قبل أن نبدأ في سرد الموضوع، يجب أن نعرفَ أولًا ما هو تعريف مُصطلح الإنتروبيا؟
الإنتروبيا هي مقدار تبادل الطاقة بين الوسط والنظام، ويُقال أيضًا أنه مقدار العشوائية أو الاضطراب في نظام مغلق، فكلما زادت عشوائية نظام ما كلما زادت إنتروبيته. والإنتروبيا المنخفضة في شبكة ثلاثية الأبعاد من الذرات فائقة البرودة بالليزر من الممكن أن تُساعد في تسريع التقدم نحو إنشاء أجهزة كمبيوتر كمية. ففي جامعة ولاية بنسلفانيا، يستطيع فريق من العلماء إعادة ترتيب مجموعة من الذات مُوزعة بشكلٍ عشوائي إلى كتل منتظمة بعناية، وبالتالي أداء وظيفة “شيطان ماكسويل”. وهي تجربة فكرية من سبعينيات القرن التاسع عشر وهي التي طعنت في القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
يمكن أن تُشكل الكُتل المنظمة من الذرات الأساس لحاسوب كمي، حيث يستخدم ذرات غير مشحونة لتشفير البيانات وإجراء العمليات الحسابية، تظهر ورقة تصف الأبحاث في السادس من سبتمبر لعام 2018 في مجلة Nature. وتستخدم أجهزة الحواسيب التقليدية الترانزستورات لترميز البيانات على شكل بت (البت هو أصغر وحدة قياس تخزينية، وهو يستطيع تخزين حرف، رقم أو رمز)، يُمكن أن تكون في إحدى الحالتين صفر أو واحد، يقول ديفيد فايس(David Weiss) -أستاذ الفيزياء في جامعة بنسلفانيا وزعيم فريق البحث-: “إننا نستنبط أجهزة حواسيب كمية تستخدم الذرات، مثل “البتات الكمية” أو “الكواكب” التي يُمكنها تشفير البيانات على أساس الظواهر الميكانيكية الكمية التي تسمح لها أن تكون في حالات متعددة في وقت واحد، يسمح لنا تنظيم الذرات في شبكة ثلاثية الأبعاد معبأة بتناسب بحصر الكثير من الذرات في منطقة صغيرة، مما يجعل الحساب أسهل وأكثر كفاءةً”.
ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الإنتروبيا لا يُمكن أن تنخفض مع مرور الوقت. وواحدة من نتائج هذا القانون هو أنه يحول دون إمكانية وجود جهاز الحركة الدائبة. في عام 1870 اقترح جيمس كليرك ماكسويل(James Clerk Maxwell) تجربة فكرية يستطيع فيها شيطان فتح وإغلاق بوابة بين غرفتي غاز، مما يسمح للذرات الأكثر دفئًا بالمرور في اتجاه واحد وتمرير ذرات تبريد في الأخرى. هذا الفرز الذي لا يتطلب أي مدخل للطاقة، سيؤدي إلى تقليل الإنتروبيا في النظام وفرق درجة الحرارة بين الغرفتين التي يُمكن استخدامها كمضخة حرارة لأداء العمل، وبالتالي مخالفة القانون الثاني.
وقال فايس: “لقد أظهر العمل اللاحق أن الشيطان لا ينتهك القانون الثاني بالفعل، وبعد ذلك كانت هناك محاولات عديدة لإيجاد أنظمة تجريبية تتصرف مثل الشيطان، وكان هناك بعض النجاح في نطاق صغير جدًا، لكننا استطعنا إنشاء نظام يُمكننا من خلاله التلاعب بعدد كبير من الذرات، وتنظيمها بطريقة تقلل من إنتروبيا النظام تمامًا مثل الشيطان.
يستخدم الباحثون الليزر لاحتجاز الذرات وتهدئتها في شبكة شعرية ثلاثية الأبعاد مع ترتيب 125 موضعًا بمقدار 5× 5× 5 مكعب، ثم يملؤون عشوائيًا حوالي نصف المواقع في الشبكة بالذرات، من خلال ضبط استقطاب مصائد الليزر. ويُمكن للباحثين نقل الذرات بشكل فردي أو في مجموعات، وإعادة تنظيم الذرات الموزعة بشكل عشوائي لملء إما 5 في 5 بنسبة 2، أو 4 في 4 بنسبة 3 مجموعات فرعية للشبكة.
وقال فايس: “بما أن الذرات تُبرد إلى درجة حرارة منخفضة بقدر الإمكان، فإن الإنتروبيا في النظام تُعرف بشكل شبه كامل من خلال التكوين العشوائي للذرات داخل الشبكة. في الأنظمة التي لا تكون فيها الذرات شديدة التبريد، يُشكل اهتزاز الذرات غالبية الإنتروبيا في النظام. وفي مثل هذا النظام، لا يُؤدي تنظيم الذرات إلى تغيير الإنتروبيا، ولكن في تجربتنا يظهر أن تنظيم الذرات تقلل الإنتروبيا داخل النظام بعامل يبلغ حوالي 2.4.
كتابة: محمد عبدالمعين فهمي
مراجعة: سارة محمد
تصميم: نهى عبدالمحسن
تحرير: هدير رمضان
