الفيزياء الكمية : كل ما تحتاج معرفته عن ميكانيكا الكم

تعتبر الفيزياء الكمية او ميكانيكا الكم من أهم أشكال الفيزياء الحديثة، لانها طرحت رؤية جديدة لما كان مسلما به في الفيزياء الكلاسيكية، إذ تطورت من أينشتاين وإختباره على الضوء إلى شرودنجر وقطته

وهنا سنتعرف على ميكانيكا الكم وأهميتها والتعرف على قطة شرودنجر بالاضافة الى الحاسوب الكمي وفيما سيفيدنا

انواع الفيزياء

الفيزياء بشكل عام هو العلم الذي يقوم بدراسة الطاقة والمادة في آن واحد وتنقسم الفيزياء الى نوعين رئيسيين

الفيزياء الكلاسيكية

وهي كل ما نعرفه منذ دخولها غمار الحياة كقوة الجاذبية و كيف تتحرك الامواج والاجسام …

وهذا يصنف ضمن الميكانيك الكلاسيكية او فيزياء نيوتن

فروعها

الصوتيات والتي تتكلف بدراسة الاصوات بإعتبارها موجات ميكانيكية فنعرف كيف تنتقل وآليات إستقبالها بالاضافة الى تأثيراتها.

الكهرباء والمغناطيسية او ما تسمى بالقوة الكهرومغناطيسية والتي تعمل على وصف التفاعلات التي تحصل بين الكهرباء والمغناطيس،

لتشرح بذلك ظواهر الارضية كالشفق القطبي وتصف آلية تفاعل الجسيمات المشحونة من الذرات.

الميكانيك وهي كل ما يرتبط بالاجسام المادية حين تتعرض لقوة معينة كقوة الحركة أو في حالة السكون، وما يلحقها من تأثيرات مرتبطة بالبيئة التي توجد فيها،

ومن أشهر علمائها نيوتن و كبلر وجاليليو الذين وضعو حجر الاساس للميكانيك الكلاسيكية.

الديناميكا الحرارية وهي الفرع الذي يهتم بدراسة تأثير الشغل والطاقة والحرارة على أي نظام،

فجاءت للربط بين الاشكال المختلفة للطاقة الحركية والكامنة، والشغل الذي يمكنها أن تؤديه، بالإضافة الى نقل الحرارة فيها.

البصريات تهتم بالتعامل مع الخصائص والظواهر والسلوكيات الضوئية مما هو مرئي وغير المرئي،

إذ تم إعتبار الضوء بأنه موجة كهرومغناطيسية مما أدى الى التعرف على الاشعة السينية وفوق البنفسجية الى تحت الحمراء،

وقام العلماء بربطها بالموجات الدقيقة وموجات الراديو بإعتبار أن لها نفس الخصائص،

فأصبح هذا الفرع مرتبطا بالكثير من التخصصات مثل التصوير(العدسات) والهندسة والفلك ( التلسكوب ) وطب العيون.

ميكانيكا الموائع وهو ما يهتم بدراسة ووصف تدفق الموائع من غازات وسوائل،

إذ يتفرع منه تخصص الديناميكا الهوائية التي تتكلف بدراسة الغازات،

والديناميكا المائية التي تهتم بدراسة السوائل، فيقوم في أساسه على حل المشاكل الديناميكية

وذلك لحساب سرعة التدفق والكثافة والضغط بالاضافة الى درجة الحرارة، وما سيسببه تغيرها على أرض الواقع.

الفيزياء الكمية

هي الفيزياء التي تُمكن من تتبع الاشياء الدقيقة التي يصعب على الفيزياء الكلاسيكية تتبعها

كالذرات والايونات والاكترونات وأصغر من ذلك وهي تصنف ضمن الميكانيك الكمية

الطبيعة المزدوجة للموجة والجسيم _ الفيزياء الكمية

ذات يوم قام اينشتاين بإختبار على الضوء وفي هذا الاختبار إكتشف أن الضوء عبارة عن فوتونات “جزيئات”

وهذا جاء مخالفا لما كان متَّفقا عليه بأن الضوء عبارة عن “موجة” ،

والموضوع هنا أن كلاهما على حق أي أن الضوء يتصرف تارة على شكل موجة وتارة أخرى على شكل فوتونات

وهذا يسمى الطبيعة للمزدوجة الموجة والجسيم wave-particle duality

وفي عام 1924 قال العالِم Bohr بأن الالكترونات أيضا تتصرف هكذا وليس الضوء وحده ،

وفي عام 1988 تم إكتشاف أن ذرة الصوديوم أيضا تتصرف وفق هذا المبدأ ،

لدرجة أنهم إكتشفو أنها تكون في أماكن متعددة عند غياب المراقبة وفي مكان واحد حين تكون المراقبة ،

ومن هذا كله إستنتج العالِمان Louis De BROGLE و HEISENBERG أن كل الذرات التي تكون المادة عندها هذه الخاصية

وهنا طرح العالم سؤال لماذا؟

فجاء العالم شرودنجر بمعادلة تعتبر أساس ميكانيك الكم،

تقول أن الالكترون مادام لا يخضع للمراقبة فهو يتصرف على حالتين وعندما تراقبه يأخد شكلا واحدا

