«نوبل الفيزياء» لاكتشافات في ميكانيكا الكم

منحت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم، الثلاثاء، البريطاني جون كلارك، والفرنسي ميشال ديفوريه، والأميركي جون مارتينيز جائزة «نوبل في الفيزياء» لعام 2025، وذلك تقديراً لتجاربهم التي كشفت عن تطبيقات جديدة في فيزياء الكمّ.

وأوضحت اللجنة المانحة للجائزة، في بيانها، أن العلماء الثلاثة مُنحوا الجائزة «لاكتشافهم ظاهرة النفاذ الكمومي على المستوى العياني وتكميم الطاقة في دائرة كهربائية»، وهي ظاهرة تُعرف أيضاً باسم «النفق الكمومي». وقد فتحت تجاربهم آفاقاً واسعة لتطوير الجيل المقبل من تكنولوجيا الكمّ، بما في ذلك التشفير الكمومي، والحواسيب الكمومية، وأجهزة الاستشعار فائقة الدقة.

وأجرى الفائزون سلسلة من التجارب أثبتوا من خلالها أن الخصائص الغريبة للعالم الكمّي يمكن جعلها ملموسة داخل نظام كهربائي صغير بما يكفي ليُحمل في اليد. ففي هذا النظام فائق التوصيل، تمكن العلماء من إثبات أن التيار الكهربائي يمكنه اختراق حاجز طاقة والانتقال من حالة إلى أخرى كما لو أنه مرّ عبر جدار صلب. كما أثبتوا أن النظام لا يمتص أو يُصدر الطاقة إلا في مقادير محددة وثابتة، تماماً كما تتنبأ ميكانيكا الكمّ.

من العالم المجهري إلى التجريبي

تصف ميكانيكا الكمّ سلوك الجسيمات الدقيقة مثل الإلكترونات والفوتونات، التي تخضع لقوانين تختلف تماماً عن قوانين العالم المرئي. ففي حين أن كرةً تُقذَف نحو جدار سترتد دائماً، يمكن لجسيم ذري أن يعبر الحاجز ويظهر في الجهة الأخرى بفضل النفق الكمومي.

أما إنجاز الفائزين هذا العام، فتمثل في إثبات أن هذا السلوك الغريب يمكن أن يظهر أيضاً في أنظمة مكوّنة من عدد هائل من الجسيمات، أي على مستوى مادي كبير يمكن ملاحظته تجريبياً، وهو ما يُعدّ خطوة رائدة تربط بين العالمين المجهري والمرئي.

تجربة حاسمة

في عامي 1984 و1985، أجرى العلماء الثلاثة تجاربهم في جامعة «كاليفورنيا – بيركلي» الأميركية. وقاموا ببناء دائرة كهربائية تحتوي على مادتين فائقتي التوصيل، تفصل بينهما طبقة رقيقة عازلة لا تمر عبرها أي تيارات كهربائية. هذا التكوين يُعرف باسم «وصلة جوزيفسون» (Josephson Junction).

وفي هذا النظام، تتصرّف الإلكترونات بشكل جماعي في أزواج تُعرف باسم «أزواج كوبر» (Cooper pairs)، بحيث تتحرك جميعها في انسجام كما لو كانت جسيماً واحداً ضخماً يملأ الدائرة بالكامل. هذا الجسيم الكبير يكون عالقاً في حالة يمر فيها تيار دون وجود جهد كهربائي، كأنه محبوس خلف حاجز لا يستطيع تجاوزه. غير أن النظام أظهر سلوكاً كمّياً حين «تسلّل» عبر هذا الحاجز وأنتج جهداً كهربائياً، ما دلّ على حدوث نفاذ كمّي ماكروسكوبي.

وبفضل ظاهرة النفاذ الكمّي، تمكّن النظام فجأة من الانتقال إلى حالة جديدة يظهر فيها فرق الجهد، كما لو أن مفتاحاً كهربائياً قد تحرك من وضعية الإيقاف إلى التشغيل دون أن يُلمس. وبذلك قدّم الباحثون دليلاً مباشراً على وجود «النفق الكمومي» على مستوى مادي مرئي.

لاحقاً، أظهروا أيضاً أن النظام مكمّم الطاقة، أي أنه لا يمكنه امتصاص أو إصدار إلا كميات معينة من الطاقة وهو ما يُعرف باسم «تكميم الطاقة» (Energy Quantisation). واستخدموا موجات ميكروية لتسليط طاقة على النظام، ولاحظوا أنه ينتقل بين مستويات طاقية محددة، مما يؤكد دقة تنبؤات ميكانيكا الكم حتى على نطاق واسع.

