شهد مجال القياس الدقيق الكمي العالمي مؤخراً سلسلة من التطورات البارزة. فقد نشر فريق من جامعة تسينغهوا الصينية وفريق بحثي مشترك من عدة دول أوروبية، في وقت متقارب تقريباً، نتائج أبحاث حول الساعة النووية الضوئية في مجلة «نيتشر»، حيث حقق كل منهما عبر مسار تقني مختلف التشغيل المستقر المغلق الحلقة لساعة الثوريوم-229 النووية الضوئية، وهي المرة الأولى في تاريخ البشرية التي ينتقل فيها معيار التوقيت القابل للتشغيل من مستويات طاقة الإلكترونات الخارجية للذرة إلى داخل النواة الذرية.

وأقرّ تورستن شوم، عالم الفيزياء الذرية في جامعة فيينا التقنية النمساوية والعضو الرئيسي في الفريق الأوروبي، بأن صناعة الساعة النووية الضوئية هي «تحقق حلم». وقال إن هذا المجال كان حتى وقت قريب «مجالاً هادئاً ضيقاً»، «والآن أصبح لدينا تنافس عالمي محتدم لكنه ودّي».

الصورة مولّدة بالذكاء الاصطناعي

دقة الساعة النووية الضوئية مرشحة لتتجاوز الساعة الذرية

ظل المعيار الزمني في منظومة التقنية الحديثة، على مدى فترة طويلة، تُوفره الساعة الذرية التي تعتمد على انتقالات مستويات الطاقة للإلكترونات الخارجية للذرة في قياس الوقت، وتدعم التشغيل الدقيق في مجالات الملاحة بالأقمار الصناعية والاتصالات الكهربائية واستكشاف الفضاء السحيق. غير أن مستويات طاقة الإلكترونات عرضة للتشويش من البيئة الخارجية كدرجة الحرارة والمجالات المغناطيسية والنبضات الكهرومغناطيسية، وقد اقتربت دقتها تدريجياً من السقف النظري. أما الساعة النووية الضوئية فتتخذ من انتقالات مستويات الطاقة في النواة الذرية «ضابط إيقاع» لها، وهي من حيث المبدأ أقل تأثراً بالتشويش الخارجي، ومرشحة لتحقيق دقة واستقرار أعلى من أفضل الساعات الذرية الحالية، ولذلك أصبحت اتجاهاً متقدماً تعمل عليه أوساط القياس والفيزياء عالمياً بشكل مشترك.

في عام 2024، أعلنت ثلاثة فرق بحثية من بينها المعهد الوطني للمعايير والتقنية الأمريكي (NIST) أنها استخدمت الليزر لإحداث انتقال الساعة داخل نواة الثوريوم. وكانت طاقات هذه القفزات تُقاس سابقاً بشكل غير مباشر فقط. وقد راقب الفيزيائيون لأول مرة إشارة الانتقال النووي مباشرة، محققين بذلك قفزة من التنبؤ النظري إلى التحقق التجريبي، إلا أن التوقيت المستمر بالقفل المغلق الحلقة لم يكن قد تحقق بعد في ذلك الحين.

وفي عام 2026، دخلت الجهود التقنية مرحلة الحصاد المكثف. ففي يونيو، نشر فريق أوروبي يضم جامعة فيينا التقنية والمعهد الاتحادي الألماني للفيزياء والتقنية وغيرهما مسودة بحثية أعلن فيها عن بناء ساعة نووية ضوئية للثوريوم-229 مزودة بحلقة تغذية راجعة؛ وفي أكتوبر، نشر فريق جامعة تسينغهوا والفريق الأوروبي، في وقت متقارب تقريباً، نتائجهما الرسمية في «نيتشر»، حيث حقق كل منهما عبر مسار تقني مختلف التشغيل المستقر المغلق الحلقة للساعة النووية الضوئية: اعتمد الفريق الأوروبي مخطط القراءة بالامتصاص عبر أنبوب ضوئي من بلورة ثوريوم عالية التركيز، بينما اعتمد الفريق الصيني مخطط ليزر فوق بنفسجي فراغي بطول موجة 148 نانومتر مطوّر ذاتياً مع بلورة فلوريد الكالسيوم المنشطة بالثوريوم منخفضة التركيز، وقد حقق كل منهما اختراقاً في مؤشر الاستقرار على مستوى الثانية.