وهذه الحالة سميت ب”الحالة الشبحية” أي عند المراقبة نرى حالة واحدة والاخرى تختفي حسب مبدأ التراكب

قطة شرودنجر _ الفيزياء الكمية

في عام 1930 لم يكن شرودنجر راضيا بما توصل إليه، وأنه لم يعطي تفسيرا منطقيا رغم كون المجتمع العلمي سعيد جدا بالمعادلة التي كتبها سابقا،

لأنها حلت الكثير من الاشكالات في هذا الصدد، وهنا أعطى واحدة من أشهر النظريات والتجارب العلمية والتي تسمى ب”قطة شرودنجر”،

وتقول التجربة أنه إذا وضعنا قطة داخل صندوق لا يمكننا رؤية ما يوجد داخله (القطة) ووضعنا معها ذرة مشعة

فهناك احتمالية 50٪ أن الذرة ستطرح إشعاعا يقتل القطة و 50٪ أن لا تفعل وتبقى القطة حية،

لأن الذرة تتصرف على شكلين بمعنى أنه عندما لا نراقب القطة فهي ميتة وحية في نفس الوقت،

رغم ان التجربية من المستحيل إنجازها فعليا لكنها تعتبر أفضل نظرية حلت هذه المعضلة العلمية وصرحت اكثر ببداية عصر الفيزياء الكمية

الحاسوب الكمي _ الفيزياء الكمية

لكي نعرف مدى قوة الحاسوب الكمي ولا بد من مقارنته مع الحاسوب العادي لنكتشف الفروقات والاختلافات بينهما.

الحاسوب العادي

يتعامل بوحدة Bit أي أنه يعتمد في تركيبه على وحدات متتابعة من أصفار وآحاد 001101 الخ،

يعني أن كل ما نراه عليه عبارة عن تلك الارقام المتتالة بشكل معين يترجم بالطريقة التي نرى بها الصور وكل ما يوجد على شاشته

الحاسوب الكمي

يتعامل بوحدة QBit وفكرة إختراعه إعتمدت في أساسها على الفيزياء الكمية والميكانيك الكمية،

وهو لا يعمل ب 01 و 001 بل يعمل ب 0 و 1 في نفس الوقت معتمدا على مبدأ التراكب،

أي أنه يقوم بمعالجة 0 و 1 في نفس اللحظة ولا يعالج كل وحدة على حدة،

وهذا ما يعطيه سرعة أكبر بكثير في تحليل المعلومات من الحاسوب العادي.

شركة IBMQ أول من طرح حاسوبا كميا وذاكرته تبلغ 50 QBit وتبعتها GOOGLE و MICROSOFT

والان الولايات المتحدة والصين تعملان على تطوير هذا النوع من الحواسيب.

فائدة الحاسوب الكمي

تكمن أهمية الحاسوب الكمي في أن الاشياء التي قد يستغرق فيها الحاسوب العادي آلاف السنين يمكن أن يحلها الكمي في أقل من ساعة، لانه يقوم على مبادئ الفيزياء الكمية

وهذا ظهر جليا عندما أعلنت شركة GOOGLE بأن حاسوبها الكمي حل معادلة في خمسة دقائق، في الوقت الذي قد يستغرق فيها الحاسوب العادي تقريبا 10000 سنة،

لكن المشكلة الوحيدة الموجودة هي أن تبريد هذا النوع من الحواسيب صعب جداً، لانه يجب أن يصل لدرجة برودة لا توجد إلا في الفضاء الخارجي

NASA’s quantum computer just solved a problem 100 million times faster

وفي نوفمبر 2021 نشرت إيميلي كونوفر الكاتبة والفيزيائية على صحيفة SciencesNews خبرا بعنوان “العلماء على بعد خطوة واحدة من تصحيح الاخطاء في أجهزة الكمبيوتر الكمي”

إذ صرحت بأن العلماء توصلو الى حل يمكنه إصلاح التقلبات التي يمكن أن تحصل بسبب QBit الذي يمكن أن يتعرض للخطأ،

لذلك توصلو الى فكرة إستخدام تسعة QBit لصناعة واحد ومحسن تمت تسميته ب QBit منطقي،

وهو يقوم بتخزين المعلومات بشكل متككر مما سيسمح للباحثين بمعرفة وإصلاح الاخطاء الموجودة في البيانات،

وهذا ما سيساعدهم على التسريع من وتيرة تطوير الحواسيب الكمية والوصول الى صناعة حاسوب كمي دون أي عيوب في المستقبل القريب.

Scientists are one step closer to error-correcting quantum computers

ختاما

عالم الفيزياء الكمية معقد جدا إذ مر أيضا بمجموعة من المراحل ليصل للتقدم الذي لحقه اليوم وليس من المستبعد أن يتطور أكثر في السنوات القادمة

وإذا حصل ذلك فسنشهد عالما جديدا يتحدى الطبيعية ويتصرف وفق معايير أخرى كسرعة الضوء وزيارة كواكب أخرى بسهولة وما الى ذلك مما لا يستطيع الانسان الحالي تخيله.