من النظرية إلى التطبيق

لطالما كانت ظاهرة «النفاذ الكمّي» معروفة على المستوى الذري منذ عشرينات القرن الماضي، حين فُسّرت بوصفها أساساً لعمليات فيزيائية مهمة، مثل التحلل الإشعاعي للنوى الذرية الثقيلة. فقد أوضح الفيزيائي الروسي جورج جاموف أن الجسيمات يمكنها أحياناً أن «تتسلل» عبر حاجز طاقي لا تملك طاقة كافية لتجاوزه نظرياً، وهو ما شكّل المفتاح لفهم ظاهرة التحلل الإشعاعي (ألفا) في الذرات.

أما الجديد في تجربة الحاصلين على جائزة «نوبل في الفيزياء» لعام 2025 فهو أنهم أثبتوا أن النفاذ الكمومي لا يقتصر على الجسيمات المفردة، بل يمكن أن يشمل مليارات الجسيمات التي تتصرف كأنها وحدة واحدة. وتمكّن العلماء من رصد هذه الظاهرة في نظام كهربائي فائق التوصيل، ما يُعد خطوة نوعية في فهم التداخل بين العالم المجهري غير المرئي والعالم الماكروسكوبي المحسوس.

بوابة نحو التكنولوجيا الكمّية

بحسب بيان لجنة «نوبل»، فقد مهّدت أبحاث العلماء الفائزين الطريق لتطوير الدوائر الكمّية فائقة التوصيل، التي تُعد اليوم من الأسس الرئيسية لبناء الحواسيب الكمّية. هذه الدوائر تعتمد على مبدأ أن الجسيمات يمكن أن تتصرف كأنها وحدة واحدة في حالة كمّية مشتركة، وهو ما أتاح للباحثين التحكم في الظواهر الكمّية على نطاق يمكن استخدامه عملياً.

واستفاد العالم جون مارتينيز لاحقاً من هذا المبدأ في تطوير ما يُعرف بـ«الكيوبتات» (qubits)، وهي وحدات المعلومات الكمّية التي تستطيع تمثيل القيمتين (0) و(1) في الوقت نفسه، على عكس وحدات المعلومات الأساسية في الحواسيب التقليدية. وهذا يجعل الحواسيب الكمومية أسرع وأكثر كفاءة في معالجة البيانات المعقدة، وحل المشكلات التي يصعب على الحواسيب العادية التعامل معها.

ويُنظر إلى النظام فائق التوصيل الذي طوّره العلماء على أنه نوع من «الذرات الاصطناعية»، يمكن ربطها بأسلاك ومنافذ لاستخدامها في التجارب أو التطبيقات التقنية. وقد فتحت هذه النتائج الباب أمام تطوير التشفير الكمّي وأجهزة الاستشعار فائقة الدقة، التي يُتوقّع أن تُحدث ثورة في مجالات الاتصالات والفيزياء التطبيقية. وبذلك لا يُعدّ هذا الإنجاز مجرد اكتشاف نظري في عالم الفيزياء، بل ركيزة أساسية للجيل المقبل من التكنولوجيا الكميّة، التي ستغير مستقبل الحوسبة والاتصال العلمي حول العالم.

ووفق الدكتور عبد الناصر توفيق، مدير «المركز المصري للفيزياء النظرية»، فإنه في ميكانيكا الكم هناك كثير من الظواهر المميزة، أبرزها ظاهرة النفق الكمومي، التي يمكن تشبيهها بوجود حائط يفصل بين جانبين، ويحاول جسيم العبور إلى الجهة الأخرى منه. وفي الفيزياء الكلاسيكية، لا يمكن للجسيم تجاوز الحائط إلا بالصعود فوقه ثم الهبوط من الجهة الأخرى، أما في ميكانيكا الكم، فتحدث ظاهرة مختلفة تُعرف بـ«النفق الكمومي»، حيث يُحدث الجسيم نفقاً داخل الحائط نفسه ويعبر من خلاله إلى الجانب الآخر.