وفي تعليق له على هذين العملين في الوقت نفسه، قال جيلاد بيريز، عالم الفيزياء النظرية في معهد وايزمان للعلوم الإسرائيلي، إن الساعة النووية الضوئية انتقلت من «منظومة واعدة» إلى «أداة قياس دقيقة قابلة للاستخدام»، قادرة على استكشاف فيزياء جديدة. ويرى أنها ليست سوى نقطة انطلاق لتسارع التنمية في هذا المجال.

وأشار التقييم التقني الرسمي الذي أصدره المعهد الوطني للمعايير والتقنية الأمريكي في أغسطس إلى أن تشغيل النموذجين الأوليين للساعة النووية الضوئية لدى الفريقين يتمتعان حالياً بالموثوقية، وأن الخطأ المقابل لانحراف التردد اليومي يبلغ نحو ثانية واحدة كل 3 ملايين سنة، لكنه لم يتجاوز بعد الدقة طويلة الأمد لأفضل الساعات الذرية التقليدية الحالية التي لا يتجاوز خطؤها ثانية واحدة كل 40 مليار سنة. ويُعدّ تحسين كفاءة الليزر فوق البنفسجي الفراغي، وتحسين مواد البلورات، وتصغير المنظومة، ورفع القدرة على التكيف البيئي، من الاتجاهات الأساسية التي تعمل عليها الفرق في مختلف الدول بشكل مشترك في المرحلة المقبلة.

محور المنافسة يتحول إلى «هل يمكن استخدامها»

لا تمثل الاختراقات المتكاثفة في الساعة النووية الضوئية سوى صورة مصغرة للمنافسة في مجال القياس الدقيق الكمي العالمي. وباعتباره أحد الاتجاهات الأساسية الثلاثة لتقنية الكم، يستفيد القياس الدقيق الكمي من خصائص الحالة الكمية لتحقيق قياس فائق الدقة للكميات الفيزيائية، ويغطي أبعاداً متعددة كالزمن والجاذبية والمجال المغناطيسي والتيار والقصور الذاتي، ويُوصف بأنه «مسطرة على المستوى الكمي»، وهو ينتقل تدريجياً من البحث الأساسي إلى تطبيقات مادية في استكشاف الموارد والوقاية من الكوارث والتخفيف من حدتها والدفاع والأمن القوميين والتصنيع المتقدم.

وقد رفعت الدول العلمية والتقنية الرئيسية في العالم القياس الدقيق الكمي إلى مصاف مجالات التنافس الاستراتيجي. فمثلاً، يمكن استخدام مقياس الجاذبية الكمي في استكشاف الموارد الجوفية ومراقبة الجيولوجيا. وقد دخلت بعض منتجات معدات الجاذبية الكمية عالية الدقة التي طورتها شركة AOSense الأمريكية مرحلة الهندسة، وتعد وكالة ناسا وشركات الطاقة من مستخدميها المهمين. وتعتمد المفوضية الأوروبية عبر «برنامج الكم الرائد» على ضخ 10 مليارات يورو قبل عام 2030، لتوحيد الجهود البحثية لعدة دول من أجل دفع التطبيق التجاري لتقنية الاستشعار الكمي، وتشكيل قدرة تحويل صناعي قوية في مجالي مقياس المغناطيسية الكمي ومقياس التداخل الذري. كما أصدرت اليابان وكوريا الجنوبية على التوالي استراتيجيات متخصصة لتعزيز البحث والتطوير في تقنية القياس الدقيق الكمي وضوابط التصدير.

ويتحول محور المنافسة تدريجياً من «هل يمكن القياس» إلى «هل يمكن الاستخدام». ففي مجال التردد الزمني، وإلى جانب استكشاف الساعة النووية الضوئية المتقدم، تتطور أيضاً مسارات تقنية ناضجة كساعة الشبكة الضوئية. فقد تجاوزت ساعة الشبكة الضوئية لذرات السترونشيوم التي طورها فريق جامعة العلوم والتقنية الصينية في مؤشري الاستقرار وعدم اليقين مستوى 10-19، لتلتحق بالصفوف المتقدمة دولياً، وتوفر بيانات صينية لإعادة تعريف «الثانية» في النظام الدولي للوحدات.

