة أكبر متوافقة مع هذين الجزئين يجب أن تترك A وC متشابكين أيضاً. وقد تم إثبات تأثير مماثل للّامحلية في سياق أكثر تجريدياً وغير كمومي، لكن ما إذا كان يمكن أن يحدث مع أنظمة كمومية حقيقية بقي مجهولاً لأكثر من عقد.

صُنع أجزاء تُحدد الكل

يعالج المؤلفون هذه المسألة بالنظر إلى حالاتٍ حيث يؤدي معرفة «شرائح» زوجية معينة من نظام أكبر إلى تحديد الحالة الكمومية الكاملة بشكل فريد. تلعب الحالة المعروفة باسم حالة W دوراً محورياً هنا؛ وهي حالة ثلاثية الكيوبت خاصة حيث يكون واحد فقط من ثلاثة جسيمات في الحالة المثارة لكن جميعها يشترك في هذه الإثارة بطريقة متماثلة تماماً. تبدو أي تقليص ثنائي لحالة W متماثلاً، وأظهرت أعمال سابقة أنه على شبكات بسيطة معينة، فإن تحديد هذه الحالات الزوجية يحدد بالفعل الحالة الشاملة متعددة الجسيمات. هنا يعمم المؤلفون هذه الفكرة: إذا كان على شبكة تشبه الشجرة كل رابط موصوفاً بعدد من النسخ من نفس هامش حالة W، فالحالة الشاملة الوحيدة المتوافقة هي عدة نسخ من حالة W الكاملة نفسها.

إجبار اللامحلية عبر الشبكة

مسلحين بخاصية التفرد هذه، يبني المؤلفون حالات كمومية ثلاثية الأطراف للأطراف A وB وC، حيث أن التقليصات الزوجية بين A–B وبين B–C ليست متشابكة فحسب بل قابلة للإثبات على أنها لامحلية بيل. وبما أن هذين التقليصين الثنائيين يحددان بشكل فريد الحالة الثلاثية الكاملة، فلا يعود تقليص A–C حراً في الاختيار: فهو مجبر على أن يكون حالة محددة، ويمكن إظهار أن هذه الحالة أيضاً قد تكون لامحلية، بشرط النظر في عدد كافٍ من النسخ. بهذه الطريقة، كلما شارك A–B وB–C هذه النوعية الخاصة من الحالات اللامحلية، يجب أن يجعل أي حالة شاملة متوافقة مع تلك الحقائق أيضاً A–C لامحلياً. هذا هو بالضبط تحول اللامحلية إلى خاصية انتقالية على مستوى الحالات الكمومية.

عوالم كمومية عشوائية تتصرف بنفس الشكل

لفحص مدى انتشار هذه الظاهرة، يستكشف المؤلفون أيضاً أعداداً كبيرة من الحالات النقية الثلاثية الطرَف المختارة عشوائياً على أنظمة كمومية صغيرة (كيوبتات، قيوتيتات، وأكثر). بالنسبة لثلاثة قيوتيتات—أنظمة ذات ثلاث مستويات بدلاً من مستويين—يجدون أنه في نحو 11 في المئة من الحالات تكون جميع التقليصات الثنائية الثلاث لامحلية، وأن الزوج الذي يشمل A–B وB–C يجبر مرة أخرى الزوج A–C على أن يكون لامحلياً كلما أصرّ المرء على حالة شاملة كمومية متوافقة. هذا يوحي بأن اللامحلية الانتقالية ليست مجرد أمر نادر أو غريب، بل يمكن أن تظهر بشكل طبيعي في أنظمة كمومية ذات أبعاد أعلى.

لماذا يهم هذا لشبكات الكم المستقبلية

للغير متخصصين، الخلاصة أن بعض الروابط الكمومية تتصرف أشبه برد فعل متسلسل أكثر من كونها روابط معزولة: روابط لامحلية قوية ومقيدة بالقواعد على جهتين يمكن أن تُجبر على رابط مشابه على الجهة الثالثة، دون ترك مجال لتفسير عادي. هذا يسلط الضوء على كيفية اختلاف الواقع الكمومي عن الصور الكلاسيكية المبنية على أسباب خفية، ويوحي بفوائد عملية. في شبكات الكم المستقبلية، قد يكون بالإمكان التحقق أن عقدتين بعيدتين تشتركان في مورد لامحلي قوي بمجرد اختبار روابطهما إلى محور مركزي، دون الحاجة لإجراء اختبارات مباشرة أصعب على الزوج البعيد نفسه.

الاستشهاد: Chen, KS., Tabia, G.N.M., Hsieh, CY. et al. Nonlocality of quantum states can be transitive. npj Quantum Inf 12, 37 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-025-01173-z

الكلمات المفتاحية: اللامحلية الكمومية, متباينات بيل, التشابك, شبكات كمومية, التشفير المستقل عن الجهاز