وأوضح توفيق لـ«الشرق الأوسط» أن هذه الخاصية كانت تُعدّ مقصورة على الجسيمات الدقيقة في عالم الكم، وبالتالي لم يكن من الممكن تطبيقها في أنظمة أو أجهزة هندسية تقليدية. غير أن العلماء الثلاثة الفائزين بجائزة «نوبل» هذا العام نجحوا في تطبيق هذه الظاهرة داخل دوائر كهربائية، أي أنهم طبّقوا مبدأ كمّياً على نظام كلاسيكي، وهو ما يمثل إنجازاً علمياً غير مسبوق.

وأشار إلى أن هذا التقدم سيفتح الباب أمام تطبيقات واسعة النطاق، خصوصاً في مجالات الترانزستورات والرقائق الدقيقة الخاصة بالحواسيب الكمّية، التي يجري حالياً تطويرها في مراكز أبحاث حول العالم.

ونوّه بأن منح العلماء الثلاثة هذه الجائزة الرفيعة أمرٌ مستحق وجدير بالتقدير، ولا يختلف في قيمته العلمية عن جائزة العام الماضي التي مُنحت عن الاختراعات الأساسية التي مكّنت تطوير التعلم الآلي باستخدام الشبكات العصبية الاصطناعية، موضحاً أن جائزة هذا العام تُكرّم أحد أهم التطبيقات العملية لميكانيكا الكم. ورغم أن هذه الأبحاث تحمل مردوداً تكنولوجياً هائلاً، إذ تمهد لتطورات كبيرة في مجالات التقنية والحوسبة المتقدمة، لكن من الناحية العلمية البحتة، فإنها لا تمثل تطوراً جوهرياً في فهم ميكانيكا الكم نفسها، ولا تشير إلى إضافة جديدة على المستوى النظري لهذا الفرع من الفيزياء، وفق رأيه.

أعظم ما أبدع العقل البشري

من جانبه، قال الدكتور محسن عوض زهران أستاذ الفيزياء النظرية ووكيل كلية العلوم بجامعة المنصورة المصرية، إن فيزياء الكمّ تُعدّ أحد أهم فروع علم الفيزياء، ووصفها بأنها أعظم ما أبدعه العقل البشري خلال المائة عام الماضية، لأنها تشكّل الأساس الذي تقوم عليه كل التقنيات الحديثة بما فيها مجالات الطب والاتصالات والهندسة والتكنولوجيا، وكل ما يمسّ جوهر الحضارة المعاصرة.

وأضاف لـ«الشرق الأوسط» أن ميكانيكا الكم تُعنى بدراسة العالم على المقاييس الذرّية، أي المكوّنات الدقيقة للمادة التي يتألّف منها الكون، مثل الذرات وطريقة تفاعلها وطبيعة ارتباطها، وهي التي تفسّر سبب كون بعض المواد موصلة جيدة للكهرباء وأخرى لا، كما أن الكيمياء الحديثة ما كانت لتتقدّم لولا مبادئ ميكانيكا الكم، إذ كانت ستظل في مرحلة بدائية تشبه العصور الوسطى.

وأشار زهران إلى أن الظواهر الكمّية عادةً ما تُلاحظ على المستوى الذرّي، لكنّ الفائزين بـ«نوبل» هذا العام نجحوا في نقلها إلى أنظمة مادية أكبر حجماً، مما أتاح دراسة غرائب ميكانيكا الكم في نطاقات مرئية وتجريبية، وهو ما يمثل نقلة علمية هائلة.

وعن أهمية هذا التطور، أوضح أن هذا الإنجاز يمهّد لعصر الحوسبة الكمية، التي ستُحدث ثورة في عالم التكنولوجيا، إذ ستُبنى الحواسيب الكمّية على مبادئ ميكانيكا الكم، ما يجعلها تفوق أقوى الحواسيب التقليدية الحالية بملايين المرات. وأضاف قائلاً: «إن أقوى الحواسيب الفائقة التي نملكها اليوم ستبدو أمام الحواسيب الكمّية وكأنها مجرد ألعاب أطفال، لأن قدرتها الحسابية ستتجاوز خيال أي عقل بشري».

واختتم حديثه قائلاً إن «العمليات الحسابية التي تستغرق سنوات طويلة في الحواسيب التقليدية، يمكن أن تُنجزها الحواسيب الكمّية في ثوانٍ معدودة»، مضيفاً أن إنتاج نسخ اقتصادية من هذه الأجهزة سيُحدث تحوّلاً جذرياً في الحضارة البشرية، ويفتح الباب أمام تطور غير مسبوق على كوكب الأرض.