وقال مايكل بيلكوك، الرئيس التنفيذي لشركة Q-CTRL المتخصصة في التحكم الكمي، إن الاستشعار الكمي هو الفرع الأقرب إلى التسويق التجاري في مجال تقنية الكم، وهو «أكبر رابح على المدى القريب».

وأظهر تقرير «الثورة الكمية: دليل صانعي السياسات في الدول الحليفة» الذي أصدره معهد هوفر بجامعة ستانفورد الأمريكية في يوليو من هذا العام أن الاستشعار الكمي، بوصفه الشكل التطبيقي الأساسي للقياس الدقيق الكمي، هو الأقصر مساراً إلى التسويق التجاري بين الاتجاهات الثلاثة الكبرى: الحوسبة الكمية والاتصالات الكمية والقياس الدقيق الكمي.

تحويل التطبيقات في مرحلة حاسمة

على الصعيد العام، لا يزال القياس الدقيق الكمي العالمي في مرحلة حاسمة من الانتقال من البحث الأساسي إلى التطبيق. فحتى الساعة النووية الضوئية، وهي الأسرع تقدماً، ليست سوى نموذج أولي مختبري حتى الآن، ضخم الحجم وصارم شروط التشغيل، ويشكل التصغير وخفض استهلاك الطاقة وتحسين القدرة على التكيف البيئي في المراحل اللاحقة، إلى جانب التكيف مع سيناريوهات الحمل على الأقمار الصناعية والمركبات والسفن، تحديات أساسية تواجهها الدول جميعاً في المرحلة المقبلة. أما في الحلقات الأولية كرقائق أجهزة الاستشعار الكمية عالية الأداء والمكونات الكهروضوئية الأساسية، فإن سلسلة الصناعة العالمية تعاني من نقاط ضعف بدرجات متفاوتة.

وقال دينغ شي تشيان، الأستاذ المشارك في جامعة تسينغهوا، إن هذا الاختراق يمهد طريقاً محتملاً لتحقيق ساعات ضوئية مدمجة ومتينة في معدات الملاحة والاتصالات. وقال شوم إن الساعة النووية الضوئية باستخدام البلورات دخلت بالفعل مرحلة التطوير التجاري.

وفي تعليق على أبحاث الساعة النووية الضوئية، أشار هاري مورغان، المحاضر في الكيمياء النظرية بجامعة مانشستر البريطانية، إلى أن «البلورات الشفافة اللازمة لاحتواء الثوريوم-229 كانت سابقاً عالية المتطلبات التقنية وباهظة التكلفة الإنتاجية، مما شكل قيداً حقيقياً على أي تطبيق عملي»، مضيفاً: «هذا النهج الجديد يمثل تقدماً مهماً لمستقبل الساعة النووية الضوئية، ولا شك أن هذا الجهاز قابل للتطبيق، وربما أقرب مما توقعه أي شخص».

ويعكس برنامج «NIST on a Chip» التابع للمعهد الوطني للمعايير والتقنية الأمريكي هذا التحول: إذ يضغط قدرات القياس عالية الدقة التي كانت تُنجز فقط في مختبرات القياس الوطنية إلى أجهزة على مستوى الرقاقة، ويدفع بها إلى المصانع والمستشفيات والميادين الحقيقية.

وفي هذا السباق العالمي، أصبحت الصين، بمنظومتها الصناعية المتكاملة واستثماراتها البحثية المستمرة وسوقها التطبيقية الواسعة، لاعباً مهماً. ففي المجالات الفرعية كالتردد الزمني ومقياس المغناطيسية الكمي والاستشعار الكمي للتيار، تحتل نتائج الفرق البحثية الصينية الصفوف الأولى دولياً، مع تسريع تحويلها الهندسي وبناء المنظومة الصناعية. ومع استمرار زيادة الاستثمارات في مختلف الدول، يُتوقع أن تتسارع وتيرة التطور التقني والتطبيق الصناعي في مجال القياس الدقيق الكمي، مما يوفر محركاً أساسياً جديداً للتنمية العلمية والتقنية العالمية.