مكعب روبيك الكمي
 |
| (PawinG/Canva) |
تبدو فيزياء الكمّ لغزًا محيرًا، لكن العلماء جعلوها الآن أكثر واقعية. صمّم فريق من علماء الرياضيات من جامعة كولورادو بولدر مكعب روبيك كمّيًا، بحالات محتملة لا نهائية، وحركات جديدة غريبة متاحة لحلّه.
مكعب روبيك الكلاسيكي (والتقليدي) هو ما يُعرف بألغاز التبديل، والتي تتطلب من اللاعبين القيام بحركات معينة لإعادة ترتيب أحد التبديلات الممكنة إلى حالة "محلولة".
في حالة المكعب الشهير، يعني ذلك حوالي 43 كوينتيليون تركيبة ممكنة من مكعبات صغيرة ملونة تُرتّب في ستة وجوه ملونة باستمرار من خلال سلسلة من الحركات المقيّدة.
لكن مكعب روبيك الكمّي يرفع مساحة الاحتمالات هذه إلى ما لا نهاية. كل ما يتطلبه الأمر هو منح الحلّ حركة كمّية جديدة - القدرة على تحريك قطعة إلى تراكب كمّي حيث يتم تحريكها وعدم تحريكها في الوقت نفسه.
كتب الباحثون في ورقتهم البحثية: "في حالة التراكب، يكون عدد الحالات الفريدة المسموح بها في اللغز لا نهائيًا، على عكس ألغاز التبديل الشائعة في متاجر الألعاب".
اختبر الفريق الفكرة على نسخة مبسطة من أحجية التبديل: شبكة ثنائية الأبعاد، 2×2، مكونة من مربعات زرقاء وخضراء فقط. كانت الحالة المُحَلّة هي وضع المربعين الأخضرين فوق المربعين الأزرقين.
في شكلها التقليدي، تحتوي الأحجية على ستة تبديلات ممكنة فقط، بما في ذلك الحالة المُحَلّة. يمكن تحويل أي حالة إلى أي حالة أخرى من خلال سلسلة من تبديل المربعات الرأسية والأفقية - يُحظر تبديل المربعات القطرية، كما يُحظر تدوير الأحجية بأكملها.
يمكن إضفاء طابع كمي على هذا اللغز الأساسي بتسمية الألوان "جسيمات"، والإشارة إلى أنه نظرًا لعدم إمكانية تمييز كل قطعة عن الأخرى من نفس اللون، فإنها متشابكة نوعًا ما.
على الرغم من أن "الجسيمات" تتمتع بلمسة كمومية، إلا أنه عمليًا، لا يزال اللغز نفسه يُلعب باستخدام الحركات الكلاسيكية. تُفتح نسخة كمومية حقيقية عند السماح بالتراكبات بين جسيمين مختلفين.
تم تكليف ثلاثة لاعبين مُحاكيين مختلفين بحل اللغز من 2000 عملية خلط عشوائية. كانت الحركة الوحيدة للحل الكلاسيكي هي تبديل قطعتين متجاورتين. يمكن للحل الكمومي فقط إدخال أزواج في تراكبات كمومية. ويمكن للحل المُدمج تنفيذ أيٍّ من العمليتين في كل مرة.
ومن غير المُستغرب أن يكون الحل المُدمج هو الأفضل أداءً، حيث حل اللغز في متوسط 4.77 حركة. حلّت المُحَلِّلة الكمومية في المرتبة التالية، بمتوسط 5.32 حركة، بينما حلّت المُحَلِّلة الكلاسيكية في المرتبة الأخيرة بمتوسط 5.88 حركة.
هذا لا يعني أن مجال الفيزياء الكلاسيكية لا يخلو من مزايا. يُمكن للمُحَلِّلة الكلاسيكية حل الألغاز في أقل من خمس حركات أكثر من المُحَلِّلة الكمومية. لكنها تتفوق على متوسطها لأنها قد تستغرق ضعف هذه المدة، بينما يُنهي المُحَلِّلة الكمومية حل الألغاز في ثماني حركات أو أقل في أغلب الأحيان.
يقول الفريق إن هذه الميزة الكمومية المزعومة ستزداد وضوحًا مع الألغاز الأكثر تعقيدًا.
 |
| Noah Lordi, Akira Kyle, Josh Combes. |
بعد أن يُجري المُحَلِّلُ عمليةَ التباديل باستخدام حركاته المسموح بها - سواءً الكلاسيكية أو الكمومية أو كليهما - يُتحقق من الحل من خلال "مُحَكِّم".
إذا كنتَ مُلِمًّا بتجربة قطة شرودنغر الفكرية القديمة، فستتذكر أن القياس نفسه يُؤدي إلى أن يصبح التراكب عشوائيًا مجرد إحدى الحالات. في الوضع المثالي، ستكون هذه هي الحالة المُحَلَّة، ولكن إن لم يكن كذلك، يُعاد خلط الأحجية مرة أخرى، ويتعين على المُحَلِّل البدء من جديد.
هكذا يُمكن للمُحَلِّل الكلاسيكي أن يبدأ بحل لغز كمي. ما لم يُحالفهم الحظ للغاية وكانت الحالة المُحَلَّة إحدى الاحتمالات الكلاسيكية الستة (من بين خيارات كمية لا نهائية)، فسيتعين عليهم القيام بحركات تُقرِّبهم قدر الإمكان من الحل، على أمل أن يُؤدي القياس إلى انهيار التراكب إلى الحالة المُحَلَّة.
مكعب روبيك الكمي: يسمح للبلاطات بالتواجد في مكانين في آنٍ واحد
الحالات الكلاسيكية الست للغز 2×2، مع الحالة المُحَلَّة في أقصى اليسار. (لوردي وآخرون، مجلة المراجعة الفيزيائية أ، 2025)
على الرغم من أن المُحَلِّل الكمومي يبدو أنه يتمتع بأفضلية الحل التقليدي، إلا أن له عيبًا واحدًا - إذ يتطلب الأمر حركتين لإجراء عملية تبديل كلاسيكية. وهكذا يتفوق المُحَلِّل الكلاسيكي في بعض إصدارات اللغز، ولكن هذا هو السبب في أن المُحَلِّل المُركَّب يتقدم دائمًا.
كما شرع الفريق في إنشاء نسخة ثلاثية الأبعاد من اللغز الكمومي، وإن لم تكن مكعبًا كاملًا. كانت عبارة عن بلاطات 2×2×1، والتي كانت أيضًا ذات إمكانيات لا حصر لها ويمكن حلها من خلال إجراءات مماثلة.
عمليًا، يمكن بناء ألغاز التبديل الكمومي باستخدام مصفوفات من الذرات فائقة البرودة مُعلقة في شبكات بصرية. ولكن في الغالب، إنها تجربة فكرية لعشاق الرياضيات.